第九章位置隨動系統(tǒng)

第九章位置隨動系統(tǒng)第一頁，共三十三頁，2022年，8月28日9.1引言——位置隨動系統(tǒng)概述位置隨動系統(tǒng)的概念位置隨動系統(tǒng)又稱為隨動系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。它主要解決有一定精度的位置跟隨問題，如數(shù)控機床的刀具給進和工作臺的定位控制，工業(yè)機器人的工作動作，工來自動導引的運動，車防上的雷達跟蹤、導彈制導、火炮瞄準等。在現(xiàn)代計算機集成制造系統(tǒng)（CIMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）等領(lǐng)域，位置隨動系統(tǒng)得到越來越廣泛的應用。第二頁，共三十三頁，2022年，8月28日位置隨動系統(tǒng)的組成位置隨動系統(tǒng)有開環(huán)控制系統(tǒng)，如由單片機控制、步進電動機驅(qū)動的位置隨動系統(tǒng)，以前開環(huán)控制精度較低，如今已有精度相當高(10000step/r以上)的步進隨動系統(tǒng)。在跟隨精度要求較高、而且驅(qū)動力矩又較大的場合，多采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，它們多采用直流(或交流)伺服電動機驅(qū)動。典型的位置隨動系統(tǒng)的組成如圖9-1所示。第三頁，共三十三頁，2022年，8月28日圖9-1典型的位置隨動系統(tǒng)的組成第四頁，共三十三頁，2022年，8月28日位置隨動系統(tǒng)的特點位置隨動系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)比較，有下面一些特點：輸出量為位移，而不是轉(zhuǎn)速。輸入量是在不斷變化著的(而不是恒量)，它主要是要求輸出量能按一定精度跟隨輸入量的變化。而調(diào)速系統(tǒng)則主要是要求系統(tǒng)能抑制負載擾動對轉(zhuǎn)速的影響。供電電路應是可逆電路，使伺服電動機可以正、反兩個方向轉(zhuǎn)動，以消正或負的位置偏差。而調(diào)速系統(tǒng)可以有不可逆系統(tǒng)。位置隨動系統(tǒng)的主環(huán)為位置環(huán)，調(diào)速系統(tǒng)的主環(huán)為速度環(huán)。位置隨動系統(tǒng)的技術(shù)指標，主要是對單位斜坡輸入信號的跟隨精度(穩(wěn)態(tài)的和動態(tài)的)，其他還有最大跟蹤速度、最大跟蹤加速度等。第五頁，共三十三頁，2022年，8月28日9.2位置隨動系統(tǒng)的主要部件位置隨動系統(tǒng)的主要部件一般都有：線位移檢測元件（同步感應器）角位移檢測元件直流伺服電機或交流伺服電機第六頁，共三十三頁，2022年，8月28日線位移檢測元件——同步感應器第七頁，共三十三頁，2022年，8月28日根據(jù)迭加原理，定尺上感應產(chǎn)生的電動勢e為兩者之和，即：在上式中，通常均為恒值。第八頁，共三十三頁，2022年，8月28日電壓與角位移差成正比，即：伺服電位器的原理圖，伺服電位器較一般電位器精度高、摩擦轉(zhuǎn)矩也較小。但由于通常為線繞電位器，因此它輸出的信號不平滑，而且容易出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象，因此一般應用于精度較低的系統(tǒng)中。其輸出角位移檢測元件——伺服電位器第九頁，共三十三頁，2022年，8月28日角位移檢測元件——圓盤式感應同步器圓盤式感應同步器的結(jié)構(gòu)如圖9-4所示。其定子相當于直線式感應同步器的滑尺，轉(zhuǎn)子相當于定尺。其節(jié)距也是2mm，而且定子中兩個繞組相差也是1/4節(jié)距。工作原理和特點與直線性感應同步器基本上是一樣的。其測量角位移的精度可達0.3″。第十頁，共三十三頁，2022年，8月28日角位移檢測元件——光電編碼盤光電編碼盤(簡稱光電碼盤)也是目前常用的角位移檢測元件。編碼盤是一種按一定編碼形式(如二進制編碼)，將圓盤分成若干等分(圖9-5為16個等分)；并分成若干圈，各圈對應著編碼的位數(shù)，稱為碼道。如圖9－5所示的編碼盤為四個碼道。圖9-5a即為一個4位二進制編碼盤，其中透明(白色)的部分為“0”，不透明(黑色)的部分為“1”。由不同的黑、白區(qū)域的排列組合即構(gòu)成與角位移位置相對應的數(shù)碼，如“0000”對應“0”號位，“0011”對應“3”號位等等。第十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日應用編碼盤進行角位移檢測的示意圖如圖9－6所示。對應碼盤的每一個碼道，有一個光電檢測元件(圖9-6為4碼道光電碼盤)。當碼盤處于不同的角度時，以透明與不透明區(qū)域組成的數(shù)碼信號，由光電元件的受光與否，轉(zhuǎn)換成電信號送往數(shù)碼寄存器，由數(shù)碼寄存器即可獲得角位移的位置數(shù)值。第十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日第十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日直流伺服電動機伺服電動機與一般電動機的差別電動機慣量小，電動機靈敏，空載始動電壓低；線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性；寬廣的調(diào)速范圍；有很強的過載能力；很強的剛性，不易產(chǎn)生振動。第十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)特點由于上述的要求，因此直流伺服電動機與普通直流電動機相比，其電樞形狀較細較長(慣量小)，磁極與電樞間的氣隙較小，加工精度與機械配合要求高，鐵心材料好。直流伺服電動機按照其勵磁方式的不同，又可分為電磁式(即他勵式)(型號為SZ)，(見圖9-7a)和永磁式(即其磁極為永久磁鋼)(型號為SY)(見圖9－b)。第十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日電磁式(即他勵式)(型號為SZ)第十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日永磁式(即其磁極為永久磁鋼)(型號為SY)第十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日直流伺服電動機的工作原理與工作特性直流伺服電動機的工作原理與他勵直流電動機相同。第十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日機械特性直流伺服電動機的機械特性，本質(zhì)上與他勵直流電動機是相同的，如圖9－8a所示［由伺服電動機調(diào)速范圍大，所以將橫坐標壓縮，畫出了全貌。第十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日調(diào)節(jié)特性：電動機的調(diào)節(jié)特性通常是指電動機的轉(zhuǎn)速與控制電壓間的關(guān)系。對他勵式電動機，控制電壓，可以是電樞電壓(用得較多)，也可以是勵磁電壓；對永磁式電動機，則只有電樞電壓。直流伺服電動機通常以電樞電壓作為控制電壓。下面就分析以電樞電壓作為控制電壓時的調(diào)節(jié)特性，即分析與間的關(guān)系。由式(3－1)～式(3－4)有：由式(9－1)可得與間的關(guān)系：當T=0時，則有：第二十頁，共三十三頁，2022年，8月28日當T≠0時，對應不同的T，它們是一簇上升的斜直線。如果T愈大，則橫軸上起點愈遠，亦即起動時所需的電樞電壓愈高。啟動時所需的電樞電壓，就是調(diào)節(jié)特性曲線的死區(qū)。第二十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日由以上分析可見，直流電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性均為直線(當然，這里未計及摩擦阻力等非線性因素，因此實際曲線還是略有彎曲的)，而且調(diào)節(jié)的范圍也比較寬(可達6000以上)，加上，調(diào)速控制平滑，起動轉(zhuǎn)矩大，運行效率高等優(yōu)點，因此在高精度的自動控制系統(tǒng)中(如數(shù)控機床，機器人精密驅(qū)動，軍用雷達天線驅(qū)動，天文望遠鏡驅(qū)動以及火炮、導彈發(fā)射架驅(qū)動等快速高精度伺服系統(tǒng)中)獲得廣泛的應用。直流伺服電動機的數(shù)學模型與他勵直流電動機相同，如圖3－21所示。第二十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日交流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)特點交流伺服電動機也是自動控制系統(tǒng)中一種常用的執(zhí)行元件。它實質(zhì)上是一個兩相感應電動機。它的定子裝有兩個在空間上相差90°的繞組：勵磁繞組A和控制繞組B。運行時，勵磁繞組A始終加上一定的交流勵磁電壓(其頻率通常有50Hz或400Hz等幾種)；控制繞組B則接上交流控制電壓。常用的一種控制方式是在勵磁回路串接電容C(見圖9－9)，這樣控制電壓在相位上(亦即在時間上)與勵磁電壓相差90°電角度。第二十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日第二十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日交流伺服電動機的工作原理當定子的兩個在空間上相差90°的繞組(勵磁繞組和控制繞組)里，通以在時間上相差90°電角度的電流時，兩個繞組產(chǎn)生的綜合磁場是一個強度不均勻的旋轉(zhuǎn)磁場。與三相異步電動機的工作原理一樣，在此旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子導體相對地切割著磁力線，產(chǎn)生感應電動勢，由于轉(zhuǎn)子導體為閉合回路，因而形成感應電流。此電流在磁場作用下，產(chǎn)生電磁力，構(gòu)成電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電動機轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向一致。分析表明，增大控制電壓，將使伺服電動機的轉(zhuǎn)速增加；改變控制電壓極性，將使旋轉(zhuǎn)磁場反向，從而導致伺服電機反轉(zhuǎn)。第二十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日機械特性如前所述，電動機的機械特性是控制電壓不變時，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系。由于交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻較大，因此它的機械特性為一略帶彎曲的下垂斜線。即當電動機轉(zhuǎn)矩增大時，其轉(zhuǎn)速將下降。對于不同的控制電壓，它為一簇略帶彎曲的下垂斜線，見圖9－11a。由圖可見，在低速時，它們近似為一簇直線，而交流伺服電動機較少用于高速，因此有時近似作線性特性處理。這樣，交流伺服電動機的傳遞函數(shù)也可近似以式(9－2)與式(9－3)表示。第二十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日調(diào)節(jié)特性如前所述，電動機的調(diào)節(jié)特性是電磁轉(zhuǎn)矩(或負載轉(zhuǎn)矩)不變時，電機的轉(zhuǎn)速與控制電壓間的關(guān)系。交流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性，如圖9－11b所示。對不同的轉(zhuǎn)矩，它們是一簇彎曲上升的斜線，轉(zhuǎn)矩愈大，則對應的曲線愈低，這意味著，負載轉(zhuǎn)矩愈大，要求達到同樣的轉(zhuǎn)速，所需的電樞電壓愈大。此外，由圖可見，交流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性是非線性的。第二十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日第二十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日9.2.4位置隨動系統(tǒng)的組成和工作原理交流位置隨動系統(tǒng)是以交流伺服電動機為執(zhí)行元件的控制系統(tǒng)，由于近年來新型功率電子器件、新型的交流電機控制技術(shù)等的重要進展