电子教案《交直流传动控制系统》(第3版_钱平)ppt c4
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第3章电力牵引交流传动与控制ppt课件
定子铁心及冲片示意图
（a）铜排转子
（b）铸铝转子
笼形式转子绕组
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篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
定子三相绕组由三个彼 此独立的绕组组成，且每个 绕组又由若干线圈连接而成。 每个绕组即为一相，每相绕 组在空间相差120°电角度。 线圈由绝缘铜导线或绝缘铝 导线绕制。中、小型三相电 动机多采用圆漆包线，大、 中型三相电动机的定子线圈 则用较大截面的绝缘扁铜线 或扁铝线绕制后，再按一定 规律嵌入定子铁心槽内。定 子三相绕组的六个出线端都 引至接线盒上，一般首端分 别标为U1, V1, W1 ，末端分 别标为U2, V2, W2 。这六个 出线端在接线盒里的排列如 图所示。三相绕组可接成星 形或三角形。
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篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
三相笼型异步电动机结构图
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篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
功率场效应管（Power MOSFET） (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 压控器件，输入阻抗高，开关速度高，损耗小 目前水平：200A/1000V
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篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
日本 1975 直流 80%，交流 20% 1985 直流 20%，交流 80%
电子教案《交直流传动控制系统》(第3版_钱平)ppt c1
1.2.1 交流异步电动机发展趋势
全封闭低压笼型三相大功率异步电动机作为动 力机械，在大型工业装备场合存在巨大市场需 求，特别是随着我国大力发展电力建设以及高 效变频调速系统的推广应用，使低压大功率电 动机拥有较大市场需求。
1.2.2 永磁同步电动机发展趋势
由于稀土永磁电动机不需要励磁绕组，结构比 较简单，磁场部分没有发热源，不需要冷却装 置，材料的矫顽力高，气隙长度可以取较大值， 从而使大幅度提高转速成为可能。目前已制造 出每分钟二三万转的电动机，而每分钟几十万 转的电动机也正在研制中。
晶闸管元件的出现使交流电动机调速的发展出
现了一个飞跃，使得采用半导体变流技术的交 流调速得以实现。由于交流电动机调速系统的 控制比较复杂和调速性能差、装置价格高、效 率低、使交流调速先前未能大规模推广。
微处理机出现后，国外在绕线型异步电动机串级
调速、无换向器电动机调速、笼型异步电动机的 矢量控制以及PWM技术方面，获得重大突破， 进入工业应用阶段。目前交流电动机调速系统已 具备了较宽的调速范围、较高的稳态精度、较快 的动态响应、较高的工作效率以及可以四象限运 行等优异性能，其静、动态特性均可以与直流电 动机调速系统相媲美。
1.4.7 一体化和集成化
电动机、反馈、控制、驱动、通信的纵向一体 化已成为当前小功率伺服系统的发展方向。这 种集成了驱动和通信的电动机称智能化电动机 ( Smart Motor) ,集成了运动控制和通信的驱动 器称智能化伺服驱动器。电动机、驱动和控制 的集成，使三者从设计、制造，到运行、维护 更紧密地融为一体。
在高温、高真空度或狭小空间等特殊场合，如
宇航设备、宇宙空间的机械手、原子能设备的 检查机器人等，传统电动机很难满足要求，需 用高温电动机或高真空电动机，而稀土永磁电 动机(钐钴永磁)可耐高温，且体积小，故能满足 这些特殊要求。
程宪平机电传动与控制(第三版)课件
步进电机的工作原理和控制方式
要点一
步进电机工作原理
要点二
控制方式
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机 电元件，通过按一定顺序给定子各相绕组输入脉冲信号， 实现转子转动。
通过改变输入脉冲的频率、数量和相序，可以控制步进电 机的转速、方向和位置。
伺服电机的工作原理和控制方式
伺服电机工作原理
启动控制
直流电机的启动控制包括直接启动和降 压启动两种方式，直接启动适用于小容 量电机，降压启动适用于大容量电机， 通过降低启动电流来保护电机。
VS
制动控制
直流电机的制动控制包括能耗制动、反接 制动和回馈制动三种方式，能耗制动通过 在电枢两端反接制动电阻实现，反接制动 通过在电枢两端反接电源实现，回馈制动 则是通过能量回馈实现。
电气传动的发展
随着电力技术的出现，直流电机、交流电机等电气 传动系统逐渐取代了机械传动。
控制理论的引入
随着控制理论的发展，现代的机电传动与控制系统 逐渐形成，并广泛应用于各个领域。
机电传动与控制的重要性和应用领域
80%
工业自动化
机电传动与控制是实现工业自动 化的关键技术之一，能够提高生 产效率和产品质量。
100%
智能制造
在智能制造领域，机电传动与控 制技术能够实现自动化生产线和 智能设备的控制。
80%
新能源领域
在新能源领域，如风能、太阳能 等，机电传动与控制技术能够实 现高效、可靠的能源转换和利用 。
课程的主要内容和学习方法
主要内容
机电传动与控制系统的基本原理、电机及其驱动、控制系统设计 、实践环节等。
程宪平《机电传动与控制（第 三版》课件
目
CONTENCT
电子教案《交直流传动控制系统》第版钱平biao
交直流电机的拖动特 性和控制方式
对于每种类型的交直流电机，其拖动 特性和控制方式有所不同。具体来说 ，直流电机的转速可以通过改变电枢 电压、电枢电流、励磁电流等方式调 节，而交流电机则受到电源频率、极 数、转差率等因素的影响
交直流电机及拖动系 统的应用场合
交直流电机及拖动系统的应用场合也 有所不同。直流电机主要应用于调速 精度高、稳定性好、响应快速的场合 ，如电力机车、地铁等牵引领域以及 钢铁、有色金属等重工业领域。而交 流电机则更多地应用于大功率、低速 运转的场合，如轧钢机、电力机车等
特性包括调速范围、稳定性、启动和制动性能等。
03
交流电机的控制系统
交流电机的控制系统包括电动机、控制器和反馈装置等，可以通过变
压变频、矢量控制、直接转矩控制等算法来实现控制。
本章小结
交直流电机及拖动系 统的种类和结构特点
本章介绍了直流电机和交流电机的种 类和结构特点，包括他励、并励、串 励和复励等直流电机的分类方式，以 及异步电机和同步电机的交流电机分 类方式。
03
设计电力拖动控制系统时，需要明确设计任务和要求，选择合适的电动机类型 和容量，选择合适的控制器类型和参数，确定系统的组成和原理，并进行系统 性能测试和分析，以完善系统设计方案。
THANKS
本章小结
01
电力拖动控制系统是一种应用广泛的控制系统，其基本组成包括电动机、控制 器、检测装置、被控制对象和制动器等。
02
电力拖动控制系统按电源类型可分为直流电力拖动控制系统和交流电力拖动控 制系统两类，按转速调节方式可分为调速、调频、调压和调功等类型，按电动 机类型可分为电动机型、发电机型和电动机-发电机型等类型。
04
第4章 控制电机及其驱动控制系统
电力拖动自动控制系统第三版课件第三章
，要求D=20，s≤5%。开环调速系统能否满
足要求？
解：已知系统当电流连续时
Ce UN Ra IdN nN 0.199 0.2V min/ r
nN
INR Ce
305 0.18 0.2
274.5r
/
min
开环系统机械特性连续段在额定转速时的静
差率为
sN
nN nN nN
274.5 100% 21.54% 1000 274.5
2021年2月26日9时45分
1)由式(3-16)得出满足要求的稳态速降
ncl
nN s Dcl (1
s)
1750 0.05 10 (1 0.05)
r
/
min
9.2r
/
min
2)根据要求的静态速降，确定系统的开环放大倍数K。
因为 所以
ncl
IdN R Ce (1 K )
K IdN R 1 Ce ncl
nmin n0min nN （3-5）
2021年2月26日9时45分
考虑到式（3-4），式（3-5）可以写成
nmin
nN s
nN
nN (1 s
s)
（3-6）
调速范围则为
D nmax nN nmin nmin
（3-7）
将式（3-6）带入式（3-7），得
D nN s nN (1 s)
式中 nN 为额定转速。
其中，
Ce
UdN IdN R nN
220 226 0.1 V min 1750
r
0.11V min
r
所以
K 226 0.1 1 22.3 0.11 9.2
2021年2月26日9时45分
电子教案《交直流传动控制系统》(第4版_钱平)课件c4
Ubr =kUf cosΔθ
式中，k为旋转变压接收器与发送器间的变化。 安装时，若预先把接收器转子转动90o，则输出 电压幅值可改写为：
Ubr = kUf cos(Δθ-90o) = kUf sinΔθ
(4.2.3)
这样，Ubr可以反映转角差的极性和自整角机的 输出电压具有相似的关系式。
旋转变压器的精度主要由函数误差和零位误差
图4.2.4旋转变压器的原理图。两个定子绕组 S1和S2分别由两个幅值相等、相位差90O的正 弦交流电压u1 、u2励磁，即
u1(t)=Umsinω0t u2(t)=Umcosω0t
为了保证旋转变压器的测角精度，要求两相励磁
电流严格平衡，即大小相等，相位差90o，在气 隙中产生圆形旋转磁场。转子绕组R1中产生的 感应电压为：
第4章 位置随动系统
4.1 概述
位置随动系统就是实现执行机构对位置指令（给定 量）的准确跟踪，例如机械加工方面的仿型机床的 加工轨迹控制；轧钢厂的轧钢机压下装置的定位控 制和飞剪的定尺剪切；雷达天线的跟踪控制以及舰 艇稳定平台控制等等。位置随动系统的被控量（输 出量）一般与位置指令一样，都是空间位移，可以 是角位移，也可以是直线位移。所以位置随动系统 必定是一个位置反馈控制系统。
控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。 使用时，将两台自整角机的定子绕组出线端用 三根导线连接起来，发送机BST转子绕组接单 相交流励磁电源，而接收机转子绕组输出时反 映角位移的信号，如图4.2.2所示。该发送机的 单相交流励磁电压Uf的表达式为：
u f (t) U fm sin t
在定子三个绕组中产生感应电动势为：
由于Ubs不能反映Δθ的极性，故在以发送机定子绕组A1 相轴线作为发送机的零位时，将接收机转子绕组预先转过 90o，并以与定子A2相绕组轴线垂直的位置改做接收机的 零位，如图4.2.3所示。 θ1=0为发送机零位，θ2‘=0为 接收机零位，则接收机原来的θ2=θ2‘+90o，将其代入式 （4.2.1） 则Ubs = Ubsmsin(ωt-ψ+90o)cos(θ1-θ2'-90o)
式中，k为旋转变压接收器与发送器间的变化。 安装时，若预先把接收器转子转动90o，则输出 电压幅值可改写为：
Ubr = kUf cos(Δθ-90o) = kUf sinΔθ
(4.2.3)
这样，Ubr可以反映转角差的极性和自整角机的 输出电压具有相似的关系式。
旋转变压器的精度主要由函数误差和零位误差
图4.2.4旋转变压器的原理图。两个定子绕组 S1和S2分别由两个幅值相等、相位差90O的正 弦交流电压u1 、u2励磁，即
u1(t)=Umsinω0t u2(t)=Umcosω0t
为了保证旋转变压器的测角精度，要求两相励磁
电流严格平衡，即大小相等，相位差90o，在气 隙中产生圆形旋转磁场。转子绕组R1中产生的 感应电压为：
第4章 位置随动系统
4.1 概述
位置随动系统就是实现执行机构对位置指令（给定 量）的准确跟踪，例如机械加工方面的仿型机床的 加工轨迹控制；轧钢厂的轧钢机压下装置的定位控 制和飞剪的定尺剪切；雷达天线的跟踪控制以及舰 艇稳定平台控制等等。位置随动系统的被控量（输 出量）一般与位置指令一样，都是空间位移，可以 是角位移，也可以是直线位移。所以位置随动系统 必定是一个位置反馈控制系统。
控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。 使用时，将两台自整角机的定子绕组出线端用 三根导线连接起来，发送机BST转子绕组接单 相交流励磁电源，而接收机转子绕组输出时反 映角位移的信号，如图4.2.2所示。该发送机的 单相交流励磁电压Uf的表达式为：
u f (t) U fm sin t
在定子三个绕组中产生感应电动势为：
由于Ubs不能反映Δθ的极性，故在以发送机定子绕组A1 相轴线作为发送机的零位时，将接收机转子绕组预先转过 90o，并以与定子A2相绕组轴线垂直的位置改做接收机的 零位，如图4.2.3所示。 θ1=0为发送机零位，θ2‘=0为 接收机零位，则接收机原来的θ2=θ2‘+90o，将其代入式 （4.2.1） 则Ubs = Ubsmsin(ωt-ψ+90o)cos(θ1-θ2'-90o)
《交直流传动控制系统》(第3版) c8.6
风光互补发电系统由风机、风机整流器、光伏阵 列、联机控制器、并网逆变器、并网控制器等部分组 成，结构框图如图所示。
图8.6.1 风光互补发电系统框图
8.6.2 风光互补并网发电对逆变器的要求
较高的转换效率 输出电流与电网严格同步 较高的可靠性 通过孤岛效应检测
风光互补并网发电系统正朝着小型化、集 成化、智能化、数字化方向发展。
PWMx (高有效)
定时器 （PWM）
周期1
死
死
区
区
பைடு நூலகம்
定时器
（PWM） 周期2
事件管理模块(EVA)的4路PWM驱动信号驱动4个开关管，具体分配 情况见表。
PWM信号
PWM1
EVA
PWM2 PWM3
PWM4
驱动对象 S1 S2 S3 S4
3. 辅助电路设计
（1）电源设计 TMS320F2812数字信号处理芯片采用低功耗的电压
设计，工作时所要求的数字电源分为两部分：的内核电 压和的Flash电压，I/O电压和内核电压是分开供电的， TMS320F2812对电源要求很敏感，所以一般选择电压精 度较高的电源芯片TPS75733和TPS767D301等， TPS767D301一般采用外部输入电压为+5V，芯片正常 工作之后能够产生和两种电压供给CPU。
1. 程序流程图
开始 禁止总中断
系统初始化
检测离网/并网模式
相应模式初始化处理
开中断，开计数器
开始
参数设置
否
用户开机？
是
检测模式功能引脚
离网模式/并网模式
离网模式
并网模式
离网模块程序
并网模块程序
切换为并网程序？
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永磁式直流伺服电动机SM作为带动负载运动的 执行机构, 系统中雷达天线即为负载，电动机与 负载之间通过减速器来匹配。
以上四部分是位置随动系统的基本组成中不可
缺少的，只是在所采用的具体元件装置上有所 不同而已，例如可以采用不同的位置检测器、 直流或交流伺服电动机等。
由图4.1.1可见，当转角给定 *m 和反馈 m 相等时，偏差
= Ubsmsin(ωt-ψ+90o)sin(θ1-θ2')
也可写成
Ubs =UbsmsinΔθsin (ωt-ψ+90o) 式中 Δθ--失调角，Δθ=θ1-θ2'。 这样，当失调角为零时，输出电压也为0，正好符合实际 需要。同时可以看出，输出电压Ubs的幅值与发送机或 接收机本身的绝对位置无关，只与其相对的失调角Δθ 的正弦成正比。 自整角机分为1、2、3三种精度等级，其最大误差在 0.25o～0.75o之间。
直线式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的平行安装。在通常情况 下，定尺安装在机床床身或其他固定部件上；滑尺则安装在 机床的工作台或其他运动部件上，它们之间只有很小的气隙 （0.25±0.05mm），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。滑尺上则 刻着两套绕组，一套叫正弦绕组，另一套叫余弦绕组。当其 中一个绕组与定子绕组对正时，另一个绕组就相差1/4节距， 即相差90o电角度，说明这两个绕组在平面上时正交的，如 图4.2.6所示。
则接收机转子绕组轴线上的合成磁动势为：
F2
F2u '
F2v '
'
F1200 1 ) cos(1200 2 )
cos(1200 1 ) cos(1200 2 )]
1.5F sin(t ) cos(1 2 )
接收机转子绕组中感应的电压 ubs 为 ubs U bsm sin(t 90 0 ) cos(1 2 ) (4.2.1) 式中， U bsm 为输出电压最大值。
4.2.3 感应同步器(BIS)
感应同步器是一种感应式角度或位移检测元件， 分为旋转式（圆盘式）和直线式两种。旋转式 感应同步器由定子和转子组成，直线式感应同 步器由定尺和滑尺组成。前者用于角度测量， 后者用于长度测量，其工作原理与旋转变压器 相似，实际上是一种无铁芯的具有印刷绕组的 平面型多极旋转变压器。下面仅对使用较多的 直线式感应同步器作一介绍。
来衡量。函数误差表示输出电压波形和正弦曲 线间的最大差值与电压幅值kUf 之比，旋转变 压器的精度等级为0、1、2、3级，函数误差 通常在±0.05%-0.34%之间；零位误差表示理
论上的零位与实际电压最小值位置之差，通常 在3‘-8'之间。由以上数据可见，旋转变压器的
精度高于自整角机。因此，在高精度位置随动 系统中常用它作为测角元件。
把这个调相电压作为反馈信号，可以构成相位 控制随动系统。
如果要检测给定轴和执行轴的转角差，可以和
自整角机一样，采用一对旋转变压器，与给定 轴相连的是旋转变压发送器BRT，与执行轴相 连的是旋转变压接收器BRR。接线方法如图 4.2.5所示。
在发送器任一转子绕组（如R2t）上施加交流励磁电 压uf，另一个绕组短接或接到一定的电阻上起补偿作 用。励磁磁通Φf沿发送器定子绕组S1t和S2t方向的分 量Φf1和Φf2在绕组中感应电动势，产生电流，流入接 收机定子绕组S1r和 S2r。这两个电流又在接收器中产 生相应的磁通Φr1和Φr2 ，其合成磁通为Φr 。如果两 个旋转变压器转子位置一致，则磁通Φr与接收器转子 绕组R2r 平行，在R2r中感应的电动势最大，输出电压 ubr也将最大。当R2r与Φr方向存在转角差Δθ时，输出 电压与cosΔθ成正比，此时输出为调幅波，电压幅值 为：
4.2.2 旋转变压器（BR）
旋转变压器是一种特制的两相旋转电动机，由 定子和转子两部分组成。在定子和转子上各有 两套在空间正交的绕组。当转子旋转时，定、 转子绕组间的相对位置随之变化，使输出电压 与转子转角呈一定的函数关系。在不同的自动 控制系统中，旋转变压器有多种类型和用途， 在随动系统中主要用作角度传感器。
4.2.1自整角机（BS）
自整角机是角位移传感器，在系统中是成对使用的。与 指令轴相联的称发送机，与执行轴相联的称接收机。 按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式 自整角机两类。 力矩式自整角机可不经中间放大环节，直接传递转角信 息，使相距甚远而又无机械联系的两轴能同步旋转。力 矩式自整角机的负载一般为仪表指针，属于微功率同步 旋转系统。 对功率较大的负载，力矩式自整角机带动不了，可采用 控制式自整角机，其输出电压通过中间放大环节带动负 载，组成自整角机随动系统。
图4.2.4旋转变压器的原理图。两个定子绕组 S1和S2分别由两个幅值相等、相位差90O的正 弦交流电压u1 、u2励磁，即
u1(t)=Umsinω0t u2(t)=Umcosω0t
为了保证旋转变压器的测角精度，要求两相励磁
电流严格平衡，即大小相等，相位差90o，在气 隙中产生圆形旋转磁场。转子绕组R1中产生的 感应电压为：
控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。 使用时，将两台自整角机的定子绕组出线端用 三根导线连接起来，发送机BST转子绕组接单 相交流励磁电源，而接收机转子绕组输出时反 映角位移的信号，如图4.2.2所示。该发送机的 单相交流励磁电压Uf的表达式为：
u f (t) U fm sin t
在定子三个绕组中产生感应电动势为：
e1u kbsU fm sin t cos1
e1u kbsU fm sint cos(1200 1) e1u kbsU fm sint cos(1200 1) 式中，kbs比例系数，与匝数比等参量有关。
图4.2.2中的三个电流分别为：
iu
kbsU fm Z
sin(t ) cos1
iv
kbsU fm Z
另从图4.1.1可以看出，位置环是位置随动系统的主要 结构特征。因此，随动系统在结构上往往比传动系统复 杂一些。
4.2 位置信号检测装置
位置随动系统与传动系统的主要区别就在于信 号的检测。由于位置随动系统要控制的量多数 是直线位移或角位移，组成位置环时必须通过 检测装置将它们转换成一定形式的电量，这就 需要位移检测装置。位置随动系统中常用的位 移检测装置有自整角机、旋转变压器、感应同 步器、光电编码盘、磁尺等，下面分别予以介 绍。
（2）电压比较放大器
由放大器A1 、A2组成，其中放大器A1仅起倒 相作用，A2则起电压比较和放大作用，其输 出信号作为下一级功率放大器的控制信号，并 具备鉴别电压极性（正反相位）的能力。
（3）可逆功率放大器 功率放大由晶闸管或大功率晶体管组成整流 电路，由它输出一个足以驱动伺服SM的电 压。
（4）执行机构
第4章 位置随动系统
4.1 概述
位置随动系统就是实现执行机构对位置指令（给定 量）的准确跟踪，例如机械加工方面的仿型机床的 加工轨迹控制；轧钢厂的轧钢机压下装置的定位控 制和飞剪的定尺剪切；雷达天线的跟踪控制以及舰 艇稳定平台控制等等。位置随动系统的被控量（输 出量）一般与位置指令一样，都是空间位移，可以 是角位移，也可以是直线位移。所以位置随动系统 必定是一个位置反馈控制系统。
下面通过一个简单的例子来说明位置随动系统 的基本组成，其原理图如图4.1.1所示，这是 一个电位器式位置随动系统，用来实现对雷达 天线的跟踪控制。
系统组成：
（1）位置检测器
由电位器RP1和RP2组成，其中电位器RP1 的转动轴与手轮相连，作为转角给定；电位 器RP2的转动轴通过机械连杆机构与负载部 件（雷达天线）相连，作为转角反馈。两个 电位器由同一个直流电源Us供电。
由于Ubs不能反映Δθ的极性，故在以发送机定子绕组A1 相轴线作为发送机的零位时，将接收机转子绕组预先转过 90o，并以与定子A2相绕组轴线垂直的位置改做接收机的 零位，如图4.2.3所示。 θ1=0为发送机零位，θ2‘=0为 接收机零位，则接收机原来的θ2=θ2‘+90o，将其代入式 （4.2.1） 则Ubs = Ubsmsin(ωt-ψ+90o)cos(θ1-θ2'-90o)
如果
* m
减小，则系统运动方向将和上述情况相反。
可见，随动系统和传动系统一样，都是通过系统输出量 和给定量进行比较，组成闭环控制，因此两者的控制原 理是相同的。
传动系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何， 都希望输出量能够稳定，因此系统的抗干扰性能往往显 得十分重要。而位置随动系统中的位置指令是经常变化 的，是一个随机变量，要求输出量能准确跟踪给定量的 变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随 动系统的主要特征。即系统的跟踪性能成了主要指标。
Ubr =kUf cosΔθ
式中，k为旋转变压接收器与发送器间的变化。 安装时，若预先把接收器转子转动90o，则输出 电压幅值可改写为：
Ubr = kUf cos(Δθ-90o) = kUf sinΔθ
(4.2.3)
这样，Ubr可以反映转角差的极性和自整角机的 输出电压具有相似的关系式。
旋转变压器的精度主要由函数误差和零位误差
单相自整角机的结构和工作原理。
图4.2.1为单相自整角机的结构原理图。它具有 一个单相励磁绕组和一个三相整步绕组。单相 励磁绕组安装在转子上，通过两个滑环引入交 流励磁电流，励磁磁极通常做成隐极式（图中 为了表示方便画成磁极），可使输入阻抗不随 转子位置而变化。整步绕组是三相绕组，一般 为分布绕组，安装在定子上，它们在空间彼此 相隔120O，并接成Y形。
由式(4.2.1)可以看出：
①自整角机输出电压 ubs 是转角差的余弦函数，
当1 2 时，cos(1 2 ) 1，|Ubs|最大；
② ubs 为单相交流电压，在时间上比发送机转子 上的励磁电压 u f 领先(90 0 ) 。
以上四部分是位置随动系统的基本组成中不可
缺少的，只是在所采用的具体元件装置上有所 不同而已，例如可以采用不同的位置检测器、 直流或交流伺服电动机等。
由图4.1.1可见，当转角给定 *m 和反馈 m 相等时，偏差
= Ubsmsin(ωt-ψ+90o)sin(θ1-θ2')
也可写成
Ubs =UbsmsinΔθsin (ωt-ψ+90o) 式中 Δθ--失调角，Δθ=θ1-θ2'。 这样，当失调角为零时，输出电压也为0，正好符合实际 需要。同时可以看出，输出电压Ubs的幅值与发送机或 接收机本身的绝对位置无关，只与其相对的失调角Δθ 的正弦成正比。 自整角机分为1、2、3三种精度等级，其最大误差在 0.25o～0.75o之间。
直线式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的平行安装。在通常情况 下，定尺安装在机床床身或其他固定部件上；滑尺则安装在 机床的工作台或其他运动部件上，它们之间只有很小的气隙 （0.25±0.05mm），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。滑尺上则 刻着两套绕组，一套叫正弦绕组，另一套叫余弦绕组。当其 中一个绕组与定子绕组对正时，另一个绕组就相差1/4节距， 即相差90o电角度，说明这两个绕组在平面上时正交的，如 图4.2.6所示。
则接收机转子绕组轴线上的合成磁动势为：
F2
F2u '
F2v '
'
F1200 1 ) cos(1200 2 )
cos(1200 1 ) cos(1200 2 )]
1.5F sin(t ) cos(1 2 )
接收机转子绕组中感应的电压 ubs 为 ubs U bsm sin(t 90 0 ) cos(1 2 ) (4.2.1) 式中， U bsm 为输出电压最大值。
4.2.3 感应同步器(BIS)
感应同步器是一种感应式角度或位移检测元件， 分为旋转式（圆盘式）和直线式两种。旋转式 感应同步器由定子和转子组成，直线式感应同 步器由定尺和滑尺组成。前者用于角度测量， 后者用于长度测量，其工作原理与旋转变压器 相似，实际上是一种无铁芯的具有印刷绕组的 平面型多极旋转变压器。下面仅对使用较多的 直线式感应同步器作一介绍。
来衡量。函数误差表示输出电压波形和正弦曲 线间的最大差值与电压幅值kUf 之比，旋转变 压器的精度等级为0、1、2、3级，函数误差 通常在±0.05%-0.34%之间；零位误差表示理
论上的零位与实际电压最小值位置之差，通常 在3‘-8'之间。由以上数据可见，旋转变压器的
精度高于自整角机。因此，在高精度位置随动 系统中常用它作为测角元件。
把这个调相电压作为反馈信号，可以构成相位 控制随动系统。
如果要检测给定轴和执行轴的转角差，可以和
自整角机一样，采用一对旋转变压器，与给定 轴相连的是旋转变压发送器BRT，与执行轴相 连的是旋转变压接收器BRR。接线方法如图 4.2.5所示。
在发送器任一转子绕组（如R2t）上施加交流励磁电 压uf，另一个绕组短接或接到一定的电阻上起补偿作 用。励磁磁通Φf沿发送器定子绕组S1t和S2t方向的分 量Φf1和Φf2在绕组中感应电动势，产生电流，流入接 收机定子绕组S1r和 S2r。这两个电流又在接收器中产 生相应的磁通Φr1和Φr2 ，其合成磁通为Φr 。如果两 个旋转变压器转子位置一致，则磁通Φr与接收器转子 绕组R2r 平行，在R2r中感应的电动势最大，输出电压 ubr也将最大。当R2r与Φr方向存在转角差Δθ时，输出 电压与cosΔθ成正比，此时输出为调幅波，电压幅值 为：
4.2.2 旋转变压器（BR）
旋转变压器是一种特制的两相旋转电动机，由 定子和转子两部分组成。在定子和转子上各有 两套在空间正交的绕组。当转子旋转时，定、 转子绕组间的相对位置随之变化，使输出电压 与转子转角呈一定的函数关系。在不同的自动 控制系统中，旋转变压器有多种类型和用途， 在随动系统中主要用作角度传感器。
4.2.1自整角机（BS）
自整角机是角位移传感器，在系统中是成对使用的。与 指令轴相联的称发送机，与执行轴相联的称接收机。 按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式 自整角机两类。 力矩式自整角机可不经中间放大环节，直接传递转角信 息，使相距甚远而又无机械联系的两轴能同步旋转。力 矩式自整角机的负载一般为仪表指针，属于微功率同步 旋转系统。 对功率较大的负载，力矩式自整角机带动不了，可采用 控制式自整角机，其输出电压通过中间放大环节带动负 载，组成自整角机随动系统。
图4.2.4旋转变压器的原理图。两个定子绕组 S1和S2分别由两个幅值相等、相位差90O的正 弦交流电压u1 、u2励磁，即
u1(t)=Umsinω0t u2(t)=Umcosω0t
为了保证旋转变压器的测角精度，要求两相励磁
电流严格平衡，即大小相等，相位差90o，在气 隙中产生圆形旋转磁场。转子绕组R1中产生的 感应电压为：
控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。 使用时，将两台自整角机的定子绕组出线端用 三根导线连接起来，发送机BST转子绕组接单 相交流励磁电源，而接收机转子绕组输出时反 映角位移的信号，如图4.2.2所示。该发送机的 单相交流励磁电压Uf的表达式为：
u f (t) U fm sin t
在定子三个绕组中产生感应电动势为：
e1u kbsU fm sin t cos1
e1u kbsU fm sint cos(1200 1) e1u kbsU fm sint cos(1200 1) 式中，kbs比例系数，与匝数比等参量有关。
图4.2.2中的三个电流分别为：
iu
kbsU fm Z
sin(t ) cos1
iv
kbsU fm Z
另从图4.1.1可以看出，位置环是位置随动系统的主要 结构特征。因此，随动系统在结构上往往比传动系统复 杂一些。
4.2 位置信号检测装置
位置随动系统与传动系统的主要区别就在于信 号的检测。由于位置随动系统要控制的量多数 是直线位移或角位移，组成位置环时必须通过 检测装置将它们转换成一定形式的电量，这就 需要位移检测装置。位置随动系统中常用的位 移检测装置有自整角机、旋转变压器、感应同 步器、光电编码盘、磁尺等，下面分别予以介 绍。
（2）电压比较放大器
由放大器A1 、A2组成，其中放大器A1仅起倒 相作用，A2则起电压比较和放大作用，其输 出信号作为下一级功率放大器的控制信号，并 具备鉴别电压极性（正反相位）的能力。
（3）可逆功率放大器 功率放大由晶闸管或大功率晶体管组成整流 电路，由它输出一个足以驱动伺服SM的电 压。
（4）执行机构
第4章 位置随动系统
4.1 概述
位置随动系统就是实现执行机构对位置指令（给定 量）的准确跟踪，例如机械加工方面的仿型机床的 加工轨迹控制；轧钢厂的轧钢机压下装置的定位控 制和飞剪的定尺剪切；雷达天线的跟踪控制以及舰 艇稳定平台控制等等。位置随动系统的被控量（输 出量）一般与位置指令一样，都是空间位移，可以 是角位移，也可以是直线位移。所以位置随动系统 必定是一个位置反馈控制系统。
下面通过一个简单的例子来说明位置随动系统 的基本组成，其原理图如图4.1.1所示，这是 一个电位器式位置随动系统，用来实现对雷达 天线的跟踪控制。
系统组成：
（1）位置检测器
由电位器RP1和RP2组成，其中电位器RP1 的转动轴与手轮相连，作为转角给定；电位 器RP2的转动轴通过机械连杆机构与负载部 件（雷达天线）相连，作为转角反馈。两个 电位器由同一个直流电源Us供电。
由于Ubs不能反映Δθ的极性，故在以发送机定子绕组A1 相轴线作为发送机的零位时，将接收机转子绕组预先转过 90o，并以与定子A2相绕组轴线垂直的位置改做接收机的 零位，如图4.2.3所示。 θ1=0为发送机零位，θ2‘=0为 接收机零位，则接收机原来的θ2=θ2‘+90o，将其代入式 （4.2.1） 则Ubs = Ubsmsin(ωt-ψ+90o)cos(θ1-θ2'-90o)
如果
* m
减小，则系统运动方向将和上述情况相反。
可见，随动系统和传动系统一样，都是通过系统输出量 和给定量进行比较，组成闭环控制，因此两者的控制原 理是相同的。
传动系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何， 都希望输出量能够稳定，因此系统的抗干扰性能往往显 得十分重要。而位置随动系统中的位置指令是经常变化 的，是一个随机变量，要求输出量能准确跟踪给定量的 变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随 动系统的主要特征。即系统的跟踪性能成了主要指标。
Ubr =kUf cosΔθ
式中，k为旋转变压接收器与发送器间的变化。 安装时，若预先把接收器转子转动90o，则输出 电压幅值可改写为：
Ubr = kUf cos(Δθ-90o) = kUf sinΔθ
(4.2.3)
这样，Ubr可以反映转角差的极性和自整角机的 输出电压具有相似的关系式。
旋转变压器的精度主要由函数误差和零位误差
单相自整角机的结构和工作原理。
图4.2.1为单相自整角机的结构原理图。它具有 一个单相励磁绕组和一个三相整步绕组。单相 励磁绕组安装在转子上，通过两个滑环引入交 流励磁电流，励磁磁极通常做成隐极式（图中 为了表示方便画成磁极），可使输入阻抗不随 转子位置而变化。整步绕组是三相绕组，一般 为分布绕组，安装在定子上，它们在空间彼此 相隔120O，并接成Y形。
由式(4.2.1)可以看出：
①自整角机输出电压 ubs 是转角差的余弦函数，
当1 2 时，cos(1 2 ) 1，|Ubs|最大；
② ubs 为单相交流电压，在时间上比发送机转子 上的励磁电压 u f 领先(90 0 ) 。