电气自动控制原理与系统第2版 教学课件 ppt 作者 陈渝光 主编 第九章

1、第九章 位置随动控制系统,第一节 概述 第二节 位置检测装置 第三节 数控机床的伺服系统 第四节 直流电动机速度/位置控制系统示例 本章小结,主要内容,第一节 概 述,位置随动控制系统用来实现对机械运动的位置控制。例如数控机床的定位控制和工件轮廓的加工控制，连轧机压下装置的压下量控制，以及机器人控制，雷达天线和电子望远镜的方位瞄准等控制。,进给伺服系统：一种用于数控机床工件台或刀架的单坐标的位置控制系统 。,概 述,射电望远镜的方位控制系统为位置随动系统。,概 述,位置随动系统和调速系统都是反馈控制系统。 调速系统 给定量通常为恒值，要求系统维持恒速，所以抗干扰性能作为其主要指标。 随动系统 给定量通常是变化的，要求输出准确跟踪，因而跟随性能成为它的主要指标。 对于位置随动系统来说，要实现位置反馈，则结构上必须包含有位置闭环。 根据位置检测与比较所采用的不同方式，位置随动系统可分为模拟式与数字式两类，而数字式中又有脉冲控制、相位控制与编码控制三种。,第二节 位置的检测装置,位移检测信号装置主要用于检测长度、角度、直线位移和角位移，是位置随动系统的重要部件，它对控制系统的精度和工作效率有

2、很大的影响。 位置随动系统中常用的位移检测装置有感应同步器（直线和圆盘）、光电编码盘和光电编码器等。 感应同步器 感应同步器是一种测量位移的平面形状变压器式的检测元件，按其结构特点分为直线式和圆盘式两种。 直线式用于直线位移测量，圆盘式用于角位移测量。 感应同步器具有检测精度高（可达1m），分辨力高（可达0.2m），测量速率可达50m/min，抗干扰性强、寿命长、维护方便。 直线感应同步器由定尺和滑尺组成。利用滑尺和定尺上的励磁绕组和感应绕组之间随着他们相对位置变化而产生互感系数的变化发出相应的位移电信号，达到位置测量目的。,位置的检测装置,直线式感应同步器（鉴相型 ）,定尺上感应产生的电压 U2KUmsin(-) 式中 k为耦合系数； Um为正弦励磁电压Us的最大幅值；为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角 ； 通过鉴别定尺感应电动势的相位大小测得滑尺和定尺的相对位移量x,位置的检测装置,光电编码盘 编码盘是把被测转角直接转换成相应代码的检测元件。编码盘按其工作原理可分为光电式、接触式和电磁式三种。 光电式编码盘在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。 工作时，编码盘的一侧放置电源，

3、另一侧放置光电接受装置，每个数位都对应有一个光电管及放大、整形电路。编码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。,光电编码盘,4位二进制的编码盘 4位二进制循环编码盘,光电编码盘,带判位光电装置的二制循环编码盘,位置的检测装置,光电编码器 光电编码器又称位移编码盘。如图所示的光电编码器属于增量式编码器，即转过一个角度就有数个脉冲发出，进而换算出多大的角度，且每次反映的都是相对于上次角度的增量，旋转轴的具体坐标位置并不确定。 光点编码器由两个偏圆盘组成，圆盘的边缘上刻有相等角距的缝隙（分成透光和不透光部分），其中相邻的透光与不透光线纹构成一个节距。 联在电动机的轴上的圆盘与电动机以相同的速度旋转，另一圆盘是固定不转的，与旋转的圆盘平行放置，在平行的圆盘两侧分别安装光源和光敏元件。 当旋转的圆盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，经过光敏元件，就产生一个近似正弦的电信号。,位置的检测装置,信号经放大、整形电路的处理，可以得到一定幅值和功率的电脉冲输出信号。如将上述脉冲信号送到计数器中去进行计数，则计数码就能反映圆盘转

4、过的转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可求出旋转速度。,位置的检测装置,光电编码器的测量精度取决于它所分辨的最小角度，而这与编码盘圆周所分的缝隙条数有关，即 为判断电动机的旋转方向，在固定圆盘缝隙群中制出两个错开1/4节距的相邻缝隙。这两个缝隙各对应一套光电转换装置，得到两组不同的光电脉冲，分别称为FTA与FTB相脉冲。它们在相位上相差1/4周期，即相差电角度。正转时，FTA相超前于FTB相；反转时，FTB相超前于FTA相。 在圆盘的里圈不透光园环上还刻有一条透光条纹，用来产生一转脉冲的信号，即电动机每转过一转就发出一个脉冲，称之为FTF脉冲，用于找出电动机在初始状态的绝对位置。,第三节 数控机床的伺服系统,数控伺服系统，是一类具有较高精度的位置控制系统，它位于数控运算系统与机床主体之间，接受来自运算系统的进给脉冲，经变换和放大后转换为机床工作台的位移，使工作台跟随指令脉冲移动，最后加工出符合图纸要求的零件。 伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为执行机构，这些电动机带有光电编码器等位置测量元件和测速发电机等速度测量元件。各种执行机

5、构由相应的驱动装置来驱动。 数控机床的伺服系统按其控制方式分为开环伺服系统、半闭环伺服系统和闭环伺服系统三大类。数控机床按照它们对加工精度、生产率和成本的要求选用相应的伺服系统。 数控机床的速度和精度等项技术指标，在很大程度上由伺服系统的稳态、动态性能所决定。 由于闭环控制的伺服系统能获得较高的控制性能，因此，本节从控制理论的角度分析数控机床的闭环伺服系统。,闭环伺服系统的组成,闭环伺服驱动系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测单元、比较控制环节等组成。 反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号与反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动工作台运动。 选择直线位移检测器作为位置检测元件，以晶闸管控制直流电动机为驱动装置的双闭环伺服进给系统为例，讨论位置随动系统的数学模型、稳定性、稳态和动态性能分析。 系统的原理图如下图所示。采用位置速度双环系统的目的是为了实现较高的位置控制精度和较快的跟随速度。,闭环伺服系统的组成,位置随动伺服系统原理图,闭环伺服系统的数学模型,1. 比较环节 内环的速度

6、比较环节： 外环的速度比较环节： 2调节器 为讨论问题简便，这里假设位置调节器和速度调节器都为P调节。 位置调节器的传递函数： 速度调节器的传递函数： 3检测器 通常测量转换装置可以看成一个比例环节。 速度检测器的传递函数为： 位置检测器的传递函数为：,闭环伺服系统的数学模型,4.可逆功率放大器 对于大功率位置伺服系统，功率放大 多采用可逆的晶闸管可控整流器。 对于小功率位置伺服系统，为了进一步提高系统的快速性，常采用晶体管脉冲调宽型（PWM）开关放大器，其传递函数近似为比例环节。 采用晶闸管整流电路，则其传递函数可近似表达为Ktr/(s+1)，当D远小于其他环节的时间常数时，近似认为D0，则可得：,闭环伺服系统的数学模型,5.执行机构 可选用直流伺服电机或交流两相异步电动机。要求高性能时，可采用小惯量直流电动机或宽调速力矩电机。若采用直流伺服电动机，则其传递函数可表达成一个二阶环节： 伺服系统中一般不串联平波电抗器，电枢回路电感很小，电磁时间常数D很小，伺服电动机可近似为一阶惯性环节，传递函数为： 电动机转速n与转角的关系是n=d/dt，经拉氏变换，N(s)=s(s)，得：,闭环伺服

7、系统的数学模型,6.机械传动装置 机械传动装置对位置伺服系统有重大影响，其中减速器速比的选择和分配将影响系统的惯性矩，并影响到快速性。 考虑到传动装置的输入量为电动机的转角，输出量为工作台的位移xL，如果忽略传动装置的折算惯量和折算阻尼系数，机械传动机构的传递函数可简化为一比例环节，其比例系数为KL，则 经简化后的整个系统动态结构图如下图所示。,闭环伺服系统的数学模型,闭环系统动态结构图,闭环伺服系统的数学模型,若令速度环传递函数为Gn（s），则,式中,闭环伺服系统的数学模型,整个系统的传递函数为Gp（s），则,式中 K系统增益，K=1/Kp； 系统的阻尼系数，； 系统的自然振荡频率， 直流伺服电动机构成的闭环控制系统简化后为二阶系统。,闭环伺服系统的性能分析,系统的稳定性 数控机床点位控制系统的增益裕量Kg为510dB，相位裕量为50左右；轮廓控制系统的Kg为1220dB，为5065左右。 位置环（外环）主要作用是消除位置偏差，采用PID串联校正。 为稳定速度和限制加速度，改善系统动态性能，常采用转速负反馈或转速微分负反馈进行局部反馈校正。,闭环伺服系统的性能分析,稳态性能 位置伺服

8、系统稳定性指标主要是定位精度，表示系统过渡过程终了时输出量实际值与期望值之间的偏差程度。 一般数控机床的定位精度应不低于0.01mm，而高性能数控机床的定位精度将达到0.001mm以下。 影响伺服系统稳态精度的因素有： 位置检测元件引起的检测误差 检测误差取决于检测元件本身的精度。检测误差是稳态误差的主要部分，这是系统无法克服的。 系统误差 由系统自身的结构形式、系统特征参数和输入信号的形式决定的。 这里主要讨论系统误差对稳态精度的影响。,闭环伺服系统的性能分析,1典型输入信号 伺服系统的分析中，常用两种典型输入信号：位置阶跃输入和斜坡输入。前者多用于点位控制的数控机床；后者多用于直线插补的数控伺服系统。 作用于伺服系统除给定输入之外，还有扰动输入。典型的扰动输入有：恒值负载扰动，正弦负载扰动，随机性负载扰动以及从检测装置输入的噪声干扰等。 伺服系统的任务主要是尽可能使系统的输出准确地跟踪给定输入，同时各种扰动输入时，系统跟踪精度的影响应当减到最小。,闭环伺服系统的性能分析,2单位阶跃给定输入时的稳态误差 对于型系统，阶跃输入下的系统稳态误差为零。 由于伺服系统电动机的转速到位移之间有

9、一积分环节，只要正比于输出的反馈信号Ufp(t)与输入信号Usp(t)不相等，它们之间的偏差电压经放大后就使电动机旋转，当负载为零时，电机将一直转到偏差电压等于零为止，因此稳态误差为零。 如果考虑负载的话，则当电动机输出转矩与负载转矩平衡时工作停止进给。为了维持这个转矩，放大器输入端需要有一定的偏差电压，因而稳态误差不等于零。,闭环伺服系统的性能分析,3. 单位等速给定输入时的稳态误差 单位等速给定时，对于型系统，稳态误差等于位置闭环开环放大倍数的倒数。 这说明在等速输入下，要实现准确跟踪，电动机的输出轴必须随着作同步变化，因此电动机的电枢上应保持有一定数值的电压。 型系统只有一个积分环节，放大器只能是比例环节，要维持一定的电枢电压，放大器输入端必须有一个偏差电压，所以系统的稳态误差不会等于零。当然开环放大倍数越大，稳态误差的值愈小。,闭环伺服系统的性能分析,4. 单位恒值负载扰动输入的影响 伺服系统所受到的各种扰动作用也会影响系统的跟随精度。 最常见的扰动是负载扰动和从测量装置引入的噪声干扰。 对于负载扰动引起的稳态误差数值与负载作用点之前的传递函数的放大系数成反比。,闭环伺服系统的性能分析,动态性能 位置伺服系统在跟随加工的连续控制过程中，几乎始终处于动态的过程之中，生产工艺要求系统应具有很好的跟随性和很强的抗扰性。 1. 跟随性能指标 对于位置随动系统，由于给定值的变化是主要输入，动态过程将围绕这个变化了的给定值而变化。常用的性能指标有超调量p和调节时间ts。超调量影响加工精度和粗糙度。调节时间的长短影响机床动作灵敏度的高低与动态误差的大小。 2抗扰性能指标 伺服系统的抗扰动态性能用输出量的最大动态变化和恢复时间两项指标来评价。一般来说，阶跃扰动下输出的动态变化越小，恢复越快，说明系统的抗扰能力越强。,对位置伺服系统的要求,数控机床对位置伺服系统的要求是： 1）调速范围宽。一般速比应大于1:10000，低速平稳，高速能满足定位速度和轮廓切削进给速度。 2）控制精度能满足定位精度和轮廓切削精度的要求。

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