第四章 位置隨動系統(tǒng)

廣師?第四章位置隨動系統(tǒng)

在實際生產(chǎn)中，電動機帶動生產(chǎn)機械運動的表現(xiàn)不一定都是轉(zhuǎn)速，也可能是生產(chǎn)機械產(chǎn)生一定的位置移動，這時需要控制的量就不再是轉(zhuǎn)速，而是控制對象的角位移或線位移，此時必須采用位置隨動系統(tǒng)才能控制要求。

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4-1位置隨動系統(tǒng)概述

一、位置隨動系統(tǒng)的應(yīng)用它的根本任務(wù)就是實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對位置指令（給定量）的準確跟蹤，被控制量（輸出量）一般是負截的空間位移，當給定量隨機變化時，系統(tǒng)能使被控制量準確無誤地跟隨并復現(xiàn)給定量。 位置隨機系統(tǒng)中的位置指令（給定量）和被控制量一樣也是位移（或代表位移的電量），當然可以是角位移，也可以是直線位移，所以位置隨動系統(tǒng)必定是一個位置反饋控制系統(tǒng)。

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位置隨動系統(tǒng)的基本組成，其原理圖如圖5-1所示。這是一個電位器式位置隨動系統(tǒng)，用來實現(xiàn)雷達天線的跟蹤控制。這個系統(tǒng)由以下幾個部分組成：（1）位置檢測器（2）電壓比較放大器（3）可逆功率放大器（4）執(zhí)行機構(gòu)

二、位置隨動系統(tǒng)的組成及原理廣師?（1）位置檢測器

由電位器RP1和RP2組成位置（角度）檢測器，其中電位器RP1的轉(zhuǎn)軸與手輪相連，作為轉(zhuǎn)角給定，電位器RP2的轉(zhuǎn)軸通過機械機構(gòu)與負載部件相連接，作為轉(zhuǎn)角反饋，兩個電位器均由同一個直流電源供電，這樣可將位置直接轉(zhuǎn)換成電量輸出。

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（2）電壓比較放大器

由放大器1A、2A組成，其中放大器1A僅起倒相作用，2A則起電壓比較和放大作用，其輸出信號作為下一級功率放大器的控制信號，并具備鑒別電壓極性（正反相位）的能力。

廣師?（3）可逆功率放大器

為了推動隨動系統(tǒng)的執(zhí)行電動機，只有電壓放大是不夠的，還必須有功率放大，功率放大由晶閘管或大功率晶體管組成整流電路，由它輸出一個足以驅(qū)動電動機SM的電壓。

廣師?（4）執(zhí)行機構(gòu)

永磁式直流伺服電動機SM作為帶動負載運動的執(zhí)行機構(gòu)，這個系統(tǒng)中的雷達天線即為負載，電動機到負載之間還得通過減速器來匹配。

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三、位置隨動系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)的比較 隨動系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)一樣都是反饋控制系統(tǒng)，即通過對系統(tǒng)的輸出量和組定量時行比較，組成閉環(huán)控制，因此兩者的控制原理是相同的。 調(diào)速系統(tǒng)的給定量是恒值，不管外界擾動情況如何，希望輸出能夠穩(wěn)定，因此系統(tǒng)的抗性能往往顯得十分重要。而位置隨動系統(tǒng)中的位置指令是經(jīng)常變化的，是一個隨機變量，要求輸出里準確跟定量的變化，輸出響應(yīng)的快速性、靈活性、準確性成了位置隨動系統(tǒng)的主要特征。也就是說，系統(tǒng)的跟隨性能成了主要指標。 隨動系統(tǒng)可以在調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個位置環(huán)，位置環(huán)是位置隨動系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)物征。因此，隨動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上往往要比調(diào)速系統(tǒng)復雜一些。廣師?

四、位置隨動系統(tǒng)的分類 由于位置隨機系統(tǒng)的基本特征體現(xiàn)在位置上，體現(xiàn)在位置給定信號和位置反饋信號及兩個綜合比較方面，因此可根據(jù)這個特征將它劃分兩個類型，一類是模擬式隨動系統(tǒng)，另一類是數(shù)字式隨機系統(tǒng)。 模擬式角位移隨動系統(tǒng)的各種參量都是連續(xù)變化的模擬量，其位置檢測器可用電位器，自整角機，旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器等。一般是在調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上外加一個位置環(huán)組成。 采用數(shù)學式檢測裝置來組成數(shù)字式隨動系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，一般仍可采用模擬的電流環(huán)和速度環(huán)以保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)，但位置環(huán)是數(shù)字式的。廣師?數(shù)字式隨動系統(tǒng)的類型

數(shù)字式相位控制隨動系統(tǒng)，如圖5-3所示。這是數(shù)控機床上廣泛采用的一種隨動系統(tǒng)，實質(zhì)上是一個相位閉環(huán)（又稱鎖相環(huán)）的反饋控制系統(tǒng)。其位置環(huán)由數(shù)字相位給定、數(shù)字相位反饋和數(shù)字相位比較三個部分組成，即圖5-3中的數(shù)字給定、位置檢測和鑒相器三個部件。

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數(shù)字給定裝置的任務(wù)是將數(shù)字指令變換成脈沖的個數(shù)，然后再經(jīng)脈沖相位數(shù)模變換（D/A），即一個指令脈沖的出現(xiàn)將使春輸出方波電壓的給定相位前移或后移一個脈沖當量，這個脈沖當量可以做得很小，以保證系統(tǒng)有很高的給定精度。

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一系列令指脈沖的出現(xiàn)將使方波電壓的給定相位以一定速度前移或后移，其速度取決于指令脈沖的頻率。位置檢測部件產(chǎn)生相位反饋，其功能是將工作臺的機械位移轉(zhuǎn)換成與給定方波同頻率的方波電壓的相位，可以用感應(yīng)同步器來實現(xiàn)這樣的位移相位交換，其精度可達，所以其相位能精確反映機械的實際位置。

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鑒相器的主要功能是進行給定相位和反饋相位的比較，將它們的偏差量轉(zhuǎn)變成模擬量電壓，此模擬量電壓的極性應(yīng)能反映相位差的極性。鑒相器的輸出經(jīng)變換處理后作為速度控制器的給定經(jīng)過功率放大，控制電機和機床工作臺向消除偏差的方向移動，因而使不斷地跟蹤，也就可以使工作臺精確地按指令要求運動。

廣師?數(shù)字式脈沖控制隨動系統(tǒng)

第二種為數(shù)字式脈沖控制隨動系統(tǒng)，其原理框圖如圖5-4所示。在數(shù)字式脈沖控制隨動系統(tǒng)中，數(shù)字給定信號是指令脈沖數(shù)D*，作為位置檢測用的光柵則發(fā)出位置反饋脈沖數(shù)D，它們分別進入可逆計數(shù)器的加法端和減法端。

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經(jīng)運算后得到脈沖的誤差量，其中是為了克服后級模擬放大器零漂影響而在計數(shù)器中預置的常數(shù)值。此誤差信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，作為速度控制器的給定信號，再經(jīng)功率放大，便使電機和機床工作臺向消除偏差的方向運動。由于數(shù)字光柵的精度可以做得很高，從而能保證這種系統(tǒng)獲得很高的控制精度。

廣師?數(shù)字式編碼控制隨動系統(tǒng)

數(shù)字式編碼控制隨動系統(tǒng)的原理圖如圖5-5所示。在這種系統(tǒng)中，給定往往是二進制數(shù)字碼信號。檢測元件一般是光電編碼盤或其它數(shù)字反饋發(fā)送器借助于轉(zhuǎn)換電路得到二進制碼信號，二者聯(lián)合構(gòu)成“角度——數(shù)碼”轉(zhuǎn)換器或“線位移——數(shù)碼”轉(zhuǎn)換器。它的輸出信號與數(shù)碼信號同時送入計算機進行比較并確定誤差，按一定控制規(guī)律運算后（如PID運算），構(gòu)成數(shù)字形式的校正信號，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)變成電壓信號，作為速度控制器的給定。

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§4-2位置信號的檢測 位置隨機系統(tǒng)的區(qū)別首先在于信號的檢測。由于位置隨機系統(tǒng)要控制的量多數(shù)是直線位移或上移，組成位置環(huán)時必須通過檢測裝置將它們轉(zhuǎn)換成一定形式的電量，這就需要位移檢測裝置。位置隨動系統(tǒng)中常用的位移檢測裝置有自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電編碼盤等。

一、自整角機（BS） 自整角機是角位移傳感器，在隨動系統(tǒng)中總是成對應(yīng)用的，與指令軸相聯(lián)的自整角機稱為發(fā)送機，與執(zhí)行軸聯(lián)的稱作接收機。廣師?單相自整角機的結(jié)構(gòu)和工作原理

它具有一個單相勵磁繞組及一個三相整步繞組，單相勵磁繞組安置在轉(zhuǎn)子上，通過兩個滑環(huán)引入交流勵磁電流，勵磁磁極通常做成隱極式（圖中為了表示方便畫成磁極），這樣可使輸入阻抗不隨轉(zhuǎn)子位置而變化。整步繞組是三相繞組，一般為分布繞組，安置在定子上，它們彼此在空間相隔120o，并接成丫形。

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控制式自整角機是作為轉(zhuǎn)角電壓變換器用的。使用時，將兩臺自整角機的定子繞組出線端用三根導線聯(lián)接起來，發(fā)送機BST轉(zhuǎn)子繞組接單相交流勵磁電源，而接收機BSR轉(zhuǎn)子繞組輸出是反映角位移的信號電壓。

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旋轉(zhuǎn)變壓器實際上是一種特制的兩相旋電機，它有定子和轉(zhuǎn)子兩部分，在定子和轉(zhuǎn)子上各有兩套在空間上完全正交的繞組。當旋轉(zhuǎn)時，定、轉(zhuǎn)子繞組間的相對位置之變化，使輸出電壓與轉(zhuǎn)子角呈一定的函數(shù)關(guān)系。在不同的自動控制系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)變壓器有多種類型和用途，在隨動系統(tǒng)中主要用作角度傳感器。

二、旋轉(zhuǎn)變壓器（BR）廣師?

圖5-9是一個旋轉(zhuǎn)變壓器的原理圖，兩個定子繞組S1和S2分別由兩個幅值相等、相位差90o的正弦交流電壓u1、u2、勵磁，即為了保證旋轉(zhuǎn)變壓器的測角精度，要求兩相勵磁電流嚴格平衡，即大小相等，相位差90o，因而在氣隙中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為

式中:m——轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組的有效匝數(shù)比，忽略阻抗壓降。轉(zhuǎn)子繞組R2可以不用。

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從式

可以看出，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓的幅值不隨轉(zhuǎn)角變化，而其相位卻與相等，因此可以把它看作是一個角度——相位變換器。把這個調(diào)相電壓作為反饋信號，可以構(gòu)成相位控制隨動系統(tǒng)。

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如果要檢測給定軸和執(zhí)行軸的角差，可以和自整角機一樣，采用一對旋轉(zhuǎn)變壓器，與給定軸相聯(lián)的是旋轉(zhuǎn)變壓發(fā)送器BRT，與執(zhí)行軸相聯(lián)的是旋轉(zhuǎn)變壓接收器BRR。接線方法如圖5-10所示。

廣師?三、感應(yīng)同步器（BIS）

感應(yīng)同步器的工作原理與旋轉(zhuǎn)變壓器一樣。它具有兩種形式，一種用來測角位移，叫圓形同步器，另一種來測直線位移，稱為直線式感應(yīng)同步器。廣師?

直線感應(yīng)同步器由兩個感應(yīng)耦合元件組成。一次側(cè)稱為滑尺，二次側(cè)稱為定尺，定尺和滑尺相當于旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子。不同的是它們是面對面地平行安裝，在通常情況下，定尺安裝在機床床身或其它固定部件上，滑尺則安裝在機床的工作臺或其它運動部件上，它們之間只有很小的空氣隙（0.250.05m），可作相對移動。

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定尺上用印刷電路的方法刻著一套繞組，相當于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組?；呱鲜强逃袃商桌@組，一套叫