伺服控制系统随动系统共35页文档
第九章位置随动系统共34页文档
第9章 位置随动系统
角位移检测元件——光电编码盘
光电编码盘(简称光电 码盘)也是目前常用的 角位移检测元件。编码 盘是一种按一定编码形 式(如二进制编码)，将 圆盘分成若干等分(图 9-5为16个等分)；并分 成若干圈，各圈对应着
编码的位数，称为码道。如图9－5所示的编码盘为四个 码道。图9-5a即为一个4位二进制编码盘，其中透明(白 色)的部分为“0”，不透明(黑色)的部分为“1”。由 不同的黑、白区域的排列组合即构成与角位移位置相对 应的数码，如“0000”对应“0”号位，“0011”对应
U K (i o) K
第9章 位置随动系统
角位移检测元件——圆盘式感应同步器
圆盘式感应同步器的结构如图9-4所示。其定子相当于直 线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。其节距也是 2mm，而且定子中两个绕组相差也是1/4节距。工作原理 和特点与直线性感应同步器基本上是一样的。其测量角 位移的精度可达0.3″。
第9章 位置随动系统
机械特性 如前所述，电动机的机械特性是控制电压不变时， 转速与转矩间的关系。由于交流伺服电动机的转 子电阻较大，因此它的机械特性为一略带弯曲的 下垂斜线。即当电动机转矩增大时，其转速将下 降。对于不同的控制电压，它为一簇略带弯曲的 下垂斜线，见图9－11a。由图可见，在低速时， 它们近似为一簇直线，而交流伺服电动机较少用 于高速，因此有时近似作线性特性处理。这样， 交流伺服电动机的传递函数也可近似以式(9－2) 与式(9－3)
第9章 位置随动系统
第9章 位置随动系统
系统的组成框图
第9章 位置随动系统
系统框图
G(s)K1
(T0s1)(T1s1) K' K2
伺服系统
加减速时间设定
加减速用加减速时间的长短来设定，加减速时间越短，速度变化大， 系统易引起振荡；反之，系统的响应性变慢。加减速有线性加减速和指 数加减速。在线性加减速中，加速度有突变，应根据负载惯量核算最大 可达到的加速度，从而确定加速到最大速度所需要的时间；在指数加减 速中，加速度变化无突变，速度变化平稳，必须设定加减速总时间和加 减速升降速时间。
以移动部件的位置和速度作为控制量的 自动控制系统。
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
伺服系统组成
位置控制 + 位置控制 调节器 — 速度控制
+
—
--
位置 指令
速度控制 调节器
功率 驱动
机械传动机构
实际速度反馈 速度检测 电机 实际位置反馈 位置检测
伺服系统
伺服系统组成
机电一体化技术
基本工作原理
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
v、a v a
v、a
v
a
O t O
ta
t1
ta
t2
t
线性加减速
指数加减速
伺服系统
伺服系统参数
机电一体化技术
阻尼
运动中的机械部件易产生振动，其振幅取决于系统的阻尼和固有频率， 系统的阻尼越大，振幅越小，且衰减越快。运动副（特别是导轨）的摩擦阻 尼占主导地位，实际应用中一般将摩擦阻尼简化为粘性摩擦阻尼。系统的粘 性摩擦阻尼越大，系统的稳态误差越大，精度越低。对于质量大、刚度低的 机械系统，为了减小振幅，加速衰减。可增大粘性摩擦阻尼。
位置检测装置将检测到的移动部件的实 际位移量进行位置反馈，与位置指令信号进 行比较，将两者的差值进行位置调节，变换 成速度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电 动机以给定的速度向着消除偏差的方向运动，
伺服控制系统随动系统
特点与回顾
综合性、专业性，知识面宽，内容多而杂
数学、电子线路、电机学、机械基础、控制理论、力学、计 算机、液压与气动、电力电子学都要涉及 具有穿线的作用
注重实践
控制系统设计、实现、调试、试验
和自控原理的比较
什么是伺服系统（Servo System）
随动系统 — 调节系统 是控制系统中的一类系统 它用来控制被控对象的转角或位移，使其自动、连续、 精确地复现输入指令的变化。（一般具有负反馈闭环） 例：雷达系统、机器人机械臂、猎雷声纳平台
伺服控制系统（随动系统） —— 调节控制系统
跟踪输入变化，克服负载与噪声干扰——使对象保持某一状态 两类系统共同点：一般都是反馈控制系统 两类系统不同点：四个方面 1、输入信号 时变、跟踪 、未知、复杂 —— 常值阶跃、已知、简单 2、误差特点 跟踪误差来源于输入信号的随机变化 —— 广义干扰引起 3、过渡过程质量、精度 过渡过程质量高、精度、快速性好——精度高，过程一般 4、负载特点 负载惯性与摩擦——广义干扰 你中有我，我中有你
执行 电机
减 速 器
对 象
c(t)
组成伺服系统按职能可分为以下六个部分
1.测量元件
其职能是检测被控制的物理量，在随 动系统中被测量是角度或位移，而在速度控制系统 中被测量是转速或角速度。 2.给定元件 其职能是给出与期望的被控量相对应 的系统输出量 3.比较元件 其职能是把测量元件检测的被控量实 际值与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们 之间的偏差。
5、负载扰动作用下系统的响应
负载扰动对系统动态过程的影响是调速系统的重要 技术指标之一 衡量抗扰能力一般取大转速降(升)Δnmax与响应时 间tsf来度量
伺服驱动系统
（2）驱动电路 接收微机发出的指令，并将输入信号转换成
电压信号，经过功率放大后，驱动电动机旋转。转速的大小 由指令控制。若要实现恒速控制功能，驱动电路应能接收速 度反馈信号，将反馈信号与微机的输入信号进行比较，将差 值信号作为控制信号，使电动机保持恒速转动。
（3）执行元件 可以是直流电动机、交流电动机，也
速度控制过程： 图8-1中的测速发电机和速度反馈电路组成的反馈回 路可实现速度恒值控制。 测速发电机和伺服电动机同步旋转，假如因外负载
增大而使电动机的转速下降，则测速发电机的转速下
降，经速度反馈电路，把转速变化的信号转变成电信 号，送到驱动电路，与输入信号进行比较，比较后的 差值信号经放大后，产生较大的驱动电压，从而使电 动机转速上升，恢复到原先调定转速，使电动机排除
1.3 伺服系统的分类
（1）按驱动方式分 可分为液压伺服系统、气压伺服
系统和电气伺服系统。
（2）按执行元件的类别分类 可分为直流电动机伺服 系统、交流电动机伺服系统和步进电动机伺服系统。 （3）按有无检测元件和反馈环节分类 可分为开环伺 服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。
（4）按输出被控制量的性质分类 可分为位置伺服系
用的控制方式。
双三拍控制方式：
如果要采用三相三拍控制方式，可以采用双三拍控制方式， 即通电顺序按AB → BC → CA →AB … …进行。由于双三拍 控制方式每次有两相绕组通电，而且切换时总保持一相通 电，故工作较稳定。
综上所述，可以得出如下一些结论:
（1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次， 它的转子便转过一个确定的角度，即步距角θ。 （2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，则转 子反转。
伺服控制系统设计
Wop (s)
s(Ts s
K 1)(T2 s
1)
3.2 单闭环位置伺服系统
伺服系统旳闭环传递函数
W cl
(s)
TsT2 s 3
(Ts
K T2 )s2
s
K
闭环传递函数旳特性方程式
TsT2s3 (Ts T2 )s2 s K 0
3.2 单闭环位置伺服系统
用Routh稳定判据，为保证系统稳定，
须使
K
Ts T2 TsT2
单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性
3.3 双闭环伺服系统
在电流闭环控制旳基础上，设计位置 调整器，构成位置伺服系统，位置调整 器旳输出限幅是电流旳最大值。 以直流伺服系统为例，对于交流伺服 系统也合用，只须对伺服电动机和驱动 装置应作对应旳改动。
3.3 双闭环伺服系统
Tm
R J CT Ce
Tl
La R
3.2 单闭环位置伺服系统
驱动器
电机
直流伺服系统控制对象构造图
采用PD调整器，其传递函数为
减速器
WAPR (s) WPD (s) K p (1 d s)
3.2 单闭环位置伺服系统
伺服系统开环传递函数
Wop (s)
s(Ts s
K ( d s 1)
1)(TmTl s2 Tms
3.5 复合控制旳伺服系统
前馈控制器旳传递函数选为
G(s) 1 W2 (s)
得到
m (s) 1
* m
(
s)
3.5 复合控制旳伺服系统
理想旳复合控制随动系统旳输出量可以完 全复现给定输入量，其稳态和动态旳给定误 差都为零。 系统对给定输入实现了“完全不变性” 。 需要引入输入信号旳各阶导数作为前馈控 制信号，但同步会引入高频干扰信号，严重 时将破坏系统旳稳定性，这时不得不再加上 滤波环节。
数控机床的伺服驱动系统
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。 一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机， 是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应 式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应 式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类 步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类 分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。 反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组， 而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生 反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与 反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁 力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子 绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式 在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿 对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°； 下一步C相通电，B相断电，
伺服系统
内 容 提 要
伺服系统的特征及组成
伺服系统控制对象的数学模型
伺服系统的设计
9.1伺服系统的特征及组成
伺服系统的功能是使输出快速而准确地 复现给定，对伺服系统具有如下的基本 要求： (1) 稳定性好 伺服系统在给定输入和外 界干扰下，能在短暂的过渡过程后，达 到新的平衡状态，或者恢复到原先的平 衡状态。
伺服系统的开环传递函数
9.2.1 直流伺服系统控制对 象的数学模型
图9-6 带有电流闭环控制的对象结构图
9.2.2交流伺服系统控制对 象的数学模型
用交流伺服电动机作为伺服系统的执行电 动机，称作交流伺服系统。 常用的交流伺服电动机有三相异步电动机、 永磁式同步电动机和磁阻式步进电动机等， 也可用电励磁的同步伺服电动机。 无论是异步电动机，还是同步电动机，经 过矢量变换、磁链定向和电流闭环控制均 可等效为电流控制的直流电动机。
直流伺服电动机的状态方程
d 1 1 Te TL dt J J R dI d 1 1 Id E Ud0 dt L L L
机械传动机构的状态方程
d m dt j
9.2.1 直流伺服系统控制对 象的数学模型
驱动装置的近似等效传递函数
Ks Ts s 1
最大的开环极点，以加快系统的响应过 程。 系统的开环传递函数
K W op ( s ) s(Ts s 1)(T2 s 1)
9.3.2单环位置伺服系统
伺服系统的闭环传递函数
K W cl ( s) TsT2 s 3 (Ts T2 ) s 2 s K
闭环传递函数的特征方程式
9.1.2伺服系统的组成
数控机床的伺服系统
4.2 步进电动机驱动控制系统
4.2.3 步进电动机的驱动控制
1.步进电动机的工作方式 从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每拍转子转过一个
步距角。按A→B → C → A → …的顺序通电时，电动机的转 子便会按此顺序一步一步地旋转;反之，若按A → C → B → A→…的顺序通电，则电动机就会反向转动，这种三相依次 单相通电的方式，称为三相单三拍式运行，“单”是指每次 只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环内换接了三次， 即A、B、C三拍。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通 电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳 定性较差;另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕 组开始
4.2.2 步进电动机的工作原理与主要特 性
1.步进电动机的工作原理
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4.2 步进电动机驱动控制系统
步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。下面以 图4-2所示的一个最简单步进电动机结构为例说明步进电动机 的工作原理。其定子上分布有6个齿极，每两个相对齿极装有 一相励磁绕组，构成三相绕组。
也称为数组的长度。
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6.1 一维数组
对数组的定义应注意以下几点。 (1)数组的类型实际上是指数组元素的取值类型。对于同一
个数组，其所有元素的数据类型都是相同的。 (2)数组名的书写规则应符合标识符的书写规定。 (3)数组名不能与其他变量名相同。 (4)不能在方括号中用变量来表示元素的个数，但是可以用
按伺服控制方式不同，数控机床伺服系统可分为开环、闭环 和半闭环系统。开环型采用步进电动机驱动，控制方式简单， 信号单向传递，无位置反馈，所以精度不高，适用于要求不 高的经济型数控机床中。而闭环控制系统采用直流、交流伺 服电动机驱动，位置检测元件安装于机床运动部件上，
伺服驱动系统
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伺服系统,其驱动元件为步进 电机.
功率步进电机控制系统的结构最简单,控制最容易,维修最方 便,控制为全数字化,这完全符合数字化控制技术的要求,控 制系统与步进电机的驱动控制电路结为一体.
步进电机又称脉冲电机,每接受一个脉冲信号转子转过一个角度,称为步距 角.
脉冲数目：位移大小；脉冲频率：速度大小；通电顺序：方向控制. 步进电机的结构：单段式三相反应式步进电机结构：
工作原理：电磁吸合 转子：开槽形成齿 定子：有磁极
以三相单三拍为例说明工作原理：
✓ 第一拍：A相励磁绕组通电,B、C励磁绕组断电.A相定子绕组的磁力线为 保持磁阻最小,给转子施加力矩,使相邻转子齿与之对齐.
暂的调节过程后,达到新的或者恢复到原来的平衡状态.直
接影响数控加工的精度和表面粗糙度.
3快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标,它反映了
系统的跟踪精度.
4调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转
速和最低转速之比.0~30m/min.
5低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制,在整个速
按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机.
按电机结构分：有单段式径向式、多段式轴向式、印刷绕组 式.
按工作相数分：有三相、四相、五相等.
按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机.
数控机床中使用较多的是反应式步进电机和永磁感应式步进 电机
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2步进电机的结构与工作原理
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如上所述,在电磁转矩的作用下,转子有一定的稳定平衡点.
随动系统
l ab 311.gf kd .mt n经典控制系统——随动控制系统设计1 概述控制技术的发展使随动系统广泛地应用于军事工业和民用工业随动系统是一种带反馈控制的动态系统在这种系统中输出量一般是机械量例如位移速度或者加速度等等反馈装置将输出量变换成与输入量相同的信号然后进行比较得出偏差系统是按照偏差的性质进行控制的控制的结果是减少或消除偏差使系统的输出量准确地跟踪或复现输入量的变化系统中的给定量和被控制量一样都是位移或代表位移的电量可以是角位移也可以是直线位移根据位置给定信号和位置反馈反馈信号以及两个信号的综合比较来分类可分成模拟式随动系统和数字式随动系统由于随动系统的输出量是一种机械量故其输出常常以机械轴的运动形式表示出来该机械轴称为输出轴通常输出轴带动较大的机械负荷而运动在随动系统中如果被控量是机械位置或其导数时这类系统称之为伺服系统位置随动系统的应用例子如1机械加工过程中机床的定位控制和加工轨迹控制是位置随动系统的典型实例2冶金工业中轧刚机压下装置以及其它辅助设备的控制在轧制钢材的过程中必须使上下轧辊之间的距离能按工艺要求自动调整焊接有缝钢管或钢板要求焊机头能准确地对正焊缝的控制3仪表工业中各种记录仪的笔架控制如温度记录仪计算机外部设备中的x-y记录仪各种绘图机以及计算机磁盘驱动器的磁头定位控制4制造大规模集成电路所需要的制图机分布重复照相机和光刻机机器人或机械手的动作控制等5火炮群跟踪雷达天线或电子望远镜瞄准目标的控制舰船上的自动探舱装置使位于船体尾部的舱叶的偏角模仿复制位于驾驶室的操作手轮的偏转角以便按照航向要求来操纵船舶的航向陀螺仪惯性导航系统各类飞行器的姿态控制等也都是位置随动系统的具体应用2 结构原理位置随动系统是一种位置反馈控制系统因此一定具有位置指令和位置反馈的检测装置通过位置指令装置将希望的位移转换成具有一定精度的电量利用位置反馈装置随时检测出被控机械的实际位移也把它转换成具有一定精度的电量与指令进行比较把比较得到的偏差信号放大以后控制执行电机向消除偏差的方向旋转直到达到一定的精度为止这样被控制机械的实际位置就能跟随指令变化构成一个位置随动系统原理框图可描述如图1所示 工作过程因为系统存在惯性当输入X (t )变化时输出Y (t )难以立即复现此时Y (t )≠X (t )即e (t )= Y (t )X (t )≠0——测量元件将偏差e (t )转换成电压输出——经小信号放大器放大功率放大器——执行电机转动——减速器——使被控对象朝着消除误差的方向运动只要X (t )≠Y (t)就有e (t )≠0执行电机就会转动一直到偏差e (t )=0执行电机停止转动此时系统实现了输出量Y (t )对输入量X (t )的复现当X (t )随时间变化时Y (t )就跟着X (t )作同样变l ab 311.gf kd .mt n化这种现象就称为随动图1 位置随动系统原理框图随着机电产品及电子元件的不断发展与完善图1中各个环节均可采用多种不同的元器件来实现组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种测量元件是用来检测被控制的物理量如果这个物理量是非电量一般要转换为电量如电位器旋转变压器或自整角机用于检测角度转换成电压测速发电机用于检测电动机的速度转换为电压而光电编码器作为位置与角度的检测元件应用在计算机位置控制系统及计算机速度控制系统中放大元件其职能是将偏差信号进行放大用来推动执行电机去控制被控对象可用晶体管晶闸管集成电路等组成的电压放大级和功率放大级将偏差信号放大执行元件其职能是直接推动被控对象使其被控量发生变化用来作为执行元件的有电动机等减速器其职能是实现执行元件与负载之间的匹配由于执行元件常为高转速小转矩的电动机而负载通常均为低转速大转矩所以在执行元件到负载之间需要引入减速器以达到两者之间的匹配减速器通常为一齿轮组典型的随动系统框图如图2所示图2 典型的随动系统框图3 各部件结构与数学模型一测量元件测量元件的种类电位器自整角机旋转变压器光栅多极旋转变压器感应同步器光电码盘等1伺服电位器最常用的伺服电位器是接触式电阻变换器或称为电阻式位移变换器它是在输入位移的作用下改变接入电路中的固定电阻即改变其电阻值的大小实际应用中通常将两个电位器并联构成桥式电路用以测量系统位移误差的大小如图3所示电位器的滑动端固定在转轴上其中和指令轴相联的称为发送电位器RPT 和输出轴相联的称为接收电位器RPR 两滑动端之间的电压U rp 与输入位移输出位移之差成正比供电电压Us 可为直流也可以是交流视具体情况确定电位器用于测量角位移时是转动式的当用于测量直线位移时则采图3 用电位器测量系统位移误差l ab 311.gf kd .mt n用直线位移式伺服电位器作位置检测元件线路简单惯性小消耗功率小所需电源简单且价格便宜使用方便缺点是位移范围有限测量精度不高容易磨损而造成接触不良且寿命短所以一般电位器只适用于测量精度要求不高位移范围有限的系统中2控制式自整角机自整角机或旋转变压器作为随动系统的测量元件通常是成对使用的控制式自整角机工作原理如图4图4中左边为自整角机发送机右边为自整角机接收机发送机的转子绕组接交流激磁电压U j 称激磁绕组接收机的转子绕组输出电压称为输出绕组发送机激磁绕组对定子D 1相的夹角用θ1表示接收机输出绕组对定子D 1’相的夹角用θ2表示θ1θ2就是发送机接收机激磁绕组轴线的夹角差值经推导后可得出输出绕组中产生的感应电势的有效值为E 2=E 2max cos δ式中δ=θ1θ2 通常把δ= 90°的位置作为协调位置偏离此位置的角度为失调角γ即δ=90°γ故E 2=E 2max cos δ= E 2max sin γ当接收机输出绕组接上交流放大器时可认为输出绕组电压U 2=U 2max sin γ在γ角很小时sin γ=γU 2=U 2max γ 3旋转变压器旋转变压器如图5所示其原理和自整角机类似一般来说角差的转换精度比自整角机高二交流放大器交流放大器是由基本运算放大器和反馈网络等组成因有电容的隔直作用可降低漂移及噪声交流放大器的线路图如图6其中的电容C 起隔直作用稳压管W 1W 2 用来限制输出信号主要目的是为了保护交放电路交流放大器的输入U sr 旋转变压器的角差信号通过耦合变压器输出到交流放大器的输入端交流放大器的输出U sc 解调环节的输入信号交流放大器的放大倍数为131R R K = 交流放大器的放大倍数是确定的为使系统工作于线性区应使输入电压较小 图4 自整角机图5 旋转变压器图6 交流放大器l ab 311.gf kd .mt n三解调环节在随动系统中误差敏感元件的输出信号是交流信号而我们以前分析研究的校正网络指在直流情况下进行的所以在系统中必须引入一个交流信号变为直流信号的环节——解调环节线路图如图7所示晶体管T 1T 2 对接是为了减少残余电压饱和时抵消饱和压降截止时抵消反向电流晶体管T 1T 2 作为开关截止时断开饱和时导通π型滤波电路用于减少输出的脉动成份工作原理U t 上正下负V be 反偏T 1T 2 截止U sr 不能通过U t 上负下正V be 正偏又因为U sr <<U t 集电极正偏T 1T 2 饱和导通T 1T 2 相当于接的开关U sr 通过对输入信号和解调信号的要求a)输入信号和解调信号同频率b)相位差0°或180°当同相时输出电压为正半周直流电压的极性为正当反相时输出电压为负半周直流电压的极性为负从输入端看进去解调环节的等效电路如图8所示其中R 2为后级电路的等效输入阻抗由等效电路可得解调滤波环节的传递函数为s T K V V s s s o +=1 其中221122)//(,C R R T R R R K s s =+=可见它是一个一阶惯性环节解调滤波电路的形式很多可以用类似的方法求出它们对应的传递函数四脉宽调制脉宽调制PWM 变换器是是一个电压脉冲变换装置其输出的PWM 波形信号经过功率放大便可以驱动直流电机实现调速控制线路图如图9U 为三角波发生器输出的信号U s 为控制器输出的直流控制电压波形图如图10所示U s =0U sc 的正负半波脉宽相等输出平均电压为零参见图10 (a)此信号经功率放大后电机不会转U s >0U sc 的正半波宽度>负半波宽度参见图10 (b)此信号经功率放大后电机正转U s <0U sc 的正半波宽度<负半波宽度参见图10 (c)此信号经功率放大后电机反转 U sc 的脉冲宽度正比于U s 实现了电压—脉冲的转换在三角波不包含直流成分时输出的线性度非常高采用PWM 控制电机速度的随动系统中由于开关频率高靠电枢的滤波作用可消除脉冲交流对直流电机的影响其开关频率f 应高于调速系统的最高工作频率通频带f c 一般希望f 10f c 同时还应当高于系统中所有回路的谐振频率以防引起共振但其上限受晶体管开关损耗和开关时间的限制一般选2000Hz 左右 图7 解调环节图8 解调环节的等效电路图9 脉宽调制l ab 311.gf kd .mt n图10 脉宽调制的波形五直流放大器和功率放大器直流放大器是为了满足静态及动态的性能指标需要改变系统增益系数K 而设定的直流放大器由基本运放电路和反馈网络组成且增益系数可调在线性工作区可将其看作一比例环节功率放大器在线性工作区同样是一比例环节六执行电机执行电机有很多种应根据系统类型功率外形等要求进行合理选择图11是直流电机的原理图L a 很小可以忽略电机的传递函数为1)()(+=Ωs T K s U s m m a式中Ω为电机转速K m 是电机增益常数T m 是电机时间常数若以角度θ为输出电机方框图为图12 电机方框图七校正环节1串联超前校正超前校正图13左边为无源校正网络右边为有源校正网络13 超前校正网络对有源校正其传递函数为AC 1R 1R 2U scU srC 1R 1R 2U scU sr()()11+=s T K s G p c 111C R T =12R R K p −=图11 控制电枢式直流电机l ab 311.gf kd .mt n对无源网络其传递函数为()11111++=s T s T s G ii c αα其中 1221>+=R R R i α111C R T =若1T i >>α则()()111+≈s T s G icα2串联滞后校正滞后校正图14左边为无源校正网络右边为有源校正网络14 超前校正网络有源滞后网络的传递函数为()()()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=+==s T K s T T s s T s U s U s G p sr sc c 222211111ττ 其中12R R K p −=21C R =τ222C R T = 无源滞后网络的传递函数为()()()()()112212++===s T s T s X s X s U s U s G j sr sc c α 其中221R R R j +=α222C R T =3并联校正a 速度校正进行并联的速度校正可以提高电机的响应速度且不会影响闭环系统的极点 输入转角θ(t)输出电压U sc (t)如图15所示传递函数c sc c K s s U s G ==)()()(θK c 为发电机系数 为了使测速电机的输出电压可调常常通过一个电位器进行分压再输出AC 2R 1R 2U scU srC 2R 1R 2U scU sr图15 速度校正图16 速度校正l ab 311.gfkd .mt nRRK s s U s G c sc c 1)()()(=′=θ b 速度—微分校正如图16所示传递函数1)(2+=s T s T K s G c c c c 式中参数K c T c 由环节本身的结构参数所决定4 小功率随动系统设计采用旋转电位器作为测量元件直流电机作为执行元件质量不大的飞轮作为负载构成一个小功率的随动系统根据性能指标要求设计合理的校正网络调试完成满足要求的随动系统如图17为小功率随动系统实验装置包括“Lab311控制系统实验箱”和“控制系统实验台”图17 小功率随动系统实验装置一设计任务与要求1 根据给定的元部件和有关装置设计一套闭环控制的角度随动系统2 对系统的有关参数进行测试3 设计出合理的校正网络在系统中加以实现使得校正后的系统满足σ%≤20%t s ≤1s 并具有较大的静刚度和工作范围4 写出详细的技术报告包括以下内容a 主要任务b 设计构思元部件使用电路系统工作原理c 参数测定与处理d 开环传递函数的确定校正方法及实现e 校正前后系统性能的理论分析f 心得体会及遗留问题二元部件的技术性能与参数测定1 WDD35精密导电塑料电位器WDD35系列电位器具备连续旋转功能常在显示记录仪表中使用其滑动端与导电塑接收电位器直流电机测速电机飞轮发送电位器l ab 311.gfkd .mt n料接触实现角度电压的变换如图18为WDD35D-1型电位器外形旋转电位器在随动系统中完成角度电压变换是一个比例环节其系数Kr 可由测得的旋转角度输出电压拟合曲线的斜率求出表5-1 WDD35D-1型电位器主要技术指标 标准阻值K Ω 1 启动力矩(mN.m) ≤1 电阻公差(%) ±15 介质耐压(V) 500AC.RMS min 独立线性度(%) 0.5 绝缘电阻 M Ω≥1000500VDC理论电旋转角 345±2(°) 分辨力 理论上无限 输出平滑性(%) ≥0.05 额定功耗2W at 70 0W at 125旋转负荷寿命圈 50×106400r /min,每隔15min反转 输出平滑性变化≤50对标准值 独立线性度变化≤50对标准值电阻温度系数 ≤±400ppm/ 耐湿 90RH240h电阻变化≤10工作温度范围 -55 - +125()振动 振幅1.52mm 或加速度15g 频率10-200Hz 电阻变化≤±2 机械转角(°)360(连续)冲击50g 11ms 电阻变化≤±22 直流力矩电机执行部件为SYL-5永磁式直流力矩电动机连续堵转力矩M f =0.49N·m 连续堵转电流1.8A 连续堵转电压U f =20V 空载转速n omax =500r/min 静摩擦力矩0.098 N·mT m 的确定方法用频率特性测试仪获得电机的幅频曲线进行直线拟合转折频率即为1/T m K m 的确定方法用转速表测得转速n 与U sr 的关系则K m =n /U sr 为测量准确应选择不同的U sr 进行多次测量取平均值关于实验台中的飞轮负载可以与电机联接在一起看成一个整体进行上述参数的测量3 测速电机测速元件为CYD-1永磁式直流测速发电机U n =0.1v/r·min r L =23Ωn max =400r/min 测速电机作为测速元件工作在发电机状态与电机输出轴进行机械相联它的时间常数必须很小这样其惯量对被测系统的影响可以忽略不计因此测速电机也可以看作一个比例环节其比例系数K’m 可由测得的旋转速度输出电压拟合曲线的斜率求出在计算过程中需注意所有的参数和系数都有各自的单位为了不发生错误相关的参数应采用一致的度量在这里角位移用弧度表示时间用秒表示因而转速的单位“转/分”应化为“弧度/秒”三系统框图小功率随动系统的结构框图如图19所示图18 WDD35D-1型电位器l ab 311.gf kd .mt n图19 小功率随动系统结构图其中K r1K r2分别是发送接收电位器的比例系数K i 为功率放大器的系数G c s 为校正环节请读者自行分析上述模型的稳态特性并在此基础上确定校正方法四几个注意问题1 实验调试过程中要注意反馈的极性尤其对于非电信号的环节判断起来比较困难当系统出现振荡现象时首先应检查是否接成了正反馈2 注意运放必须工作在线性区防止输入信号过大出现饱和3 旋转电位器虽然能连续旋转但电旋转角只有340°左右其余20°左右的区域滑动端无信号输出4 实验过程中应充分利用三用表或示波器等仪器来检查测量和调整控制信号以及检查控制元件是否正常5 调试完成的系统的实测性能和理论值有偏差这主要是由于设计过程中没有考虑到的非线性因素元器件精度等原因造成。