电子教案《交直流传动控制系统》(第4版_钱平)课件c4

永磁式直流伺服电动机SM作为带动负载运动的 执行机构, 系统中雷达天线即为负载，电动机与 负载之间通过减速器来匹配。
以上四部分是位置随动系统的基本组成中不可
缺少的，只是在所采用的具体元件装置上有所 不同而已，例如可以采用不同的位置检测器、 直流或交流伺服电动机等。
由图4.1.1可见，当转角给定 *m 和反馈 m 相等时，偏差
（2）电压比较放大器
由放大器A1 、A2组成，其中放大器A1仅起倒 相作用，A2则起电压比较和放大作用，其输 出信号作为下一级功率放大器的控制信号，并 具备鉴别电压极性（正反相位）的能力。
（3）可逆功率放大器 功率放大由晶闸管或大功率晶体管组成整流 电路，由它输出一个足以驱动伺服SM的电 压。
（4）执行机构
下面通过一个简单的例子来说明位置随动系统 的基本组成，其原理图如图4.1.1所示，这是 一个电位器式位置随动系统，用来实现对雷达 天线的跟踪控制。
系统组成：
（1）位置检测器
由电位器RP1和RP2组成，其中电位器RP1 的转动轴与手轮相连，作为转角给定；电位 器RP2的转动轴通过机械连杆机构与负载部 件（雷达天线）相连，作为转角反馈。两个 电位器由同一个直流电源Us供电。
另从图4.1.1可以看出，位置环是位置随动系统的主要 结构特征。因此，随动系统在结构上往往比传动系统复 杂一些。
4.2 位置信号检测装置
位置随动系统与传动系统的主要区别就在于信 号的检测。由于位置随动系统要控制的量多数 是直线位移或角位移，组成位置环时必须通过 检测装置将它们转换成一定形式的电量，这就 需要位移检测装置。位置随动系统中常用的位 移检测装置有自整角机、旋转变压器、感应同 步器、光电编码盘、磁尺等，下面分别予以介 绍。
m *m m 0 ，电位器输出U*=U，电压放大器输出 U0=0，功率放大器输出Ud=0，电动机转速n=0，系统
处于静止状态。
转动手轮使
* m
增大， m
0
，则U*>U，U0>0，Ud>0，
n>0，经减速器带动雷达天线转动，天线通过机械连杆
带动RP2转动，使 m 也增大。只要 m *m ，电机带动天 线朝减小偏差的方向转动，当m *m ，m 0 ，U0=0， Ud=0， n=0 ，系统处于新的稳定状态。
单相自整角机的结构和工作原理。
图4.2.1为单相自整角机的结构原理图。它具有 一个单相励磁绕组和一个三相整步绕组。单相 励磁绕组安装在转子上，通过两个滑环引入交 流励磁电流，励磁磁极通常做成隐极式（图中 为了表示方便画成磁极），可使输入阻抗不随 转子位置而变化。整步绕组是三相绕组，一般 为分布绕组，安装在定子上，它们在空间彼此 相隔120O，并接成Y形。
来衡量。函数误差表示输出电压波形和正弦曲 线间的最大差值与电压幅值kUf 之比，旋转变 压器的精度等级为0、1、2、3级，函数误差 通常在±0.05%-0.34%之间；零位误差表示理
论上的零位与实际电压最小值位置之差，通常 在3‘-8'之间。由以上数据可见，旋转变压器的
精度高于自整角机。因此，在高精度位置随动 系统中常用它作为测角元件。
4.2.2 旋转变压器（BR）
旋转变压器是一种特制的两相旋转电动机，由 定子和转子两部分组成。在定子和转子上各有 两套在空间正交的绕组。当转子旋转时，定、 转子绕组间的相对位置随之变化，使输出电压 与转子转角呈一定的函数关系。在不同的自动 控制系统中，旋转变压器有多种类型和用途， 在随动系统中主要用作角度传感器。
4.2.1自整角机（BS）
自整角机是角位移传感器，在系统中是成对使用的。与 指令轴相联的称发送机，与执行轴相联的称接收机。 按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式 自整角机两类。 力矩式自整角机可不经中间放大环节，直接传递转角信 息，使相距甚远而又无机械联系的两轴能同步旋转。力 矩式自整角机的负载一般为仪表指针，属于微功率同步 旋转系统。 对功率较大的负载，力矩式自整角机带动不了，可采用 控制式自整角机，其输出电压通过中间放大环节带动负 载，组成自整角机随动系统。
直线式感应同步器由两个感应耦合元件组成。一次侧称为滑 尺，二次侧称为定尺，定尺和滑尺相当于旋转变压器的定子 和转子。不同的是它们是面对面的平行安装。在通常情况 下，定尺安装在机床床身或其他固定部件上；滑尺则安装在 机床的工作台或其他运动部件上，它们之间只有很小的气隙 （0.25±0.05mm），可作相对移动。定尺上用印刷电路的方 法刻着一套绕组，相当于旋转变压器的输出绕组。滑尺上则 刻着两套绕组，一套叫正弦绕组，另一套叫余弦绕组。当其 中一个绕组与定子绕组对正时，另一个绕组就相差1/4节距， 即相差90o电角度，说明这两个绕组在平面上时正交的，如 图4.2.6所示。
sin(t
) cos(120o
1 )
iw
kbsU fm Z
sin(t
) cos(120o
1 )
式中，Z为发送机与接收机定子各相绕组阻抗之和；
Z=R+jX，R为发送机与接收机定子每相绕组电阻之和，
X为发送机与接收机定子每相绕组电抗之和。
当交流电流iu、iv、iw流入接收机定子绕组后， 三个定子绕组就成为励磁绕组，在三相绕组轴 线方向上磁动势分别为：
如果
* m
减小，则系统运动方向将和上述情况相反。
可见，随动系统和传动系统一样，都是通过系统输出量 和给定量进行比较，组成闭环控制，因此两者的控制原 理是相同的。
传动系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何， 都希望输出量能够稳定，因此系统的抗干扰性能往往显 得十分重要。而位置随动系统中的位置指令是经常变化 的，是一个随机变量，要求输出量能准确跟踪给定量的 变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随 动系统的主要特征。即系统的跟踪性能成了主要指标。
由式(4.2.1)可以看出：
①自整角机输出电压 ubs 是转角差的余弦函数，
当1 2 时，cos(1 2 ) 1，|Ubs|最大；
② ubs 为单相交流电压，在时间上比发送机转子 上的励磁电压 u f 领先(90 0 ) 。
但是，第①条的关系在实用上不太方便。首先， 当转角差Δθ=θ1-θ2为零时，输出电压幅值却 最大。随着转差角的增加，输出电压反而减小。 而在控制系统中的实际使用中，通常希望转差 角Δθ为零时，输出电压也应为零；而当θ2大 于θ1时，即转差角Δθ为负时，Ubs的相位能反 映转差角的极性。
= Ubsmsin(ωt-ψ+90o)sin(θ1-θ2')
也可写成
Ubs =UbsmsinΔθsin (ωt-ψ+90o) 式中 Δθ--失调角，Δθ=θ1-θ2'。 这样，当失调角为零时，输出电压也为0，正好符合实际 需要。同时可以看出，输出电压Ubs的幅值与发送机或 接收机本身的绝对位置无关，只与其相对的失调角Δθ 的正弦成正比。 自整角机分为1、2、3三种精度等级，其最大误差在 0.25o～0.75o之间。
由于Ubs不能反映Δθ的极性，故在以发送机定子绕组A1 相轴线作为发送机的零位时，将接收机转子绕组预先转过 90o，并以与定子A2相绕组轴线垂直的位置改做接收机的 零位，如图4.2.3所示。 θ1=0为发送机零位，θ2‘=0为 接收机零位，则接收机原来的θ2=θ2‘+90o，将其代入式 （4.2.1） 则Ubs = Ubsmsin(ωt-ψ+90o)cos(θ1-θ2'-90o)
4.2.3 感应同步器(BIS)
感应同步器是一种感应式角度或位移检测元件， 分为旋转式（圆盘式）和直线式两种。旋转式 感应同步器由定子和转子组成，直线式感应同 步器由定尺和滑尺组成。前者用于角度测量， 后者用于长度测量，其工作原理与旋转变压器 相似，实际上是一种无铁芯的具有印刷绕组的 平面型多极旋转变压器。下面仅对使用较多的 直线式感应同步器作一介绍。
图4.2.4旋转变压器的原理图。两个定子绕组 S1和S2分别由两个幅值相等、相位差90O的正 弦交流电压u1 、u2励磁，即
u1(t)=Umsinω0t u2(t)=Umcosω0t
为了保证旋转变压器的测角精度，要求两相励磁
电流严格平衡，即大小相等，相位差90o，在气 隙中产生圆形旋转磁场。转子绕组R1中产生的 感应电压为：
则接收机转子绕组轴线上的合成磁动势为：
F2
F2u '
F2v '
'
F2w
F sin(t )[cos1 cos2 cos(1200 1 ) cos(1200 2 )
cos(1200 1 ) cos(1200 2 )]
1.5F sin(t ) cos(1 2 )
接收机转子绕组中感应的电压 ubs 为 ubs U bsm sin(t 90 0 ) cos(1 2 ) (4.2.1) 式中， U bsm 为输出电压最大值。
控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。 使用时，将两台自整角机的定子绕组出线端用 三根导线连接起来，发送机BST转子绕组接单 相交流励磁电源，而接收机转子绕组输出时反 映角位移的信号，如图4.2.2所示。该发送机的 单相交流励磁电压Uf的表达式为：
u f (t) U fm sin t
在定子三个绕组中产生感应电动势为：
F2u F sin(t ) cos1
F2v F sin(t ) cos(120 0 1 )
F2w F sin(t ) cos(120 0 1 )
这三个磁动势在转子绕组轴线上分别产生三个 磁动势分量：
F2u ' F2u cos2
F2v' F2v cos(1200 1)
F2w' F2w cos(1200 1)
把这个调相电压作为反馈信号，可以构成相位 控制随动系统。
如果要检测给定轴和执行轴的转角差，可以和
自整角机一样，采用一对旋转变压器，与给定 轴相连的是旋转变压发送器BRT，与执行轴相 连的是旋转变压接收器BRR。接线方法如图 4.2.5所示。
在发送器任一转子绕组（如R2t）上施加交流励磁电 压uf，另一个绕组短接或接到一定的电阻上起补偿作 用。励磁磁通Φf沿发送器定子绕组S1t和S2t方向的分 量Φf1和Φf2在绕组中感应电动势，产生电流，流入接 收机定子绕组S1r和 S2r。这两个电流又在接收器中产 生相应的磁通Φr1和Φr2 ，其合成磁通为Φr 。如果两 个旋转变压器转子位置一致，则磁通Φr与接收器转子 绕组R2r 平行，在R2r中感应的电动势最大，输出电压 ubr也将最大。当R2r与Φr方向存在转角差Δθ时，输出 电压与cosΔθ成正比，此时输出为调幅波，电压幅值 为：
e1u kbsU fm sin t cos1
e1u kbsU fm sint cos(1200 1) e1u kbsU fm sint cos(1200 1) 式中，kbs比例系数，与匝数比等参量有关。
图4.2.2中的三个电流分别为：
iu
kbsU fm Z
sin(t ) cos1
iv
kbsU fm Z
第4章 位置随动系统
4.1 概述
位置随动系统就是实现执行机构对位置指令（给定 量）的准确跟踪，例如机械加工方面的仿型机床的 加工轨迹控制；轧钢厂的轧钢机压下装置的定位控 制和飞剪的定尺剪切；雷达天线的跟踪控制以及舰 艇稳定平台控制等等。位置随动系统的被控量（输 出量）一般与位置指令一样，都是空间位移，可以 是角位移，也可以是直线位移。所以位置随动系统 必定是一个位置反馈控制系统。
ubr(t) =m[u1(t)cosθ+u2(t)sinθ]
=mUmsin(ω0t+θ)
(4.2.2)
式中, m为转子绕组与定子绕组的有效匝数比， 忽略阻抗压降。转子绕组R2可以不用。从式 （4.2.2）可以看出，旋转变压器输出电压ubr 的幅值不随转角θ变化，而其相位却与θ相等， 因此可以把它看作式一个角度-相位变换器。
Ubr =kUf cosΔθ
式中，k为旋转变压接收器与发送器间的变化。 安装时，若预先把接收器转子转动90o，则输出 电压幅值可改写为：
Ubr = kUf cos(Δθ-90o) = kUf sinΔθ
(4.2.3)
这样，Ubr可以反映转角差的极性和自整角机的 输出wenku.baidu.com压具有相似的关系式。
旋转变压器的精度主要由函数误差和零位误差