第一章 位置随动系统的概述
1.1 位置随动系统的概念
位置随动系统也称伺服系统，是输出量对于给定输入量的跟踪系统，它实现的是执行机构对于位置指令的准确跟踪。位置随动系统的被控量(输出量)是负载机械空间位置的线位移和角位移，当位置给定量(输入量)作任意变化时，该系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化，所以位置随动系统必定是一个反馈控制系统。
位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统。它属于自动控制系统中的一类反馈闭环控制系统。随着科学技术的发展，在实际中位置随动系统的应用领域非常广泛。例如，数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方位的自动跟踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等。随着机电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。
1.2 位置随动系统的特点及品质指标
位置随动系统与拖动控制系统相比都是闭环反馈控制系统，即通过对输出量和给定量的比较，组成闭环控制，这两个系统的控制原理是相同的。对于拖动调速系统而言，给定量是恒值，要求系统维持输出量恒定，所以抗扰动性能成为主要技术指标。对于随动系统而言，给定量即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，因而跟随性能指标即系统输出响应的快速性、灵敏性与准确性成为它的主要性能指标。位置随动系统需要实现位置反馈，所以系统结构上必定要有位置环。位置环是随动系统重要的组成部分，位置随动系统的基本特征体现在位置环上。根据给定信号与位置检测反馈信号综合比较的不同原理，位置随动系统分为模拟与数字式两类。总结后可得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，其中快速响应中，更强调快速跟随性能。
1.3 位置随动系统的基本组成
1.3.1 电位器式位置随动系统的组成
下面通过一个简单的例子说明位置随动系统的基本组成，其原理图如图1-1所示。这是一个电位器式的小功率位置随动系统，有以下五个部分组成：
图1-1 电位器式位置随动系统原理图
1．位置传感器 由电位器RP1和RP2组成位置传感器。RP1是给定位置传感
*器,其转轴与操纵轮连接，发出转角给定信号?m；RP2是反馈位置传感器，其转
轴通过传动机构与负载的转轴相连，得到转角反馈信号?m。两个电位器由同一个直流电源Us供电，使电位器输出电压U*和U，直接将位置信号转换成电压量。
*误差电压?U?U*?U反映了给定与反馈的转角误差????m??m，通过放大器
等环节拖动负载，最终消灭误差。
2．电压比较放大器（A） 两个电位器输出的电压信号U*和U在放大器A中进行比较与放大，发出控制信号Uc。由于?U是可正可负的，放大器必须具有鉴别电压极性的能力。输出的控制电压Uc也是可逆的。
3．电力电子变换器（UPE） 它主要起功率放大的作用（同时也放大了电压），而且必须是可逆的。在小功率直流随动系统中多用P-MOSFET或IGBT桥式PWM变换器。对于大功率位置随动系统，会用到可逆的脉宽调制式PWM变换器。
4．伺服电机（SM） 在小功率直流随动系统中多用永磁式直流伺服电机，在不同情况下也可采用其它直流或交流伺服电机。大功率随动系统中也可采用永磁式直流伺服电机，由伺服电机和电力电子变换器构成可逆拖动系统是位置随动系统的执行机构。
5．减速器与负载 在一般情况下负载的转速是很低的，在电机与负载之间必须设有传动比为i的减速器。在现代机器人、汽车电子机械等大功率设备中，
为了减少机械装置，倾向于采用低速电机直接传动，可以取消减速器。
以上五个部分是各种位置随动系统都有的，在不同情况下，由于具体条件和性能要求的不同，所采用的具体元件、装置和控制方案可能有较大的差异。
1.3.2 位置传感器的分类和简单介绍
精确而可靠地发出位置给定信号并检测被控对象的位置是位置随动系统工作良好的基本特征。位置传感器将具体的直线或角位移转换成模拟的或数字的电量，再通过信号处理电路或算法，形成与控制器输入量相匹配的位置误差信号。位置传感器的分类很多，常用的有以下几种：
1．电位器
电位器是最简单的位移—电压传感器，可以直接给出电压信号，价格便宜、使用方便，但滑臂与电阻间有滑动接触，容易磨损或接触不良，可靠性较差。
2．基于电磁感应原理的位置传感器
属于这一类的位置传感器有自整角机、旋转变压器、感应同步器等，是应用比较广泛的模拟式位置传感器，可靠性和精度都较好。
3．光电编码器
光电编码器由光源、光栅码盘和光敏元件三部分组成，直接输出数字式电脉冲信号，是现代数字式随动系统主要采用的位置传感器。码盘一般为圆形，由电动机带动旋转，也有用直线形的，由电动机构传动。按照输出脉冲与对应位置关系的不同，光电编码器有增量式和绝对值式两种，也有将两者结合为一体的混合式编码器。1）增量式编码器。脉冲数值直接与位移的增量成正比时称作增量式编码器，常用的圆形增量式码盘每转发出N?500~5000个脉冲，高精度码盘可达数万个脉冲。通过信号处理电路和可逆计数器可以输出位置增量信号，再经过测速算法，可以给出转速信号；2）绝对值式编码器。绝对值式编码器码盘的图案由若干个同心圆环组成，称作码道。码道的道数与二进制的位数相同，有固定的零点，每个位置对应着距零点不同位置的绝对值。绝对值式码盘一周的总计数为N?2n，其中n为码盘的位数，一般n?4~20，粗精结合的码盘可达n?20。绝对值式编码器的码盘又分为二进制码盘和循环码码盘两种。这里就不做介绍。
4．磁性编码器
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、霍耳元件式等多种类型。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