位置随动系统
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本章提要
❖ §5.1 位置随动系统概述 ❖ §5.2 位置随动系统主要组成及其工作原
理 ❖ §5.3 位置随动系统中的位置检测装置 ❖ §5.4 采用自整角机的位置随动系统
5.1 位置随动系统概述
❖ 位置随动系统又称伺服系统
❖ 主要解决的问题：对象的位置控制
❖ 根本任务：实现执行机构对位置指令的准确
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四位格雷码盘
二、增量式脉冲编码器
增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就 精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号 是用脉冲数/转（p/r）来区分，常用2000、2500、3000p/r等， 现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角 度检测外，还可以用于速度检测。
光电式脉冲编码器结构示意图
一、绝对式编码器
绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把 被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均 有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积 误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动 角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种， 以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。
化。随动系统的动态指标则以跟随性能为主。
5.3 位置随动系统中的位置检测装置（教材P220）
作用： 将位移转换成一定形式的电量。
常用的模拟式位置检测装置： 自整角机、旋转变压器、感应同步机
常用的数字式位置检测装置： 光栅（位移检测）、 光电编码盘（角度检测）
位置传感器 运动方式
特点
电位器
旋转 模拟信号、价廉、低性能
本章小结
重点掌握: ❖ 位置随动系统的一般组成及其工作原理 ❖ 位置随动系统与调速系统的联系与区别
❖ 位置检测器：由电位器RP1与RP2组成 ❖ 电压比较放大器：由运算放大器A1和A2组
成 ❖ 可逆功率放大器 ❖ 执行机构：永磁式直流伺服电动机SM
（1）数字式位置随动系统的一般组成
位置 给定
控制计 算机
驱动器
驱动 电机
速度反馈
齿轮传 动链
系统 负载 输出
位置反馈 数字式位置随动系统一般结构框图
❖
跟踪。
❖ 给定量和被控量：位移（角位移、直线位移）
❖ 特点：给定量是随机变化
5.1.1 位置随动系统主要应用
❖ 数控机床中的定位控制和加工轨迹控制； ❖ 仪表工业中各种记录仪的笔架控制，如温度记录仪等； ❖ 光驱中的激光头的定位控制； ❖ 轮船上的自动操舵装置； ❖火炮方位的自动跟踪； ❖ 雷达天线位置控制； ❖ 宇航设备的自动驾驶； ❖ 机器人的动作控制等等。
（2）位置随动系统与调速系统的比较
❖ 相同: ❖ 都是负反馈控制系统，都是闭环控制， ❖ 其控制原理是一致的；
❖
不同:
❖
调速系统的转速给定量是恒值，要求输
出量能维持在和输入量相对应的数值上不变。
调速系统的动态指标以抗干扰性能为主。
❖
位置随动系统的位置给定量是经常变化
的，要求输出量能尽可能准确跟随给定量的变
旋转光电编码器 旋转 两路正交信号和定位信号
直线光电编码器 旋转 两位正交信号和定位信号
绝对位置编码器 旋转 多位并行信号
旋转变压器
旋转 模拟幅值或相位信号，坚固
5.3.1 光电编码盘
光电编码盘可直接将角位移信号转换 成数字信号，它是一种直接编码装置。 和旋转变压器一样，按照编码原理划 分，有增量式和编对式两种光电编码 盘。
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四位二进制编码盘
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光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非
轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减
速齿轮，然后与滚珠丝杠相连。
5.4 位置随动系统稳态误差分析
（1）检测误差 由检测元件引起，大小取决于检测元件本身的精度。
（2）系统误差 包括稳态给定误差和扰动作用下的稳态误差。由系统自身
的结构形式、系统特征参数和给定输入信号的形式决定。 a: 位置调节器选用比例控制（Ⅰ型系统 ） b: 位置调节器选用PI或PID控制（Ⅱ型系统 ）
5.1.2 位置随动系统的分类
1）按输出功率分：小功率、超小功率、中功率、大 功率和超大功率位置随动系统。
2）按位移性质分：转角式和直线式； 3）按采用的电动机不同分：直流式和交流式； 4）按照控制器的类型分：模拟式随动系统和数字式
随动系统。
5.2 位置随动系统组成及工作原理
电位器式位置随动系统原理图
❖ §5.1 位置随动系统概述 ❖ §5.2 位置随动系统主要组成及其工作原
理 ❖ §5.3 位置随动系统中的位置检测装置 ❖ §5.4 采用自整角机的位置随动系统
5.1 位置随动系统概述
❖ 位置随动系统又称伺服系统
❖ 主要解决的问题：对象的位置控制
❖ 根本任务：实现执行机构对位置指令的准确
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四位格雷码盘
二、增量式脉冲编码器
增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就 精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号 是用脉冲数/转（p/r）来区分，常用2000、2500、3000p/r等， 现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角 度检测外，还可以用于速度检测。
光电式脉冲编码器结构示意图
一、绝对式编码器
绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把 被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均 有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积 误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动 角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种， 以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。
化。随动系统的动态指标则以跟随性能为主。
5.3 位置随动系统中的位置检测装置（教材P220）
作用： 将位移转换成一定形式的电量。
常用的模拟式位置检测装置： 自整角机、旋转变压器、感应同步机
常用的数字式位置检测装置： 光栅（位移检测）、 光电编码盘（角度检测）
位置传感器 运动方式
特点
电位器
旋转 模拟信号、价廉、低性能
本章小结
重点掌握: ❖ 位置随动系统的一般组成及其工作原理 ❖ 位置随动系统与调速系统的联系与区别
❖ 位置检测器：由电位器RP1与RP2组成 ❖ 电压比较放大器：由运算放大器A1和A2组
成 ❖ 可逆功率放大器 ❖ 执行机构：永磁式直流伺服电动机SM
（1）数字式位置随动系统的一般组成
位置 给定
控制计 算机
驱动器
驱动 电机
速度反馈
齿轮传 动链
系统 负载 输出
位置反馈 数字式位置随动系统一般结构框图
❖
跟踪。
❖ 给定量和被控量：位移（角位移、直线位移）
❖ 特点：给定量是随机变化
5.1.1 位置随动系统主要应用
❖ 数控机床中的定位控制和加工轨迹控制； ❖ 仪表工业中各种记录仪的笔架控制，如温度记录仪等； ❖ 光驱中的激光头的定位控制； ❖ 轮船上的自动操舵装置； ❖火炮方位的自动跟踪； ❖ 雷达天线位置控制； ❖ 宇航设备的自动驾驶； ❖ 机器人的动作控制等等。
（2）位置随动系统与调速系统的比较
❖ 相同: ❖ 都是负反馈控制系统，都是闭环控制， ❖ 其控制原理是一致的；
❖
不同:
❖
调速系统的转速给定量是恒值，要求输
出量能维持在和输入量相对应的数值上不变。
调速系统的动态指标以抗干扰性能为主。
❖
位置随动系统的位置给定量是经常变化
的，要求输出量能尽可能准确跟随给定量的变
旋转光电编码器 旋转 两路正交信号和定位信号
直线光电编码器 旋转 两位正交信号和定位信号
绝对位置编码器 旋转 多位并行信号
旋转变压器
旋转 模拟幅值或相位信号，坚固
5.3.1 光电编码盘
光电编码盘可直接将角位移信号转换 成数字信号，它是一种直接编码装置。 和旋转变压器一样，按照编码原理划 分，有增量式和编对式两种光电编码 盘。
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光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非
轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减
速齿轮，然后与滚珠丝杠相连。
5.4 位置随动系统稳态误差分析
（1）检测误差 由检测元件引起，大小取决于检测元件本身的精度。
（2）系统误差 包括稳态给定误差和扰动作用下的稳态误差。由系统自身
的结构形式、系统特征参数和给定输入信号的形式决定。 a: 位置调节器选用比例控制（Ⅰ型系统 ） b: 位置调节器选用PI或PID控制（Ⅱ型系统 ）
5.1.2 位置随动系统的分类
1）按输出功率分：小功率、超小功率、中功率、大 功率和超大功率位置随动系统。
2）按位移性质分：转角式和直线式； 3）按采用的电动机不同分：直流式和交流式； 4）按照控制器的类型分：模拟式随动系统和数字式
随动系统。
5.2 位置随动系统组成及工作原理
电位器式位置随动系统原理图