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1、第一章位置随动系统的概述1.1 位置随动系统的概念位置随动系统也称伺服系统，是输出量对于给定输入量的跟踪系统，它实现的是执行机构对于位置指令的精确跟踪。位置随动系统的被控员（输册量）是负载机械空间位置的线位移和角位移，当位置给定量（输入量）作随意变更时，该系统的主要任务是使输出量快速而精确地更现给定量的变更，所以位置随动系统必定是一个反馈限制系统。位置随动系统是应用特别广泛的一类工程限制系统，它属于臼动限制系统中的一类反饿闭环限制系统。随着科学技术的发展，在实际中位置,随动系统的应用领域特别广泛.例如，数控机床的定位限制和加工轨迹限制，船舱的自动操纵，火炮方位的自动跟踪，宇航设备的自动驾驶，机
2、淞人的动作限制等等.随着机电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不行缺少的设备，是电力拖动自动限制系统的一个重要分支。1.2 位置随动系统的特点及品质指标位置随动系统与拖动限制系统相比都是闭环反馈限制系统，即通过对输出量和给定员:的比较，组成闭环限制，这两个系统的限制原理是相同的。对于拖动调速系统而言，给定量是恒值，要求系统维持输出量恒定，所以抗扰动性能成为主要技术指标。对于随动系统而言，给定量即位置指令是常常变更的，是一个随机变量，要求输出量精神跟随给定量的变更，因而跟随性能指标即系统输出响应的快速性、灵敏性与精确性成为它的主要性能指标。位置随动系统须要实现位置反
3、饿，所以系统结构上必定要有位置环。位巴环是随动系统dt要的组成部分，位置随动系统的基本特征体现在位巴环上。依据给定信号与位理检测反馈信号综合比较的不同原理，位置随动系统分为模拟与数字式两类.总结后可得位置随动系统的主要特征如下：I.位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而精确地笑现给定位移.2 .必需具备肯定精度的位置传感器，能精确地给出反映位移误差的电信号。3 .电*和功率放大静以及拖动系统都必需是可逆的，4 .限制系统应能满意稳态精度和动态快速响应的要求，其中快速响应中，更强调快速跟陵性能。1.3位置随动系统的基本组成1.3.1 电位器式位置随动系统的组成下面通过一个简洁的例子说明位置随动
4、系统的基本组成，其原理图如图1/所示。这是个电位器式的小功率位置随动系统，有以下五个部分组成：掾纵轮图1.1.电位器式位置随动系统爆理图1 .位置传感器由电位器KR和出1组成位置传感罂。投/：是给定位置传感罂.其转轴与操纵轮连接，发出转角给定信号”:：是反馈位置传感器.其转轴通过传动机构与负载的转轴相连,得到转角反馈信号内。两个电位器由同个直流电源q供电,使电位罂输出电压u和U,干脆将位宜信号转换成电用房,误差电压AU=tr-U反映了给定与反馈的转角误差AO=8；-/，通过放大落等环节拖动负载，最终歼灭误差。2 .电压比较放大器（八）两个电位器输出的电压信号0和U在放大器A中进行比较与放大，发
5、出限制信号U，。由于AU是可正可负的，放大器必需具有鉴别电压极性的实力。输出的限制电压U,也是可逆的。3 .电力电子变换器（UPE）它主要起功率放大的作用（同时也放大了电压），而且必需是可逆的.在小功率直流阻动系统中多用P-MOSFET或IGBT桥式PWM变换器。对下大功率位理随动系统，会用到可逆的脉宽调制式PWM变换器.4 .伺服电机（SM）在小功率直流随动系统中多用永戚式直流伺服电机，在不同状况下也可采纳其它直流或沟通伺服电机。大功率随动系统中也可采纳永陂式直流伺服电机，由伺服电机和电力电子变换器构成可逆拖动系统是位置随动系统的执行机构。5 .减速器与负载在股状况下负载的转速是很低的,在电
6、机与负数之间必需设有传动比为i的减速器。在现代机涔人、汽车电子机械等大功率设备中，为削减机械装置,倾向丁采纳低速电机干脆传动，可以取消减速器。以上五个部分是各种位宜随动系统都有的，在不同状况下，由丁具体条件和性能要求的不同，所采纳的具体元件、装理和限制方案可能有较大的差异。位置传感器的分类和简洁介绍精确而牢苑地发出位置给定信号并检测被控对象的位置是位置随动系统工作良好的基本特征。位置传感器将具体的直线或角位移转换成模拟的或数字的电量，再通过信号处理电路或算法，形成与限制黯输入量相匹配的位置误差信号。位置传感蹲的分类许多，常用的有以卜.几种：1 .电位器电位器是最简洁的位移一电压传感器，可以干脆
7、给出电压信号，价格便宜、运用便利，但滑臂与电阻间有滑动接触，简洁磨损或接触不良，牢靠性较差。2 .基于电磁感应原理的位置传感器属丁这一类的位置传感器有自整角机、旋转变压器、感应同步器等，是应用比较广泛的模拟式位置传感器，牢靠性和精度都较好03 .光电编码器光电编码罂由光源、光栅码盘和光敏元件三部分组成，干脆输出数字式电脉冲信号，是现代数字式随动系统主要采纳的位置传感器。码盘般为圆形，由电动机带动旋转，也有用直线形的，由电动机构传动。依据输出脉冲与对应位置关系的不同，光电编码涔有增量式和用定值式两种，也有将两者结合为一体的混合式编码器。I)增量式编码器。脉冲数值干脆与位移的增量成正比时称作增量式
8、编码器，常用的圆形增量式码就每转发出N=5-5()OO个脉冲，高精度码就可达数万个脉冲。通过信号处理电路和可逆计数器可以输出位置蝌量信号，再经过测速驿法，可以给出转速信号：2)肯定值式编码器。肯定值式编码器码盘的图案由若干个同心忸环组成，称作码道。码道的道数与二进制的位数相同，有固定的零点，每个位置对应者距零点不同位度的肯定值.肯定值式码盘一周的总计数为N=2,其中n为码盘的位数，一般=420,粗精结合的码盘可达”=20“肯定值式编码罂的码盘乂分为二进制码盘和循环码码盘两种。这里就不做介绍。4 .磁性编码器和光电编码器样，磁性编码器也是由位移量变换成数字式电脉冲信号的传感器，近年来发展相当快速
9、.已有腺敏电阻式、励磁磁环式、霍耳元件式等多种类型。与光电编码器相比，磁性编码器的突出优点是：适应环境实力强，不怕灰尘、油污和水露，结构简洁，坚实耐用，响应速度快，寿命长：不足之处是制成高辨别率有肯定困难.磁性编码器也可以做成增量式或肯定值式，在数字随动系统中有很好的应用前景。1.4位置随动系统的分类随着科学技术的发展出现了各类随动系统由于位置随动系统的特征体现在位置匕体现在位置给定信号和位置反馈信号及两个信号综合比较方面，因此可依据这个特征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，一类是数字式随动系统。数字式随动系统又可分为数字相位随动系统和数字脉冲随动系统。由于本次设计探讨的是模拟随动系统
10、，数字随动系统就不做介绍。对于模拟随动系统可按闭环系统分为三类。1 .多环位置随动系统这里只具体介绍经典的位置、转速、电流:环限制系统转速，这类系统适用广泛。多环系统还包括只有位置环、电流环，没有转速环：或是只有位置环、转速环，没有电潦环，其实同三环系统大同小异，分析和设计方法相同.位置、特速、电流三环系统在电流环、转速环双闭环网速系统的基础上，外边再加个位置限制环，便形成个三环限制系统，如图1-2所示。三环的调整错分别称为位置调整器（ApR）、转速调整器（ASR）、电流调整版（ACR）.其中位置环属外环，是域主要的环，转速环即是位置环的内环，又是电流环的外环，电流环是系统内环。在设计调整器时
11、，转速调盛器和电流调整器可按原双闭环系统的设计和整定方法来解决。其中位置调整器APR就是位置环校正装置，它的类型和参数确定了位置随动系统的系统误差和动态跟随性能，其输出限幅值确定了电机的最高转速。位置、转速、电流三个闭环都画成单位反馈，反馈系数都已计入各调整器的比例系数中去。和双闭环限制系统一样，多环限制系统调整器的设计方法也是从内环到外环，逐个设计各环节的调整器“按此规律，对于如图1-2所示的三环位置随动系统，应首先设计电流调整器ACR,然后将电流环简化成转速环中的一个环节，和其它环节起构成转速调整器ASR的限制对象，再设计ASR.最终,再把整个转速环简化为位置环中的个环节，从而设计位置调整
12、版APR.逐环设计可以使每个限制环都是稳定的，从而保证整个限制系统的稳定性。当电流环和转速环内的对象参数变更或扰动时，电流反馈和转速反馈都能够起到刚好的抑制作用，使之对位置环的工作影响很小。同时每个环节都有自己的限制对象，分工明确，易于调整”但这样的逐环设计的多环限制系统也有明显的不足，即对外环的限制作用的响应不会很快0这是因为设计每个环节时，都要将内环等效成其中的一个环节.而这种等效环节传递函数之所以能够成立，是以外环的技止频率远远低丁内环为前提的。在般模拟限制的随动系统中，电流环的截图1-2付置、游速、电流三环位置随动系统的原理图BQ光电位置优物器DSP-数字转速信号形成环节止频率约e,=
13、I(X)-150Zfc,转速环的截止筑率叫II约在20304z之间，最高不超过50】，照此推克，位置环的截止频率只有叫.=I0二左右。位置环的截止频率被限制的太低，会影响系统的快速性，因为这类:环限制的位置随动系统只适用于对快速跟随性能要求不高的场合，例如点位限制的机床随动系统，在近代数字限制的随动系统中，限制对象的快速响应性能已经大大提高，各限制坏的采样周期也可以大大缩短，其转速环的截止频率达叫“=100200%，因而位置环的被止频率也可以提高，在要求高动态性能的数控机床轨迹限制和机沿人限制中都取得了很好的应用效果。在位置、转速、电流三环系统中，位置谢整蹲的输出是转速调整器的输入,速度谢整涔
14、是电流调整涔的输入，电流谢整港的输出干脆限制功率变换单元，也就是脉宽谢制系统。这三个环的反馈信号都是负反馈，三个环都是反相放大器。三环相制约，使限制达到极其完备的地步。其次章三环随动系统的数学模型的建立和参数计算2,1三环随动系统的基本组成及其数学模型的建立2.1.1三环随动系统的基本组成系统可分为以下八个部分：1 .位置环我们只分析它的数学模型，不会把它作具体介绍,可以近似为一阶惯性环节.传递函数为Ki叼=1.r（S+1（2-1）2 .位置传感器模拟随动系统的位置传感器如前所述，大体可以分为两种，电位冷和基于电磁感应原理的位置传感涔。基于电磁感应原理的位置传感器有自整角机、旋转变压器、感应同
15、步潺等，是应用比较广泛的模拟式位置传感曙，牢性和精度都比较高。本次设计采纳的位置传感器是自整角机。自整角机是角位移传感器，在随动系统中总是成对应用的。与指令轴相联的自整角机称为发送机，与执行轴相联的称作接收机。按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和限制式自整角机两类。力矩式自整角机可以不经中间放大环节，干脆传递转角信息，一般用于微功率同步旋转系统.时功率较大的负载，力矩式自整角机带动不r,可采纳限制式自整角机，将自整角接收机接成变压器状态，其输出电压通过中间放大环节带动负我，组成自整角机随动系统。下面简洁分析本次设计运用的限制式自整角机的工作原理和运用。先看单相自整角机的结构和工作原理。它
16、具有一个单相励磁绕组和个三相整步绕组，单相励磁绕组安置在转子上，通过两个滑环引入沟通励磁电流,励磁磁极通常做成隐极式。这样可使输入阻抗不输转子位置而变更。整步绕组是三相绕组，一股为分布绕组，安置在定子上，它们被此在空间相隔120”,并接成丫形。BST为自整角发送机，BSR为自整角接收机。本次模型中采纳的自整危机的放大系数KnJ=1.25V/O。自整角机本身的检测误差G=O.5。传递函数为式（42）,是简洁的线性函数在数学模型将不会出现，但在计算稳态误差时聘会用到自整角机的参数。自整角机还包括相敏整流器URP,可以把它当作自整角机的一部分，相当于一个电压放大器，并反映A0n,的极性，放大系数K=2,当然它在数学模型中也不会出现.3 .电压比较放大器（八）这是位置随动系统所必需有的装置。它的
