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第九章位置随动系统 引言——位置随动系统概述 位置随动系统的组成与工作原理 位置随动系统的主要部件 位置随动系统的性能分析 位置随动系统实例读图分析* 9.1 引言——位置随动系统概述 位置随动系统的概念 位置随动系统又称为随动系统或伺服系统。它主要解决有一定精度的位置跟随问题，如数控机床的刀具给进和工作台的定位控制，工业机器人的工作动作，工来自动导引的运动，车防上的雷达跟踪、导弹制导、火炮瞄准等。在现代计算机集成制造系统（CIMC）、柔性制造系统（FMS）等领域，位置随动系统得到越来越广泛的应用。 位置随动系统的组成 位置随动系统有开环控制系统，如由单片机控制、步进电动机驱动的位置随动系统，以前开环控制精度较低，如今已有精度相当高(10000step/r以上)的步进随动系统。 在跟随精度要求较高、而且驱动力矩又较大的场合，多采用闭环控制系统，它们多采用直流(或交流)伺服电动机驱动。典型的位置随动系统的组成如图9-1所示。 位置随动系统的特点 位置随动系统与调速系统比较，有下面一些特点： 输出量为位移，而不是转速。 输入量是在不断变化着的(而不是恒量)，它主要是要求输出量能按一定精度跟随输入量的变化。而调速系统则主要是要求系统能抑制负载扰动对转速的影响。 供电电路应是可逆电路，使伺服电动机可以正、反两个方向转动，以消正或负的位置偏差。而调速系统可以有不可逆系统。 位置随动系统的主环为位置环，调速系统的主环为速度环。 位置随动系统的技术指标，主要是对单位斜坡输入信号的跟随精度(稳态的和动态的)，其他还有最大跟踪速度、最大跟踪加速度等。 9.2 位置随动系统的主要部件 位置随动系统的主要部件一般都有： 线位移检测元件（同步感应器） 角位移检测元件 直流伺服电机或交流伺服电机 线位移检测元件——同步感应器 角位移检测元件——圆盘式感应同步器 角位移检测元件——光电编码盘 直流伺服电动机 伺服电动机与一般电动机的差别 电动机惯量小，电动机灵敏，空载始动电压低； 线性的机械特性和调节特性； 宽广的调速范围； 有很强的过载能力； 很强的刚性，不易产生振动。 直流伺服电动机的结构特点 由于上述的要求，因此直流伺服电动机与普通直流电动机相比，其电枢形状较细较长(惯量小)，磁极与电枢间的气隙较小，加工精度与机械配合要求高，铁心材料好。 直流伺服电动机按照其励磁方式的不同，又可分为电磁式(即他励式)(型号为SZ)，(见图9-7a)和永磁式(即其磁极为永久磁钢)(型号为SY)(见图9－b)。 直流伺服电动机的工作原理与工作特性 直流伺服电动机的工作原理与他励直流电动机相同。 由以上分析可见，直流电动机的机械特性和调节特性均为直线(当然，这里未计及摩擦阻力等非线性因素，因此实际曲线还是略有弯曲的)，而且调节的范围也比较宽(可达6000以上)，加上，调速控制平滑，起动转矩大，运行效率高等优点，因此在高精度的自动控制系统中(如数控机床，机器人精密驱动，军用雷达天线驱动，天文望远镜驱动以及火炮、导弹发射架驱动等快速高精度伺服系统中)获得广泛的应用。直流伺服电动机的数学模型与他励直流电动机相同，如图3－21所示。 交流伺服电动机的基本结构、工作原理和工作特性 交流伺服电动机的结构特点 交流伺服电动机也是自动控制系统中一种常用的执行元件。它实质上是一个两相感应电动机。它的定子装有两个在空间上相差90°的绕组：励磁绕组A和控制绕组B。运行时，励磁绕组A始终加上一定的交流励磁电压(其频率通常有50Hz或400Hz等几种)；控制绕组B则接上交流控制电压。常用的一种控制方式是在励磁回路串接电容C(见图9－9)，这样控制电压在相位上(亦即在时间上)与励磁电压相差90°电角度。 交流伺服电动机的工作原理 当定子的两个在空间上相差90°的绕组(励磁绕组和控制绕组)里，通以在时间上相差90°电角度的电流时，两个绕组产生的综合磁场是一个强度不均匀的旋转磁场。与三相异步电动机的工作原理一样，在此旋转磁场的作用下，转子导体相对地切割着磁力线，产生感应电动势，由于转子导体为闭合回路，因而形成感应电流。此电流在磁场作用下，产生电磁力，构成电磁转矩，使伺服电动机转动，其转动方向与旋转磁场的转向一致。分析表明，增大控制电压，将使伺服电动机的转速增加；改变控制电压极性，将使旋转磁场反向，从而导致伺服电机反转。 机械特性 　如前所述，电动机的机械特性是控制电压不变时，转速与转矩间的关系。由于交流伺服电动机的转子电阻较大，因此它的机械特性为一略带弯曲的下垂斜线。即当电动机转矩增大时，其转速将下降。对于不同的控制电压，它为一簇略带弯曲的下垂斜线，见图9－11a。由图可见，在低速时，它们近似为一簇直线，而交流伺服电动机较