电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt4-3位置随动系统

电力拖动自动控制系统电力传动控制系统111.位置随动系统的主要组成部件及其工作原理；2.位置随动系统的分类；3.位置信号的检测装置分类；4.位置随动系统与调速系统的比较，位置随动系统自身性能指标的特色；5.典型位置信号检测装置的工作原理。重点、难点：1.位置随动系统与调速系统的比较，位置随动系统自身性能指标的特色；2.典型位置信号检测装置的工作原理。4.2位置随动系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统22位置随动系统的被控制量是负载机械的线位移或角位移，当位置给定量任意变化时，要求输出量快速而准确地复现给定量的变化。广义的随动系统输出量可以是其他物理量，只要是“输出量快速而准确地复现给定量”，就叫做随动系统。随动系统又称“伺服系统”。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统33一.位置随动系统的具体应用例如1:轧钢机压下装置的控制，在轧制钢材的过程中，必须使上下两根轧辊之间的距离能按工艺要求进行自动调整；例如2:数控机床的加工轨迹控制和仿形机床的跟踪控制；例如3:轮船上的自动操舵装置能使位于船体尾部的舵叶的偏转角模仿复制位于驾驶室的操舵手轮偏转角，以便按照航行要求来操纵船舶的航向；例如4:火炮群跟踪雷达天线或电子望远镜以瞄准目标的控制。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统44二.位置随动系统的主要组成部件及其工作原理这是个电位器式位置随动系统，可用来实现雷达天线的跟踪控制电力拖动自动控制系统电力传动控制系统55(1)位置检测器由电位器RP1和RP2组成，其中RP1转轴与手轮相连。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统66（2）电压比较放大器输出信号为下一级控制信号。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统77〔3)可逆功率放大器输出驱动电动机的电压。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统88(4)执行机构永磁式直流伺服电动机SM作为带动负载运动的执行机构。(5)减速器一般情况下负载的转速时很低的，在点击和负载之间需要设置减速器。……电力拖动自动控制系统电力传动控制系统99三.位置随动系统与调速系统的比较位置随动系统的主要特征如下：(1)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；(2)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；(3)电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的；(4)控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1010三.位置随动系统与调速系统的比较◆随动系统和调速系统一样都是反馈控制系统，通过对系统的输出量和给定量进行比较，组成闭环控制。◆调速系统的给定量是恒值，受外界扰动时，希望输出量能够稳定，系统的抗扰性能很重要。◆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，要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性是位置随动系统的主要特证（系统的跟随性能）是主要指标。总起来看，稳态精度和动态稳定性是两种系统都必须具备的，但在动态性能中，调速系统多强调抗扰性，而位置随动系统则更强调快速跟随性能。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1111四、位置随动系统的分类根据位置环的不同分两个类型：◆模拟式随动系统（位置检测器可用电位器、自整角机、旋转变压器、感应同步器等）◆数字式随动系统（位置检测器可用感应同步器、光电编码器等）电力拖动自动控制系统电力传动控制系统12121.模拟式其各种参量都是连续变化的模拟量在调速系统的基础上外加—个位置环组成。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统13132.数字式随动系统◆数字式相位控制随动系统◆数字式脉冲控制随动系统◆数字式编码控制随动系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1414◆数字式相位控制随动系统数控机床上用相位闭环（锁相环）的反馈控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1515◆数字式脉冲控制随动系统数字给定信号是指令脉冲数D*，作为位置检测用的光栅则发出位置反馈脉冲数D，它们分别进入可逆计数器的加法端和减法端。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1616◆数字式脉冲控制随动系统经运算后得到脉冲的误差量。误差信号经数模转换后，作为速度控制器的给定信号，再经功率放大，使电机和机床工作台向消除偏差的方向运动。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1717◆数字式编码控制随动系统给定量是二进制数字码信号。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1818◆数字式编码控制随动系统检测元件是光电编码盘或其它数字反馈发送器，借助于转换电路得到二进制码信号，二者联合构成“角度——数码”转换器或“线位移——数码”转换器。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1919五.位置传感器位置随动系统与调速系统的区别在于信号的检测。位置随动系统要控制的量一般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、光电编码盘等。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统20201、自整角机（BS)由合成磁动势在接收机铁心中产生合成磁通Φ2，然后在接收机转子绕组中感应出电压ubs,这个电压在时间上领先磁通Φ290°，于是电力拖动自动控制系统电力传动控制系统21212、旋转变压器(BR)旋转变压器实际上是一种特制的两相旋转电机，定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统22222、旋转变压器(BR)当转子旋转时，定、转子绕组间的相对体置随之变化，使输出电压与转子转角呈一定的函数关系：电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2323旋转变压器构成的角差测量装置电力拖动自动控制系统电力传动控制系统24243、感应同步器(BIS)具有两种结构形式：◆用来测角位移-圆形感应同步器;◆测直线位移-直线式感应同步器。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2525电力拖动自动控制系统电力传动控制系统26264、光电编码盘（绝对值式）光电编码器可直接将角位移信号转换成数字信号，它是一种直接编码装置。见角编码器原理电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2727①二进制码盘在二进制码盘中，码道从外到里按二进制刻制，外层为最低位，里层为最高依，上图a所示，轴位置与数码的对照表见表4—2。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2828①二进制码盘二进制码在转动时，可能出现两位以上的数字同时改变，导致“粗大误差”的产生。例如，当数码由0111(即十进制7)变到1000(即十进制8)时，内于光电管排列不齐或特性不一致，有可能产生高位偏移，本来是1000的数，读成了0000，误差达到8，这就是“粗大误差’：为了克服这一缺点，可改用双排光电管组成双读出端，对进位和不进位的情况实行“选读”。这样虽可消除“粗大误差”，但结构和电路却要复杂得多。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2929为了从根本上消除“粗大误差”，可用循环码码盘，又称格雷码盘。其特点是在相邻的两个码道之间只有一个码发生变化，因而当读数改变时，只可能有一个光电管处于交界上，如图所示。②循环码码盘见绝对式光码盘电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3030和光电编码器一样，磁性编码器也是由位移量变换成数字式电脉冲信号的传感器，近年来发展相当迅速，已有磁敏电阻式、励磁磁环式、霍尔元件式等多种类型。与光电编码器相比，磁性编码器的突出优点是：适应环境能力强，不怕灰尘、油污和水露，结构简单，坚固耐用，响应速度快，寿命长；不足之处是制成高分辨率有一定困难。磁性编码器也可做成增量式或绝对值式，在数字随动系统中有很好的应用前景。5．磁性编码器电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3131六、随动系统的控制方案1.位置、转速、电流三环控制系统2.单位置环随动系统3.复合控制随动系统——反馈控制加前馈控制见电感传感器在仿型机床中的应用电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3232电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3333作业：4-44-6电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3434参考资料：补充：电动机的单片机控制电力拖动自动控制系统电力传动控制系统35351.单片机控制的不可逆PWM系统在这个系统中，通过单片机的PWM口产生PWM信号，来控制直流电动机的转速。在直流电动机的轴上，安装一个直流测速发电机，用来测量直流电动机的转速，并将测速信号通过单片机内部的A／D转换器进行A／D转换。单片机通过软件将测速信号与给定转速进行比较，来决定加减速控制，从而形成一个直流电动机的闭环调速系统。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3636图4-1单片机控制的不可逆PWM系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统37372.采用专用直流电动机驱动芯片LMDl8200实现双极性控制单片机的专用PWM口发出的PWM信号波没有死区设置功能,因此必须外接能产生死区功能的芯片。一种方式是采用专用PWM信号发生器集成电路，如SGl731、UC3637等。（这些芯片都有PWM波发生电路、死区电路、保护电路，它们大多采用模拟电压控制。如果使用单片机控制、必须先通过D／A转换。）另一种方式仍使用单片机的PWM口，外接含有死区功能和驱动功能的专用集成电路。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3838介绍典型芯片LMDl8200的性能和应用:有11个引脚采用T-220封装,功能如下:①额定电流3A,峰值电流6A,电源电压55V；②额定输出电流2A,输出电压30V；③可通过输入的PWM信号实现PWM控制；④可通过输入的方向控制信号实现转向控制;⑤可以接受TTL或CMOS以及与它们兼容的输入控制信号;⑥可以实现直流电动机的双极性和单极性控制；⑦内设过热报警输出和自动关断保护电路；⑧内设防桥臂直通的电路。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3939LMDl82000原理图电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4040(a)是单极性驱动方式。在这种方式中，PWM控制信号是通过引脚5输入的，而转向信号则通过引脚3输入，这一点与双极性驱动方式不同，请注意区分。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4141(b)是双极性驱动方式。在这种方式中，PWM控制信号是通过引脚3输入的。根据PWM控制信号的占空比来决定直流电动机的转速和转向。▲当占空比为50％时，由于输出平均电压U0为0，电动机不转。▲当占空比大于50％时，平均电压U0大于0，电动机正转。▲当占空比小于50％时，平均电压U0小于0，电动机反转。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4242(c)是C8051单片机与LMDl8200接口的例子，它们组成了一个双极性驱动直流电动机的开环控制电路。在这个电路中，C8051单片机发出PWM控制信号，通过光电耦合器4N25与LMD18200的引脚3相连，其目的是隔离,以避免LMDl8200的驱动电路对控制信号的干扰。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统43433.LM629芯片在直流电机控制上的应用LM629是美国国家半导体公司生产的产品。它是全数字式控制的专用运动控制处理器。通过一片单片机、LM629、功率驱动器、直流电动机、增量式光电编码盘就可以构成一个伺服系统。LM629N是NMOS结构，采用28引脚双列直插式封装，使用6MHz或8MHz时钟频率和5V电源工作。它有如下功能：①内部有32位的位置、速度和加速度寄存器;②16位可编程数字PID控制器；③可编程微分项采样时间间隔；④8位分辨字的PWM输出；⑤内部梯形速度图发生器；⑥可以进行位置和速度控制；⑦速度、位置和数字PID控制器参数可以在控制过程中改变；⑧实时可编程中断；⑨可对增量式光电编码盘的输出进行4倍频处理和信号处理。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4444电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4545LM629的梯形速度图发生器用于计算所需的梯形速度分布图。▲在位置控制方式时，单片机送来加速度、最高转速、最终位置数据，LM629利用这些数据计算运行轨迹，如图(a)所示。▲在电动机运行时，上述参数允许更改，产生如图(b)所示的轨迹。▲在速度控制方式时，电动