位置随动系统的优化设计与实现
（基于自整角机的小功率随动系统设计与分析）
1、 位置随动系统的简介
1.1 随动系统的结构原理
　　位置随动系统是一种位置反馈控制系统，因此，一定具有位置指令和位置反馈的检测装置，通过位置指令装置将希望的位移转换成具有一定精度的电量，利用位置反馈装置随时检测出被控机械的实际位移，也把它转换成具有一定精度的电量，与指令进行比较，把比较得到的偏差信号放大以后，控制执行电机向消除偏差的方向旋转，直到达到一定的精度为止。这样，被控制机械的实际位置就能跟随指令变化，构成一个位置随动系统。
下面我们结合实际，介绍一个位置随动系统的一般工作过程。原理图如图1所示
图1 位置随动系统原理框图
　　工作过程：因为系统存在惯性，当输入X(t)变化时，输出Y(t)难以立即复现，此时Y(t)≠X(t)，即：e(t)= Y(t)―X(t)≠0，--测量元件将偏差e(t)转换成电压输出--经小信号放大器放大，功率放大器--执行电机转动--减速器--使被控对象朝着消除误差的方向运动，只要X(t)≠Y(t)，就有e(t)≠0，执行电机就会转动，一直到偏差e(t)=0，执行电机停止转动，此时系统实现了输出量Y(t)对输入量X(t)的复现。当X(t)随时间变化时，Y(t) 就跟着X(t)作同样变化，这种现象就称为随动
随动系统又称为伺服系统，它所要解决的是未知的自动跟踪问题。随动系统无论是在国防上还是在自动化生产上应用极为广泛，比如火炮的跟踪瞄准、光电跟踪仪的目标跟踪等等；在轧钢机械、仿真机床、数控机床、工业机器人、自动火炮及雷达天线等应用领域都要求有较高的定位或轨迹控制。必须采用位置反馈的方法，是受控对象的实际位置始终准确地跟踪指令位置的变化，组成一个位置随动系统。随动系统是典型的机电产品,除控制精度外,还和机械结构、传动精度等有密不可分的关系。
位置随动系统是应用非常广泛的一类系统 ,主要实现执行机构对位置指令的准确跟踪，被控制量一般是负载的空间位移 ,当位置指令随机变化时 ,系统能使被控制量准确无误地跟随 。
1.2 位置随动系统的分类
　　随着科学技术的发展，出现了各种类型的随动系统。由于位置随动系统的基本特征体现在位置环上，体现在位置给定信号和位置反馈信号及两个信号的综合比较方面，因此可根据这个特征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，另一类是数字式随动系统。
　　模拟式随动系统的各种参量都是连续变化的模拟量，其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。负载是雷达天线的模拟式位置随动系统的原理图见图2，一般是在调速系统的基础上外加一个位置环组成，它是最常见的。
图2 模拟式随动系统原理框图
　　由于模拟式检测装置的精度收到制造上的限制，不可能做的很高，从而影响了整个模拟式随动系统的精度。若生产机械要求进一步提高控制精度，则必须采用数字式随动系统。这类系统中，一般仍可采用模拟的电流环和速度环以保证系统的快速响应，但位置环是数字式的。数字式随动系统的基本类型有以下三种：
　　首先介绍数字式相位控制随动系统，如图3所示。这是数控机床上广泛采用的一种随动系统，实质上是一个相位闭环（又称锁相环）的反馈控制系统。其位置环由数字相位给定，数字相位反馈和数字相位比较三个部分组成，即图3中的数字给定、位置检测和鉴相器三个部件。图3中为给定信号，为反馈信号。
图3 数字式相位控制随动系统原理框图
　　在模拟随动系统中位置调节器为校正装置 ,其作用是保证系统的稳定及动态品质。常用的校正方式有串、并联校正。本研究选PID控制器作为调节器校正 。校正环节是为了改善系统的动、静态性能而设置的。
2 、随动系统的典型部件
　　位置随动系统在信号的检测与转换，功率放大及采用的执行机构等方面都有自己的特点，下面做一些介绍。
2.1 检测元件
位置随动系统的被控量一般为直线或角位移。由于随动系统的用途不一，精度要求不一，选用的检测装置也应有不同。常用的检测元件有伺服电位器，自整角机，旋转变压器和感应同步器等。虽然伺服电位器具有线路简单、惯性小、电源简单等优点，但是由于其检测范围有限（小于360度）且通常为线绕式电位器，输出信号不平滑，易接触不良，故一般应用于精度较低的系统，所以本设计的检测元件用的是自整角机，那么在这里只介绍自整角机的结构和工作原理。
2.1.1 自整角机
自整角机是一种感应式机电元件，可以把它看成是二次侧可以自由旋转的变压器。它广泛应用于随动系统中，作为角度或角度偏差的检测、传输和指示装置。在随动系统中，通常将两个或者两个以上的自整角机组合使用，在电路上互有联系，在机械上各自独立，但各电机的转轴又能保持相同的转角变化或同步旋转。自整角机的上述特性称为自整步特性。在系统中产生和发出角度位置信号的自整角机成为自整角发送机，接收并跟随动作的自整角机称为自整角接收机。
　　本次课程设计中采用的是控制式自整角机，原理图见图4
图4 控制式自整角机工作原理图
　　实际使用时，一般将两台自整角机定子绕组
　　相应出线端、、，与、、用导线相连，发送机转子绕组上加一激磁电压。当发送机在零位并施加激磁电压后，产生的脉动磁通将在发送机三个定子绕组中分别感应出在时间上相同，大小与在各定子绕组轴线的分量成正比的电动势
　　　　　　　　　　　　　　
（式1）

如果发送机转子顺时针转过发送机定子三个绕组的感应电动势分别为

（式2）

　　这三个感应电动势将在发送机和接收机定子回路中产生电流。由于三个回路阻抗均衡，三路电流时间上仍相同，仅幅值不同。它们流入接收机定子绕组后，在三个定子绕组轴线位置上产生脉动磁场。三个磁通在接收机转子轴线上的合成磁通为，它在转子绕组中产生感应电动势.
　　当接收机转子处于零位时，可推出
（式3）
式中 是感应电势最大值，是时间上的滞后角。
　　如果接收机转子也顺时针转了，则
　　
（式4）

　　式中 ，分别为发送机与接收机的角差和接收机转子感应电动势在时间上的幅值。
　　可以看出不仅反映了角差信号的大小，而且反应了的极性，即能鉴别和的领先于滞后关系。这一点很重要，位置检测装置必须具有此性能，才能保证随动系统的执行电机能够向着消除偏差的方向运动。由于式3中的含有这一正弦交变项，使得又难以准确反映的极性。必须通过相敏整流电路，才能正常工作。
2.2 相敏整流器（放大器）的功能及传递函数
　　前已经分析，自整角机的输出信号是交流信号，一般可设为
（式5）
式中 --比例系数；
--给定角位移与反馈角位移之差值；
--交流激磁电压角频率。
　　当时，，则得近似式：
（式6）
　　按式6，输出信号中的幅值能反映大小与极性，但整个输出信号是一个交流信号，需要转换成直流信号，才能用于随动系统。只有这样的直流信号引入控制，才能保证随动系统的执行电机向着消除偏差的方向运动。相敏整流器的功能就是将交流电压换为与之成正比的直流电压，并使它的极性与输入的交流电

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