简述位置随动系统

１ 简 述 位 置 随 动 系 统

学院：机电工程学院

班级：电气二班 姓名：姚怀磊 学号：100101228 指导老师：张琦 时间：2012-6-2 ２

目录： 引言 （一）位置随动系统的概述  1.什么是位置随动系统  2．位置随动系统的分类  3.位置随动系统的结构原理  4.位置随动系统的特点 （二）位置随动系统的主要部件  1.线位移检测元件（感应同步器）  2.自整角机  3.光电编码盘  4.功率放大——PWM放大器  5.相敏整流器的工作原理及传递函数  6．伺服电动机  7．减速系统 （三）位置随动系统的工作原理  1.系统工作原理  2.各元部件传递函数  3.位置随动系统的结构框图  4.位置随动系统的信号流图  5.相关函数的计算 （四）位置随动系统的应用及前景 ３

引言： 随动系统是指系统的输出以一定的精度和速度跟踪输入的自动控制系统，并且输入量是随机的，不可预知的，主要解决有一定精度的位置跟随问题，如数控机床的刀具给进和工作台的定位控制，工业机器人的工作动作，导弹制导、火炮瞄准等。控制技术的发展，使随动系统得到了广泛的应用。 位置随动系统是反馈控制系统，是闭环控制，调速系统的给定量是恒值，希望输出量能稳定，因此系统的抗干扰能力往往显得十分重要。而位置随动系统中的位置指令是经常变化的，要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性和准确性成了位置随动系统的主要特征。简言之，调速系统的动态指标以抗干扰性能为主，随动系统的动态指标以跟随性能为主。 （一）位置随动系统的概述

1.什么是位置随动系统

随动控制系统又名伺服控制系统。其参考输入是变化规律未知的任

意时间函数。随动控制系统的任务是使被控量按同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定范围内。这种系统在军事上应用最为普遍.如导弹发射架控制系统，雷达天线控制系统等。其特点是输入为未知。伺服驱动系统（Servo System）简称伺服系统，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。当然，其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。

2．位置随动系统的分类

随着科学技术的发展，出现了各种类型的随动系统。由于位置随动系统的基本特征体现在位置环上，体现在位置给定信号和位置反馈信号及两个信号的综合比较方面，因此可根据这个特征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，另一类是数字式随动系统。 模拟式随动系统的各种参量都是连续变化的模拟量，其位置检测器可用电位器，自整角机，旋转变压器，感应同步器等。负载是雷达天线的模拟式位置随动系统的原理图见下图，一般是在调速系统的基础上外加一个位置环组成，它是最常见的。 ４

模拟式随动系统原理框图 由于模拟式检测装置的精度收到制造上的限制，不可能做的很高，从而影响了整个模拟式随动系统的精度。若生产机械要求进一步提高控制精度，则必须采用数字式随动系统。这类系统中，一般仍可采用模拟的电流环和速度环以保证系统的快速响应，但位置环是数字式的。数字式随动系统的基本类型有以下三种： 首先介绍数字式相位控制随动系统，如图3所示。这是数控机床上广泛采用的一种随动系统，实质上是一个相位闭环（又称锁相环）的反馈控制系统。其位置环由数字相位给定，数字相位反馈和数字相位比较三个部分组成，即图3中的数字给定、位置检测和鉴相器三个部件。如图中为给定信号，为反馈信号。

数字式相位控制随动系统原理框图 在模拟随动系统中位置调节器为校正装置 ,其作用是保证系统的稳定及动态品质。常用的校正方式有串、并联校正。本研究选PID控制器作为调节器校正 。校正环节是为了改善系统的动、静态性能而设置的。

3.位置随动系统的结构原理 ５

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。 下面我们结合实际，介绍一个位置随动系统的一般工作过程。原理图如图所示

位置随动系统原理框图 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)作同样变化，这种现象就称为随动

随动系统又称为伺服系统，它所要解决的是未知的自动跟踪问题。随动系统无论是在国防上还是在自动化生产上应用极为广泛，比如火炮的跟踪瞄准、光电跟踪仪的目标跟踪等等；在轧钢机械、仿真机床、数控机床、工业机器人、自动火炮及雷达天线等应用领域都要求有较高的定位或轨迹控制。必须采用位置反馈的方法，是受控对象的实际位置始终准确地跟踪指令位置的变化，组成一个位置随动系统。随动系统是典型的机电产品,除控制精度外,还和机械结构、传动精度等有密不可分的关系。 位置随动系统是应用非常广泛的一类系统 ,主要实现执行机构对位置指令的准确跟踪，被控制量一般是负载的空间位移 ,当位置指令随机变化时 ,系统能使被控制量准确无误地跟随 。 4.位置随动系统的特点 ６

1）输入量是在不断变化着的(而不是恒量)，它主要是要求输出量能按一定精度跟随输入量的变化。而调速系统则主要是要求系统能抑制负载扰动对转速的影响。 2）输出量为位移，而不是转速。 3）供电电路应是可逆电路，使伺服电动机可以正、反两个方向转动，以消正或负的位置偏差。而调速系统可以有不可逆系统。 4）位置随动系统的主环为位置环，调速系统的主环为速度环。 5) 位置随动系统的技术指标，主要是对单位斜坡输入信号的跟随精度(稳态的和动态的)，其他还有最大跟踪速度、最大跟踪加速度等。

（二）位置随动系统的主要部件 1．线位移检测元件（感应同步器） 感应同步器的工作原理与旋转变压器一样。它具有两种形式，一种用来测角位移，叫圆形同步器，另一种来测直线位移，称为直线式感应同步器。 直线感应同步器由两个感应耦合元件组成。一次侧称为滑尺，二次侧称为定尺，定尺和滑尺相当于旋转变压器的定子和转子。不同的是它们是面对面地平行安装，在通常情况下，定尺安装在机床床身或其它固定部件上，滑尺则安装在机床的工作台或其它运动部件上，它们之间只有很小的空气隙（0.250.05m），可作相对移动。 定尺上用印刷电路的方法刻着一套绕组，相当于旋转变压器的输出绕组。滑尺上是刻有两套绕组，一套叫正弦绕组，另一套叫余弦绕组。当其中一个绕组与定尺绕组对正时，另一个就相差1/4节距，即相差90o电角度，说明这两个绕组在平面上是正交的，图5-11所示。按工作状态，感应同步器可分为鉴相型和鉴幅型两类。 ７

2.自整角机 自整角机是一种感应式机电元件，可以把它看成是二次侧可以自由旋转的变压器。它广泛应用于随动系统中，作为角度或角度偏差的检测、传输和指示装置。在随动系统中，通常将两个或者两个以上的自整角机组合使用，在电路上互有联系，在机械上各自独立，但各电机的转轴又能保持相同的转角变化或同步旋转。自整角机的上述特性称为自整步特性。在系统中产生和发出角度位置信号的自整角机成为自整角发送机，接收并跟随动作的自整角机称为自整角接收机。 本次课程设计中采用的是控制式自整角机，原理图见图

控制式自整角机工作原理图 实际使用时，一般将两台自整角机定子绕组 相应出线端1D、2D、3D，与'1D、'2D、'3D用导线相连，发送机转子绕组上加一激磁电压maxsinjjUUt。当发送机在零位并施加激磁电压后，产生的脉动磁通1将在发送机三个定子绕组中分别感应出在时间上相同，大小与1在各定 ８

子绕组轴线的分量成正比的电动势 1maxsinjDcjUKUt

20maxcos120sinjDcjUKUt

30maxcos240sinjDcjUKUt

如果发送机转子顺时针转过*m发送机定子三个绕组的感应电动势分别为

10*maxcos(180)sinjDcjmUKUt

20*maxcos(300)sinjDcjmUKUt

30*maxcos(420)sinjDcjmUKUt

这三个感应电动势将在发送机和接收机定子回路中产生电流。由于三个回路阻抗均衡，三路电流时间上仍相同，仅幅值不同。它们流入接收机定子绕组后，在三个定子绕组轴线位置上产生脉动磁场。三个磁通在接收机转子轴线上的合成磁通为2，它在转子绕组中产生感应电动势E

.

当接收机转子处于零位时，可推出 *'sinsin()mmEEt

式中 mE是感应电势最大值，'是时间上的滞后角。 如果接收机转子也顺时针转了m，则 *'sin()sin()mmmEEt

'sinsin()mEt

'sin()mEt

式中*()mm ，sinmmEE分别为发送机与接收机的角差和接收机转子感应电动势在时间上的幅值。 可以看出mE不仅反映了角差信号的大小，而且反应了的极性，即能

鉴别*m和m的领先于滞后关系。这一点很重要，位置检测装置必须具有此性能，才能保证随动系统的执行电机能够向着消除偏差的方向运动。由于式3中的E含