1、第8章 位置随动系统 8.1 概述概述 8.2 位置随动系统的组成及工作原理位置随动系统的组成及工作原理 8.3 位置随动系统的控制特点与实例分析位置随动系统的控制特点与实例分析 8.1 概概 述述 电位器式的小功率位置随动系统，其原理图如图8-1所示，它由以下五个部分组成。图 8-1 电位器式位置随动系统原理图 1 位置传感器位置传感器由电位器RP1和RP2组成位置(角度)传感器。RP1是给定位置传感器，其转轴与操纵轮连接，发出转角给定信号*m；RP2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m。两个电位器由同一个直流电源Us供电，使电位器输出电压U*和U，直接将
2、位置信号转换成电压量。偏差电压U=U*-U反映了给定与反馈的转角误差m=*mm，通过放大器等环节拖动负载，最终消灭误差。2 电压比较放大器电压比较放大器(A)两个电位器输出的偏差电压U在放大器A中进行放大，发出控制信号Uc。由于U是可正可负的，因此，放大器必须具有鉴别电压极性的能力，输出的控制电压Uc也必须是可逆的。3 电力电子变换器电力电子变换器(UPE)它主要起功率放大的作用(同时也放大了电压)，而且必须是可逆的。在小功率直流随动系统中多采用P-MOSFET或IGBT桥式PWM变换器。4 伺服电机伺服电机(SM)在小功率直流随动系统中多采用永磁式直流伺服电机，在不同情况下也可采用其它直流或
3、交流伺服电机。由伺服电机和电力电子变换器构成的可逆拖动系统是位置随动系统的执行机构。5 减速器与负载减速器与负载在一般情况下负载的转速是很低的，因此，在电机与负载之间必须设有传动比为i的减速器。在现代机器人、汽车电子机械等设备中，为了减少机械装置，倾向于采用低速电机直接传动，可以取消减速器。通过分析上面的例子，可以总结出位置随动系统的主要特征如下：位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而准确地复现给定位移。必须有具备一定精度的位置传感器，能准确地给出反映位移误差的电信号。电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的。控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求。8.2 位置随动系统的组成及工作原
4、理位置随动系统的组成及工作原理8.2.1 位置检测元件位置检测元件 1.1.伺服电位器伺服电位器(RP)(RP)如图8-2所示为伺服电位器示意图，其中RPs为给定电位器，RPd为检测电位器。在图8-2的联接中，其输出电压即偏差电压U为 KKU)(oi式中:为两电位器轴的角位移之差。图8-2 伺服电位器示意图 2 2 自整角机自整角机(CT)(CT)自整角机在结构上分为接触式和无接触式两类。下面通过接触式介绍其结构和工作原理。如图8-3所示为接触式自整角机的结构图和示意图。图8-3 接触式自整角机(a)结构图;(b)示意图 自整角机的定子和转子铁芯均为硅钢冲片压叠而成。定子绕组与交流电动机三相绕
5、组相似，也是U、V、W三相分布绕组，它们彼此在空间上相隔120，一般联接成Y形，定子绕组称为整步绕组。转子绕组为单相两极绕组(通常做成隐极式，为直观起见，图中常画成磁极式)。转子绕组称为励磁绕组，它通过两只滑环电刷与外电路相连，以通入交流励磁电流。控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。使用时，总是用一对相同的自整角机来检测指令轴(输入量)与执行轴(输出量)之间的角差。与指令轴相联的自整角机称为发送器，与执行轴相联的则称为接收器。在实际使用时，通常将发送器定子绕组的三个出线端U1、V1、W1与接收器定子绕组的三个对应的出线端U2、V2、W2相联，如图8-4所示。图8-4 自整角机发送器与接收器
6、接线图 工作时，发送器的转子绕组上加一正弦交流励磁电压Uf，Uf(t)=Ufmsin0t，式中0称为调制角频率，与0对应的频率f0称为调制频率。f0通常为400Hz(也有50 Hz的)。当发送器转子绕组加上励磁电压后，便会产生励磁电流，此电流产生的交变脉动磁通将在定子的三相绕组上产生感应电动势。此电动势又作用于接收器定子的三相绕组，产生交变的感应电流(iu、iv、iw)。这些电流的综合磁通将使接收器转子绕组感应产生一个正弦交流电压Uct。可以证明，此正弦交流电压的频率与励磁电压的频率相同，其振幅与两个自整角机间的角差的正弦成正比。即 tKU0ctsinsin当很小时，sin，则上式可写成 tK
7、U0ctsin这种线路的优点是简单可靠，可供远距离检测与控制，其精度有0、1、2三级，最大误差在0.250.75之间。它的缺点是有剩余电压、误差较大、转子有一定的惯性等。3.3.光电编码盘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、循环码编码等)将圆盘分成若干等分，纵向分成若干圈，各圈对应着编码的位数，称为码道。如图8-5(a)所示为16个等分、四个码道的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，“001
8、1”对应“3”号位等等。应用编码盘进行角位移检测的示意图如图8-5(b)所示。对应码盘的每一个码道，有一个光电检测元件。(图8-5(b)为四码道光电码盘)。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。光电码盘检测的优点是非接触检测、精度较高，可用于高转速系统。目前单个码盘可做到18位，组合码盘可做到22位。其缺点是结构复杂、价格贵、安装较困难。图8-5 光电码盘及角位移测量示意图(a)二进制编码盘;(b)应用光电码盘测量角位移示意图 4.4.差动变压器差动变压器差动变压器是电磁感应式位移传感器。它
9、由一个可以移动的铁芯和绕在它外面的一个一次绕组、两个二次绕组组成。一次绕组通以50Hz10 kHz的交流电，两个二次绕组反极性相联，作为输出绕组，如图8-6所示。其输出电压Uc为两电动势之差。即Uc=e1e2。图 8-6 差动变压器(a)差动变压器及相敏整流电路;(b)差动变压器输出特性 若铁芯在中央，则两个二次绕组感生的电动势相等，即e1=e2，由于两个二次绕组反极性相联，此时输出电压Uc=e1e2=0。当铁芯有微小的位移后，则两个二次绕组的电动势就不再相等，其合成电压Uc也就不再为零。而且铁芯的位移量越大，两个二次电动势的差值就越大，则Uc也越大，Uc的数值与铁芯的位移量x成正比。若铁芯的
10、位移方向相反，则其合成电动势的相位将反向(相位变180)。为了将交流信号转换成直流信号，并且使这直流电压的极性能反映位移的方向，通常采用的方法是相敏整流(即整流后的直流电压的极性能跟随相位的倒相而改变)。图8-6(a)中即采用由两个半波整流电路组成的相敏整流电路。由图可以看出，输出的直流电压Uc的极性与位移的方向相对应。差动变压器的输出特性如图8-6(b)所示。差动变压器无磨损部分，驱动力矩小，灵敏度高，测量精度高(0.50.2)，而且线性度好，因此在检测微小位移量时常采用差动变压器,它的缺点是位移量小(大约为全长的1/101/4)。此外，由于铁芯质量较大，故不宜使用在位移速度很快的场合。8.
11、2.2 8.2.2 执行元件执行元件1.1.直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机是自动控制系统中常用的一种执行元件，它的作用是将控制电压信号转换成转轴上的角位移或角速度输出，通过改变控制电压的极性和大小能变更伺服电动机的转向和转速，而转速对时间的积累便是角位移。直流伺服电动机实质上是一台他励式直流电动机，但它与普通直流电动机相比，有更高的控制性能要求：宽广的调速范围。线性的机械特性和调节特性。无“自转”现象，即要求控制电压为零时，电动机能自行停转。快速响应，即电动机的转速能迅速响应控制电压的改变。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
12、电枢间的气隙较小，加工精度与机械配合要求高，铁芯材料好。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)，和永磁式(即其磁极为永久磁钢，型号为SY)。直流伺服电动机的机械特性和调节特性均为直线(当然，这里不考虑摩擦阻力等非线性因素，因此实际曲线还是略有弯曲的)，而且调节的范围也比较宽，这些都是直流伺服电动机的优点。它的缺点是有换向器，有火花，维护不便。直流伺服电动机的额定功率一般在600W以下(也有达几kW的)。额定电压有6 V、9 V、12 V、24 V、27 V、48 V、110 V和220 V几种。转速可达15006000 r/min。时间常数低于0.03 s。
13、2.交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机也是自动控制系统中一种常用的执行元件。它实质上是一个两相感应电动机。它的定子装有两个在空间上相差90的绕组：励磁绕组A和控制绕组B。运行时，励磁绕组A始终加上一定的交流励磁电压(其频率通常有50 Hz或400 Hz等几种)。控制绕组B则接上交流控制电压。常用的一种控制方式是在励磁回路串接电容C，如图8-7所示，这样控制电压在相位上(亦即在时间上)与励磁电压相差90。图 8-7 交流伺服电动机的电路图 交流伺服电动机的转子通常有笼型和空心杯式两种。笼型(如SL型)交流伺服电动机的转子与普通笼型转子有两点不同：一是其形状细而长(主要是为了减小转动惯量)
14、；二是其转子导体采用高电阻率材料(如黄铜、青铜等)，这是为了获得近似线性的机械特性。空心杯转子(如SK型)交流伺服电动机，它是用铝合金等非导磁材料制成的薄壁杯形转子，杯内置有固定的铁芯。这种转子的优点是惯量小，动作迅速灵敏，缺点是气隙大，因而效率低。1)交流伺服电动机的工作原理当定子的两个在空间上相差90的绕组(励磁绕组和控制绕组)里通以在时间上相差90电角的电流时，两个绕组产生的综合磁场是一个强度不均匀的旋转磁场。在此旋转磁场的作用下，转子导体相对地切割着磁力线，产生感应电动势，由于转子导体为闭合回路，因而形成感应电流。此电流在磁场作用下，产生电磁力，构成电磁转矩，使伺服电动机转动，其转动方
15、向与旋转磁场的转向一致。分析表明，增大控制电压，将使伺服电动机的转速增加；改变控制电压极性，将使旋转磁场反向，从而导致伺服电动机反转。2)交流伺服电动机的机械特性与调节特性 机械特性 电动机的机械特性是控制电压不变时，转速n与转矩T间的关系。由于交流伺服电动机的转子电阻较大，因此它的机械特性为一略带弯曲的下垂斜线。即当电动机转矩增大时，其转速将下降。对于不同的控制电压UB，它为一簇略带弯曲的下垂斜线，如图8-8(a)所示。在低速时，它们近似为一簇直线，而交流伺服电动机较少用于高速，因此有时近似作线性特性处理。调节特性 电动机的调节特性是电磁转矩(或负载转矩)不变时，电动机的转速n与控制电压UB
16、间的关系。交流伺服电动机的调节特性如图8-8(b)所示。对不同的转矩，它们是一簇弯曲上升的斜线，转矩愈大，则对应的曲线愈低，这意味着，负载转矩愈大，要求达到同样的转速，所需的电枢电压愈大。此外，由图可见，交流伺服电动机的调节特性是非线性的。图 8-8 交流伺服电动机的机械特性与调节特性(a)机械特性；(b)调节特性 综上所述，交流伺服电动机的主要特点是结构简单，转动惯量小，动态响应快，运行可靠，维护方便。但它的机械特性与调节特性线性度差，效率低，体积大，所以常用于小功率伺服系统中。国产的SL系列，电源频率为50 Hz时，额定电压有36 V、110 V、220 V和380 V等几种；电源频率为4
17、00 Hz时，额定电压有20 V、26 V、36 V和115 V等几种。3 3 高性能伺服电动机高性能伺服电动机一般的交、直流伺服电动机，在低速性能和动态指标上，往往不能满足高精度和快速随动系统的要求。因此，在后来人们又研制出了小惯量无槽直流电动机(它的特点是转动惯量小，快速性能好)和宽调速力矩电动机(它的特点是低速转矩大，运行平稳)等高性能伺服电动机。8.2.3 8.2.3 相敏整流与滤波电路相敏整流与滤波电路由于检测获得的信号通常是很小的，一般都要经过电压放大。现在常用的是运算放大器，它是直流信号放大器。若采用的是输出交流信号电压的检测元件(如自整角机、旋转变压器等)，则在输入运放器以前，
18、应通过整流电路，将检测输出的交流信号转换成直流信号，而且直流信号电压的极性还应随着检测角差的正负而改变，以保证随动系统的执行电机向着消除偏差的方向运动。因此整流电路就需要采用相敏整流电路。相敏整流电路的形式有多种，在介绍差动变压器时，已介绍了一种相敏整流电路，如图8-9所示为另一种由、两组二极管桥式整流电路组成的相敏整流电路。图 8-9 相敏整流与滤波电路 由图8-9可见，组整流桥的输入电压U1为Us1与Ui1相加(因为它们的极性一致)，所以U1=Us1+Ui1=U+Ui。组整流桥输出电压为U1=|Us+Ui|。组整流桥的输入电压U2=Us2Ui2=UsUi(因为它们的极性相反)，其输出电压U2=|UsUi|。相敏整流电路的输出电压Uo为两组整流桥输出的叠加。由图8-10可见，两组输出电压极性相反，所以Uo=U1U2。当角差0时，Us与Ui同相。如图8-10(a)所示。图8-10(a)给出了Us、Ui、U1、U2及Uo的电压波形。由图可见，此时Uo=U1U2=+2|Ui|。同理，当0，经过调节器和放大器后产生的Uk10，正组触发电路发出触发脉冲，使VT正导通，电动机正转，o增大直到i=o，达到新的稳态，电动机停转。同理可知，当i减小时，电动机反转，o减小直到i=o。综上所述，位置随动系统输出的角位移o将随给定的i变化而变化。调节过程如下：
