自动控制原理与系统第九章 位置随动系统

第二节 位置随动系统的主要部件
一、线位移检测元件(感应同步器) 按工作状态，感应同步器又可分为鉴相型(即滑
尺两绕组励磁电压幅值相同，而相位不同)和鉴幅型 (滑尺两绕组励磁电压相位相同，而幅值不同)两类 。现以鉴相型来说明其工作原理。
图9-2 感应同步器
对工业环境适应能力强，抗干扰性能好，响应频率 高，安装与读数均方便。而且定尺可多块连接使用， 连接时还可以补偿误差，测量长度可达数十米。由 于具有上述显著的优点，因此在工业上获得广泛的 应用。 二、角位移检测元件 1.伺服电位器
上面这种编码盘，输出的是代码(二进制码或 二～十进制码等)。它的特点是每一个代码，对应着 唯一的一个位置，所以称为绝对编码盘。另外还有 一种编码器，输出的是脉冲，它只能反映增加的位 移数，所以称为增量编码器，用它来检测位置时， 是由基准零点及输出脉冲数来计算出具体位置。此 外，用增量编码器，还可测转速与转向。
图9-3为伺服电位器的原理图，伺服电位器较一 般电位器精度高、摩擦转矩也较小。
若将电位器做成直线型，同样可作线位移检测 元件。
图9-3 伺服电位器
2.圆盘式感应同步器
圆盘式感应同步器的结构如图9-4所示。其定 子相当于直线式感应同步器的滑尺，转子相当于 定尺。其节距也是2mm，而且定子中两个绕组相 差也是1/4节距。工作原理和特点与直线性感应同 步器基本上是一样的。其测量角位移的精度可达 0.3″。
但由于光电码盘允许高转速、精度高，加上输出 的是数字量，便于计算机控制，因此在高速、高精 度的数控机床中，获得广泛的应用。
三、直流伺服电动机
1、伺服电动机与一般电动机的差别 ① 电动机惯量小，电动机灵敏，空载始动电压 低； ②线性的机械特性和调节特性； ③宽广的调速范围； ④有很强的过载能力； ⑤很强的刚性，不易产生振动。
图9-1系统中的速度负反馈，主要是保持转速 稳定，减少位置超调量。电流负反馈，主要是限制 最大电流，并能减少电网电压波动对电流的影响。
二、位置随动系统的特点 位置随动系统与调速系统比较，有以下特点： 1) 输出量为位移，而不是转速。 2) 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。
a) 定子
b) 转子
图9-4 圆盘式感应同步器绕组图形
3.光电编码盘
光电编码盘(简称光电码盘)也是目前常用的角 位移检测元件。编码盘是一种按一定编码形式(如二 进制编码)，将圆盘分成若干等分(图9-5为16个等 分)；并分成若干圈，各圈对应着编码的位数，称为 码道。如图9-5所示的编码盘为四个码道。图9-5a即 为一个4位二进制编码盘，其中透明(白色)的部分为 “0”，不透明(黑色)的部分为“1”。由不同的黑、 白区域的排列组合即构成与角位移位置相对应的数 码，如“0000”对应“0”号位，“0011”对应“3” 号位等等。
第九章 位置随动系统
主要内容
• 第一节 位置随动系统概述 • 第二节 位置随动系统的主要部件 • 第三节 位置随动系统的组成和工作原理 • 第四节 位置随动系统性能分析 • 第五节 位置随动系统的实例读图分析
（阅读材料） • 第六节 位置随动系统仿真
第一节 位置随动系统概述
位置随动系统又称跟随系统或伺服系统。它主 要解决有一定精度的位置自动跟随问题。 一、位置随动系统的组成
a) 二进制编码盘
b) 编码器外形
图9-5 光电编码盘
图9-6 光电码盘角位移检测示意图
应用编码盘进行角位移检测的示意图如图9-6所 示。对应码盘的每一个码道，有一个光电检测元件 (图9-6为4码道光电码盘)。当码盘处于不同的角度 时，以透明与不透明区域组成的数码信号，由光电 元件的受光与否，转换成电信号送往数码寄存器， 由数码寄存器即可获得角位移的位置数值。
位置随动系统有开环控制系统，如由单片机控 制的、步进电动机驱动的位置随动系统，开环控制 精度较低，目前已有精度达10000step/r以上的步进 随动系统。
对跟随精度要求较高而且驱动力矩较大的场合 ，多采用闭环控制系统，它们多采用交流(或直流) 伺服电动机驱动。典型位置随动系统的组成框图如 图9-1所示。
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。
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2、直流伺服电动机的结构特点
由于上述的要求，因此直流伺服电动机与普通 直流电动机相比，其电枢形状较细较长(惯量小)， 磁极与电枢间的气隙较小，加工精度与机械配合要 求高，铁心材料好。
直流伺服电动机按照其励磁方式的不同，又可 分为电磁式(即他励式)(型号为SZ)，(见图9-7a)和 永磁式(即其磁极为永久磁钢)(型号为SY)(见图9-b) 。
图9-5b为LD15系列仪表级增量编码器外形，其 直径d=1.5in，电参数有分辨率：100-2500P/r(每转 脉冲数，有的可高达10000P/r)；输入电压：DC5V； 输出：单端/长线驱动；频率0～100kHz。光电码盘 检测的优点是非接触检测、允许高转速和精度较高。 单个码盘可做到18位，组合码盘可做到22位。其缺 点是结构复杂、价格较贵、安装较困难。
注：始动电压是指，电动机转子在任意位置，从 静止到连续转动所需的最小控制电压。
a) 电磁式
b) 永磁式
图9-7 直流伺服电动机
1—磁极 2—电枢 3—换向器 4—电刷
如图可见，系统有位置环、速度环和电流环三 个反馈回路。其中位置环为主环（外环），主要消 除位置偏差的作用；速度环和电流环均为副环（内 环），速度环起稳定转速的作用，电流环起稳定电 流与限制电流过大的作用。其中位置环是必需的， 位置随动系统主要依靠位置负反馈来减小并最后消 除位置偏差。
图9-1 典型位置随动系统的组成框图