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電力拖動自動控制系統(tǒng)演示文稿廣師目前一頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)廣師優(yōu)選電力拖動自動控制系統(tǒng)目前二頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
5-1位置隨動系統(tǒng)概述
一、位置隨動系統(tǒng)的應(yīng)用它的根本任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對位置指令(給定量)的準(zhǔn)確跟蹤,被控制量(輸出量)一般是負(fù)截的空間位移,當(dāng)給定量隨機(jī)變化時(shí),系統(tǒng)能使被控制量準(zhǔn)確無誤地跟隨并復(fù)現(xiàn)給定量。 位置隨機(jī)系統(tǒng)中的位置指令(給定量)和被控制量一樣也是位移(或代表位移的電量),當(dāng)然可以是角位移,也可以是直線位移,所以位置隨動系統(tǒng)必定是一個(gè)位置反饋控制系統(tǒng)。
目前三頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
位置隨動系統(tǒng)的基本組成,其原理圖如圖5-1所示。這是一個(gè)電位器式位置隨動系統(tǒng),用來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的跟蹤控制。這個(gè)系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成:(1)位置檢測器(2)電壓比較放大器(3)可逆功率放大器(4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
二、位置隨動系統(tǒng)的組成及原理目前四頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)(1)位置檢測器
由電位器RP1和RP2組成位置(角度)檢測器,其中電位器RP1的轉(zhuǎn)軸與手輪相連,作為轉(zhuǎn)角給定,電位器RP2的轉(zhuǎn)軸通過機(jī)械機(jī)構(gòu)與負(fù)載部件相連接,作為轉(zhuǎn)角反饋,兩個(gè)電位器均由同一個(gè)直流電源供電,這樣可將位置直接轉(zhuǎn)換成電量輸出。
目前五頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
(2)電壓比較放大器
由放大器1A、2A組成,其中放大器1A僅起倒相作用,2A則起電壓比較和放大作用,其輸出信號作為下一級功率放大器的控制信號,并具備鑒別電壓極性(正反相位)的能力。
目前六頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)(3)可逆功率放大器
為了推動隨動系統(tǒng)的執(zhí)行電動機(jī),只有電壓放大是不夠的,還必須有功率放大,功率放大由晶閘管或大功率晶體管組成整流電路,由它輸出一個(gè)足以驅(qū)動電動機(jī)SM的電壓。
目前七頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)(4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
永磁式直流伺服電動機(jī)SM作為帶動負(fù)載運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu),這個(gè)系統(tǒng)中的雷達(dá)天線即為負(fù)載,電動機(jī)到負(fù)載之間還得通過減速器來匹配。
目前八頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
三、位置隨動系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)的比較 隨動系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)一樣都是反饋控制系統(tǒng),即通過對系統(tǒng)的輸出量和組定量時(shí)行比較,組成閉環(huán)控制,因此兩者的控制原理是相同的。 調(diào)速系統(tǒng)的給定量是恒值,不管外界擾動情況如何,希望輸出能夠穩(wěn)定,因此系統(tǒng)的抗性能往往顯得十分重要。而位置隨動系統(tǒng)中的位置指令是經(jīng)常變化的,是一個(gè)隨機(jī)變量,要求輸出里準(zhǔn)確跟定量的變化,輸出響應(yīng)的快速性、靈活性、準(zhǔn)確性成了位置隨動系統(tǒng)的主要特征。也就是說,系統(tǒng)的跟隨性能成了主要指標(biāo)。 隨動系統(tǒng)可以在調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)位置環(huán),位置環(huán)是位置隨動系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)物征。因此,隨動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上往往要比調(diào)速系統(tǒng)復(fù)雜一些。目前九頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
四、位置隨動系統(tǒng)的分類 由于位置隨機(jī)系統(tǒng)的基本特征體現(xiàn)在位置上,體現(xiàn)在位置給定信號和位置反饋信號及兩個(gè)綜合比較方面,因此可根據(jù)這個(gè)特征將它劃分兩個(gè)類型,一類是模擬式隨動系統(tǒng),另一類是數(shù)字式隨機(jī)系統(tǒng)。 模擬式角位移隨動系統(tǒng)的各種參量都是連續(xù)變化的模擬量,其位置檢測器可用電位器,自整角機(jī),旋轉(zhuǎn)變壓器,感應(yīng)同步器等。一般是在調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上外加一個(gè)位置環(huán)組成。 采用數(shù)學(xué)式檢測裝置來組成數(shù)字式隨動系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中,一般仍可采用模擬的電流環(huán)和速度環(huán)以保證系統(tǒng)的快速響應(yīng),但位置環(huán)是數(shù)字式的。目前十頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)數(shù)字式隨動系統(tǒng)的類型
數(shù)字式相位控制隨動系統(tǒng),如圖5-3所示。這是數(shù)控機(jī)床上廣泛采用的一種隨動系統(tǒng),實(shí)質(zhì)上是一個(gè)相位閉環(huán)(又稱鎖相環(huán))的反饋控制系統(tǒng)。其位置環(huán)由數(shù)字相位給定、數(shù)字相位反饋和數(shù)字相位比較三個(gè)部分組成,即圖5-3中的數(shù)字給定、位置檢測和鑒相器三個(gè)部件。
目前十一頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
數(shù)字給定裝置的任務(wù)是將數(shù)字指令變換成脈沖的個(gè)數(shù),然后再經(jīng)脈沖相位數(shù)模變換(D/A),即一個(gè)指令脈沖的出現(xiàn)將使春輸出方波電壓的給定相位前移或后移一個(gè)脈沖當(dāng)量,這個(gè)脈沖當(dāng)量可以做得很小,以保證系統(tǒng)有很高的給定精度。
目前十二頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
一系列令指脈沖的出現(xiàn)將使方波電壓的給定相位以一定速度前移或后移,其速度取決于指令脈沖的頻率。位置檢測部件產(chǎn)生相位反饋,其功能是將工作臺的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與給定方波同頻率的方波電壓的相位,可以用感應(yīng)同步器來實(shí)現(xiàn)這樣的位移相位交換,其精度可達(dá),所以其相位能精確反映機(jī)械的實(shí)際位置。
目前十三頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
鑒相器的主要功能是進(jìn)行給定相位和反饋相位的比較,將它們的偏差量轉(zhuǎn)變成模擬量電壓,此模擬量電壓的極性應(yīng)能反映相位差的極性。鑒相器的輸出經(jīng)變換處理后作為速度控制器的給定經(jīng)過功率放大,控制電機(jī)和機(jī)床工作臺向消除偏差的方向移動,因而使不斷地跟蹤,也就可以使工作臺精確地按指令要求運(yùn)動。
目前十四頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)數(shù)字式脈沖控制隨動系統(tǒng)
第二種為數(shù)字式脈沖控制隨動系統(tǒng),其原理框圖如圖5-4所示。在數(shù)字式脈沖控制隨動系統(tǒng)中,數(shù)字給定信號是指令脈沖數(shù)D*,作為位置檢測用的光柵則發(fā)出位置反饋脈沖數(shù)D,它們分別進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器的加法端和減法端。
目前十五頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
經(jīng)運(yùn)算后得到脈沖的誤差量,其中是為了克服后級模擬放大器零漂影響而在計(jì)數(shù)器中預(yù)置的常數(shù)值。此誤差信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后,作為速度控制器的給定信號,再經(jīng)功率放大,便使電機(jī)和機(jī)床工作臺向消除偏差的方向運(yùn)動。由于數(shù)字光柵的精度可以做得很高,從而能保證這種系統(tǒng)獲得很高的控制精度。
目前十六頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)數(shù)字式編碼控制隨動系統(tǒng)
數(shù)字式編碼控制隨動系統(tǒng)的原理圖如圖5-5所示。在這種系統(tǒng)中,給定往往是二進(jìn)制數(shù)字碼信號。檢測元件一般是光電編碼盤或其它數(shù)字反饋發(fā)送器借助于轉(zhuǎn)換電路得到二進(jìn)制碼信號,二者聯(lián)合構(gòu)成“角度——數(shù)碼”轉(zhuǎn)換器或“線位移——數(shù)碼”轉(zhuǎn)換器。它的輸出信號與數(shù)碼信號同時(shí)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較并確定誤差,按一定控制規(guī)律運(yùn)算后(如PID運(yùn)算),構(gòu)成數(shù)字形式的校正信號,再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)變成電壓信號,作為速度控制器的給定。
目前十七頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
§5-2位置信號的檢測 位置隨機(jī)系統(tǒng)的區(qū)別首先在于信號的檢測。由于位置隨機(jī)系統(tǒng)要控制的量多數(shù)是直線位移或上移,組成位置環(huán)時(shí)必須通過檢測裝置將它們轉(zhuǎn)換成一定形式的電量,這就需要位移檢測裝置。位置隨動系統(tǒng)中常用的位移檢測裝置有自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電編碼盤等。
一、自整角機(jī)(BS) 自整角機(jī)是角位移傳感器,在隨動系統(tǒng)中總是成對應(yīng)用的,與指令軸相聯(lián)的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī),與執(zhí)行軸聯(lián)的稱作接收機(jī)。目前十八頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)單相自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理
它具有一個(gè)單相勵(lì)磁繞組及一個(gè)三相整步繞組,單相勵(lì)磁繞組安置在轉(zhuǎn)子上,通過兩個(gè)滑環(huán)引入交流勵(lì)磁電流,勵(lì)磁磁極通常做成隱極式(圖中為了表示方便畫成磁極),這樣可使輸入阻抗不隨轉(zhuǎn)子位置而變化。整步繞組是三相繞組,一般為分布繞組,安置在定子上,它們彼此在空間相隔120o,并接成丫形。
目前十九頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
控制式自整角機(jī)是作為轉(zhuǎn)角電壓變換器用的。使用時(shí),將兩臺自整角機(jī)的定子繞組出線端用三根導(dǎo)線聯(lián)接起來,發(fā)送機(jī)BST轉(zhuǎn)子繞組接單相交流勵(lì)磁電源,而接收機(jī)BSR轉(zhuǎn)子繞組輸出是反映角位移的信號電壓。
目前二十頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)際上是一種特制的兩相旋電機(jī),它有定子和轉(zhuǎn)子兩部分,在定子和轉(zhuǎn)子上各有兩套在空間上完全正交的繞組。當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí),定、轉(zhuǎn)子繞組間的相對位置之變化,使輸出電壓與轉(zhuǎn)子角呈一定的函數(shù)關(guān)系。在不同的自動控制系統(tǒng)中,旋轉(zhuǎn)變壓器有多種類型和用途,在隨動系統(tǒng)中主要用作角度傳感器。
二、旋轉(zhuǎn)變壓器(BR)目前二十一頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
圖5-9是一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器的原理圖,兩個(gè)定子繞組S1和S2分別由兩個(gè)幅值相等、相位差90o的正弦交流電壓u1、u2、勵(lì)磁,即為了保證旋轉(zhuǎn)變壓器的測角精度,要求兩相勵(lì)磁電流嚴(yán)格平衡,即大小相等,相位差90o,因而在氣隙中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為
式中:m——轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組的有效匝數(shù)比,忽略阻抗壓降。轉(zhuǎn)子繞組R2可以不用。
目前二十二頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
從式
可以看出,旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓的幅值不隨轉(zhuǎn)角變化,而其相位卻與相等,因此可以把它看作是一個(gè)角度——相位變換器。把這個(gè)調(diào)相電壓作為反饋信號,可以構(gòu)成相位控制隨動系統(tǒng)。
目前二十三頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
如果要檢測給定軸和執(zhí)行軸的角差,可以和自整角機(jī)一樣,采用一對旋轉(zhuǎn)變壓器,與給定軸相聯(lián)的是旋轉(zhuǎn)變壓發(fā)送器BRT,與執(zhí)行軸相聯(lián)的是旋轉(zhuǎn)變壓接收器BRR。接線方法如圖5-10所示。
目前二十四頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)三、感應(yīng)同步器(BIS)
感應(yīng)同步器的工作原理與旋轉(zhuǎn)變壓器一樣。它具有兩種形式,一種用來測角位移,叫圓形同步器,另一種來測直線位移,稱為直線式感應(yīng)同步器。目前二十五頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
直線感應(yīng)同步器由兩個(gè)感應(yīng)耦合元件組成。一次側(cè)稱為滑尺,二次側(cè)稱為定尺,定尺和滑尺相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子。不同的是它們是面對面地平行安裝,在通常情況下,定尺安裝在機(jī)床床身或其它固定部件上,滑尺則安裝在機(jī)床的工作臺或其它運(yùn)動部件上,它們之間只有很小的空氣隙(),可作相對移動。
目前二十六頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
定尺上用印刷電路的方法刻著一套繞組,相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組?;呱鲜强逃袃商桌@組,一套叫正弦繞組,另一套叫余弦繞組。當(dāng)其中一個(gè)繞組與定尺繞組對正時(shí),另一個(gè)就相差1/4節(jié)距,即相差90o電角度,說明這兩個(gè)繞組在平面上是正交的,圖5-11所示。按工作狀態(tài),感應(yīng)同步器可分為鑒相型和鑒幅型兩類。
目前二十七頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
四、光電編碼盤 光電編碼可直接將角移信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,它是一種直接編碼裝置。和旋轉(zhuǎn)變壓器一樣。它常用于數(shù)控機(jī)床中裝在旋軸上構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng),按照編碼原理劃分,有增量式和編對兩種光電編碼盤。目前二十八頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)§5-3自整角機(jī)位置隨動系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)
一、自整角機(jī)位置隨動系統(tǒng)的組成和數(shù)學(xué)模型自整角機(jī)位置隨動系統(tǒng)原理圖如圖5-14所示。由式(5-2)已知,自整角接收機(jī)輸出的正弦交流電壓幅值為目前二十九頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)式中——自整角接收機(jī)輸出正弦電壓的最大值;
——發(fā)送機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)角;
——接收機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)角。當(dāng)時(shí),為正值;當(dāng)時(shí),為負(fù)值。
目前三十頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)
為了根據(jù)的正負(fù)值來控制執(zhí)行電機(jī)朝著消除角差的方向運(yùn)動,自整角機(jī)輸出電壓首先要經(jīng)過相敏整流放大器鑒別角差的極性,再經(jīng)過功率放大環(huán)節(jié)將信號功率增強(qiáng),以推動執(zhí)行電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定,在相敏放大器與功率放大器之間還應(yīng)增設(shè)串并聯(lián)校正裝置。在執(zhí)行電機(jī)與負(fù)載之間應(yīng)有減速器,組成較完整的自整角機(jī)位置隨動系統(tǒng)。目前三十一頁\總數(shù)三十三頁\編于三點(diǎn)1.自整角機(jī)
自整角機(jī)用于發(fā)送信號和接收信號,現(xiàn)分析其傳遞函數(shù)。由式
自整角機(jī)輸出電壓的幅值說明輸出電壓的幅值與角差成正弦函數(shù)關(guān)系。當(dāng)時(shí),
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