交流伺服运动控制系统的检测技术及元件ppt课件

1、1 1电流、电压检测电流、电压检测2 2磁极位置检测磁极位置检测3 3电机、功率器件温度检测电机、功率器件温度检测4 4电机动子位置、速度检测电机动子位置、速度检测5 5运动机构的速度及位置检测运动机构的速度及位置检测2.1 2.1 交流伺服运动控制系统的检测要求交流伺服运动控制系统的检测要求p 检测的准确性、快速性、可靠性是反响控制检测的准确性、快速性、可靠性是反响控制性能的根底性能的根底 2.2 2.2 检测技术原理检测技术原理 检测技术是研讨信息提取、信息转换及信检测技术是研讨信息提取、信息转换及信息处置的实践和技术。息处置的实践和技术。通俗的讲，就是把一种不方便表示的量转通俗的讲，就是

2、把一种不方便表示的量转化为某种方便表示的量进展表示。化为某种方便表示的量进展表示。敏感元件或传感器：敏感元件或传感器：将感知的被丈量按一定规律转化为某一种量将感知的被丈量按一定规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。值输出，通常是电信号。信号调理电路信号调理电路实现信号转换和放大实现信号转换和放大滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处置滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处置p 检测系统构成检测系统构成 传感器是检测系统的第一个环节，顾名思义，传感器是检测系统的第一个环节，顾名思义，传感器的功能是传感器的功能是“感感+ +传，即感受被测信息，传，即感受被测信息，并传送出去。由敏感元件、转换元件、转

3、换电并传送出去。由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。路三部分组成。 敏感元件是可以灵敏地感受被丈量并作出呼敏感元件是可以灵敏地感受被丈量并作出呼应的元件；应的元件； 转换元件实际上就是将敏感元件感受的被丈转换元件实际上就是将敏感元件感受的被丈量转换成电路参数的元件。量转换成电路参数的元件。1 传感器传传 感感 器器量程切换电路量程切换电路放放 大大 器器 解解 调调 器器信号分别电路信号分别电路运运 算算 电电 路路模数转换电路模数转换电路计计 算算 机机显示执行机构显示执行机构振振 荡荡 器器 电电 源源1模拟式丈量电路的根本组成2 信号调理电路 被测的量用延续变量来表示，如电压变化、

4、相位被测的量用延续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处置的方法相对来说比较复杂。变化等。它对信号处置的方法相对来说比较复杂。 将模拟输入小信号放大到将模拟输入小信号放大到A/DA/D转换的量程范围转换的量程范围之内，如之内，如0-5VDC;0-5VDC; 对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进展对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进展单端同相放大或单端反相放大。单端同相放大或单端反相放大。 信号源的一端假设接放大器的正端为同相放大信号源的一端假设接放大器的正端为同相放大，放大倍数，放大倍数G =1+R2/R1G =1+R2/R1； 假设接放大器的负端为反相放大，假设接放大器的负端为反

5、相放大，G =G =R2/R1R2/R1。a a放大器的作用放大器的作用VIVO1R2R图 2-5 放大电路VIVO1R2R(a)同相放大UsUs(b)反相放大原理：将被测电流经过一个知的取样电阻，丈量电原理：将被测电流经过一个知的取样电阻，丈量电阻两端的电压即可得到被测电流。既可以丈量直流，阻两端的电压即可得到被测电流。既可以丈量直流，也可以丈量交流；不同量程的电流可以选择不同的也可以丈量交流；不同量程的电流可以选择不同的取样电阻。取样电阻。选择取样电阻：选择取样电阻：1k1k、100100、1010、11、0.10.1，便可丈量电流：便可丈量电流：200A200A、2mA2mA、20mA2

6、0mA、200mA200mA、2A2A输出电压：输出电压：200mv200mvA A/ /D DR Rx xIr-+A Am mp p取取样样电电阻阻b b欧姆法丈量电流欧姆法丈量电流I/VI/V变换变换 原理：电流流过导线，周围会感生出磁场，霍尔原理：电流流过导线，周围会感生出磁场，霍尔器件检测由电流感生的磁场器件检测由电流感生的磁场, ,霍尔输出电流放大后霍尔输出电流放大后经过补偿线圈，产生相反的磁场，使磁芯中磁通经过补偿线圈，产生相反的磁场，使磁芯中磁通为为0 0，到达平衡后，由，到达平衡后，由IsIs丈量导线经过的电流。丈量导线经过的电流。c c闭环霍尔法丈量电流闭环霍尔法丈量电流指令

7、传感器指令传感器传传 感感 器器显示执行机构显示执行机构计计 算算 机机锁锁 存存 器器计计 数数 器器转换电路转换电路脉冲当量脉冲当量放放 大大 器器整形电路整形电路细分电路细分电路手动采样手动采样锁存指令锁存指令辨向电路辨向电路2数字式丈量电路的根本组成 被测的量以数字方式来表示，丈量信号普通为脉被测的量以数字方式来表示，丈量信号普通为脉冲，可以直接把它送到数控安装进展比较、处置。冲，可以直接把它送到数控安装进展比较、处置。 信号抗干扰才干强、处置简单。信号抗干扰才干强、处置简单。p 性能目的性能目的p 系统精度：是指在一定长度或转角内丈量积累系统精度：是指在一定长度或转角内丈量积累误差的

8、最大值，如误差的最大值，如0.0020.02mm/m，10/360等等p 系统分辨率：是丈量元件所能正确检测的最小系统分辨率：是丈量元件所能正确检测的最小位移量，如直线位移的分辨率为位移量，如直线位移的分辨率为0.0010.01mm。角位移分辨率为角位移分辨率为2p 作用作用 p 检测位置和速度，发送反响信号，构成闭环或检测位置和速度，发送反响信号，构成闭环或半闭环，对驱动安装进展控制。半闭环，对驱动安装进展控制。p 要求要求 p 义务可靠，抗干扰才干强义务可靠，抗干扰才干强p 满足精度、分辨率、丈量范围满足精度、分辨率、丈量范围p 运用维修方便、本钱低运用维修方便、本钱低2.4 2.4 运动

9、控制系统丈量运动控制系统丈量p 检测安装的分类 按检测信号分：数字式、模拟式按检测信号分：数字式、模拟式 按丈量基准分：增量式、绝对式按丈量基准分：增量式、绝对式 按安装位置关系分：直接丈量、间接丈量按安装位置关系分：直接丈量、间接丈量位置位置检测检测安装安装直线型直线型旋转型旋转型感应同步器感应同步器光栅光栅磁尺磁尺旋转变压器旋转变压器脉冲编码器脉冲编码器1 1 旋转变压器旋转变压器p 旋转变压器的构造旋转变压器的构造 在构造上和两相绕线式异步电动机类似，由在构造上和两相绕线式异步电动机类似，由定子和转于组成。定子和转于组成。 定子绕组为变压器的一次绕组定子绕组为变压器的一次绕组 转子绕组为

10、变压器的二次绕组。转子绕组为变压器的二次绕组。根据互感原理义根据互感原理义务的，定子绕组加上务的，定子绕组加上励磁电压，经过电磁励磁电压，经过电磁耦合，转子绕组产生耦合，转子绕组产生感应电功势感应电功势输出感应电功势输出感应电功势大小与转子位置有关大小与转子位置有关p 旋转变压器义旋转变压器义务原理务原理 特点特点 构造简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护构造简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰才干强，义务可靠，广方便，输出信号幅度大，抗干扰才干强，义务可靠，广泛运用于数控机床上。泛运用于数控机床上。 实际采用正余实际采用正余弦旋转变压器，弦旋转变压器，其定子由

11、两组匝其定子由两组匝数相等、相互垂数相等、相互垂直的绕组构成。直的绕组构成。 p 旋转变压器的运用旋转变压器的运用鉴相方式鉴相方式 在旋转变压器定子的两相正交绕组上分别加上幅值相等、在旋转变压器定子的两相正交绕组上分别加上幅值相等、频率一样的正弦、余弦激磁电压频率一样的正弦、余弦激磁电压 ，转子旋转后，两个激磁电压转子旋转后，两个激磁电压 在转子绕组中产生的感应电在转子绕组中产生的感应电压线性叠加得总感应电压为：压线性叠加得总感应电压为：因此，只需检测出转子输出电压的相位角，就知道了转因此，只需检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角。子的转角。鉴幅方式鉴幅方式 给定子的两个绕组分别通上

12、频率、相位一样但幅值不同给定子的两个绕组分别通上频率、相位一样但幅值不同的激磁电压的激磁电压 ， 那么在转子绕组上得到感应电压为那么在转子绕组上得到感应电压为 不断修正激磁调幅电压幅值的电气角不断修正激磁调幅电压幅值的电气角电，使之跟踪电，使之跟踪机的变化，并丈量感应电压幅值即可求得机械角位移机的变化，并丈量感应电压幅值即可求得机械角位移机机 。tUUmssinsin电1cossincmUUt电tkUkUkUUmcssincos(cossin）机电机机）机机机tkUkUkUUmcscos(cossintUUmssintUUmccos感应同步器是旋转感应同步器是旋转变压器演化而来，也是变压器演化

13、而来，也是一种电磁感应式的位移一种电磁感应式的位移检测安装。检测安装。圆型感应同步器圆型感应同步器 由定子和转子组成，由定子和转子组成，用于丈量角位移用于丈量角位移直线型感应同步器直线型感应同步器 由定子和转子组成，由定子和转子组成，用于丈量直线位移用于丈量直线位移 2 2 感应同步器感应同步器p 直线感应同步器的构造直线感应同步器的构造 利用两个平面形印刷利用两个平面形印刷绕组，其间坚持均匀气绕组，其间坚持均匀气隙约为隙约为(0.25(0.250.05)mm 0.05)mm 作相对平行挪动，根作相对平行挪动，根据交变磁场和互感原理据交变磁场和互感原理而义务的而义务的滑尺上有正弦和余弦滑尺上有

14、正弦和余弦励磁绕组，在空间位置励磁绕组，在空间位置上相差上相差1/41/4节距，定尺节距，定尺和滑尺绕组的节距一样和滑尺绕组的节距一样W 滑尺在挪动一个节距的过程中，感滑尺在挪动一个节距的过程中，感应电势变化了一个周期。应电势变化了一个周期。 假设励磁电压假设励磁电压u uUmsintUmsint，那么，那么在定尺绕组产生的感应电势在定尺绕组产生的感应电势e e为为 e ekUmcoscostkUmcoscost 滑尺上的正弦、余滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差、同幅值、相位差9090的交流电压，即的交流电压，即 us usUmsint Umsint u

15、c ucUmcostUmcost us us和和ucuc单独励磁，单独励磁，在定尺绕组上感应电势在定尺绕组上感应电势分别为分别为 es eskUmcoscostkUmcoscost ec eckUmcos(kUmcos( /2)sint /2)sint kUmsinsintkUmsinsintp 感应同步器输出信号的处置方式感应同步器输出信号的处置方式鉴相方式鉴相方式 根据感应输出电压的相根据感应输出电压的相位来检测位移量。位来检测位移量。根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e e为为 e eesesecec kUmcoscostkUmcoscostkU

16、msinsintkUmsinsint kUmcos(tkUmcos(t) kUmcos(tkUmcos(t 2x/W) 2x/W) 根据上式，经过鉴别定尺输出的感应电势的相位，根据上式，经过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可丈量定尺和滑尺之间的相对位置。即可丈量定尺和滑尺之间的相对位置。例：感应电势与励磁电压相位差例：感应电势与励磁电压相位差=1.8=1.8，节距，节距W=2mmW=2mm，= 2x/W=0.01mm= 2x/W=0.01mm光栅检测安装根本构造表示图光栅检测安装根本构造表示图 3 3 直线透射光栅直线透射光栅 由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直由于挡光效应和光的衍射，在

17、与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为称为“莫尔条纹莫尔条纹 。p 直线透射光栅的义务原理直线透射光栅的义务原理B2Bp 莫尔条纹的放大作用莫尔条纹的放大作用 莫尔条纹纹距莫尔条纹纹距B B 与光栅节距与光栅节距w w和倾角和倾角之间的关系：之间的关系：由于由于很小，因此很小，因此 22sin/ w B w B 为了区分运动方向，需配置两个彼此错开为了区分运动方向，需配置两个彼此错开1/41/4纹距的光电纹距的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差元件，使输出电信号彼此在相位上差9090，假设以其中的一，假设以其中的一个作为参考

18、信号，那么另一个信号将超前或滞后参考信号个作为参考信号，那么另一个信号将超前或滞后参考信号9090，由此来确定运动方向。，由此来确定运动方向。 倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内，等间隔安装的感光元件的数目，从而在一个周期内范围内，等间隔安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生假设干个脉冲，到达细分的目的。产生假设干个脉冲，到达细分的目的。 提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，精细机床的丈量常采用高倍频。精细机床的丈量常采用高倍频。例：栅距例：栅距 w = 0.01

19、mm w = 0.01mm， 十倍频后，最小读数值十倍频后，最小读数值1mm.1mm.p 直线透射光栅的辨向直线透射光栅的辨向p 直线透射光栅的倍频直线透射光栅的倍频 优点：优点： 1 1精度高，精度精度高，精度 0.5-3mm 0.5-3mm，分辨率，分辨率 0.1mm 0.1mm 2 2易实现动态丈量和自动化丈量易实现动态丈量和自动化丈量 3 3较强的抗干扰才干较强的抗干扰才干 缺陷：缺陷： 1 1对环境要求高，怕振动，怕油污对环境要求高，怕振动，怕油污 2 2高精度光栅制造本钱高高精度光栅制造本钱高 目前多用于精细定位的数控机床。目前多用于精细定位的数控机床。p 直线透射光栅的特点直线透

20、射光栅的特点 光电盘随主轴转动，光电元件把经过光电盘和光光电盘随主轴转动，光电元件把经过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号栏板射过来的忽明忽暗的光信号( (近似于正弦信号近似于正弦信号) )转转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，计算脉冲的数目，可测出义务轴的转角，测定信号，计算脉冲的数目，可测出义务轴的转角，测定计数脉冲的频率，可测出义务轴的转速。计数脉冲的频率，可测出义务轴的转速。4 4 光电编码器光电编码器1分辩率分辩率 改动一个计数字所对应的转速变化量来表示改动一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率分辨率Q ，Q 越小

21、，测速安装的分辩才干越强。越小，测速安装的分辩才干越强。2测速精度测速精度 丈量值与实际值的相对误差来表示，丈量值与实际值的相对误差来表示，%100nn 的大小与测速方法有关。的大小与测速方法有关。p 数字测速方法：数字测速方法：p M M法法脉冲直接计数法脉冲直接计数法p T T 法法脉冲时间计数法脉冲时间计数法p M/T M/T法法脉冲时间混合计数法脉冲时间混合计数法p M M法测速法测速PLG倍频电路BusZ记录记录TcTc时间内旋转编码时间内旋转编码器器PLGPLG发出的脉冲数发出的脉冲数M1M1，那么那么c160ZTMn Z= Z=倍频系数倍频系数PLGPLG光栅数。光栅数。 测速原

22、理与波形图CountercT1MM法测速适用于高速%1001%10060 )1(60 601c1c1c1maxMZTMZTMZTMcc1c16060) 1(60ZTZTMZTMQ分辨率：分辨率：误差率：误差率：PLG倍频电路ConterCPUINTnf0记录记录PLGPLG一个脉冲间的高频一个脉冲间的高频脉冲个数脉冲个数M2M2，f0f0为高频脉冲为高频脉冲频率，那么频率，那么电路与波形2060ZMfn p T T法测速法测速%10011%10060 60 ) 1(602202020maxMZMfZMfMZf) 1(6060) 1(602202020MZMfZMfMZfQT法测速适用于低速 M

23、/T法既检测 Tc 时间内PLG输出的脉冲个数M1，又检测一样时间间隔的高频时钟脉冲个数M2。p M/T M/T法测速法测速测速原理与波形图C201t160 60ZMfMZTMn%1001M1%100ZMfM60 ZMfM60) 1M(ZfM602201201201maxM/TM/T法测速适用的转速范围宽，测速精度高法测速适用的转速范围宽，测速精度高p 构造 p 绝对式脉冲编码器构造与增量式类似，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的独一代码，称为绝对码盘。绝对式脉冲编码器是经过读取编码盘上的代码(图案)来表示轴的位置。5 5 绝对式光电脉冲编码器绝对式光电脉冲编码器p 码盘的种类p 按码制

24、不同分二进制码、格雷码循环码、十进制码、六十进制码等，最常用的是二进制循环码盘。 纯二进制码有一个缺陷：相邻两个二进制数可以有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进展切换，增大了误读的机率。 而格雷码那么不同，相邻两个二进制数码只需一个数位不同，因此两数切换时只在一位进展，提高了读数的可靠性。 p 义务原理义务原理p 光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，经过码盘经狭缝构成一束很窄的光束照射在盘上，经过码盘经狭缝构成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的陈列与码道一一对应，亮光电元件上，光电元件的陈列与码道一一对应，亮区输出为区输出为“1，

25、暗区输出为，暗区输出为“0，再经信息处置电，再经信息处置电路，进展放大、整形、锁存与译码，输出自然二进路，进展放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码，从而实现了角度的绝对值丈量。制代码，从而实现了角度的绝对值丈量。p 运用运用p 在实际运用过程中，用绝对脉冲编码器来检测在实际运用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度时，当编码器旋转超越一周时，读轴的位置和速度时，当编码器旋转超越一周时，读出准确数值的处置方法：出准确数值的处置方法：p 在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所转过的圈数来计量所转过的圈数N，而另一部分码盘是用来检测，

26、而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数一圈以内的度数。之后将两个码盘所检测的进展。之后将两个码盘所检测的进展(N360)的叠加。的叠加。p 在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上的一个专门的代码为码盘上的一个专门的代码为“零代码，当码盘转过零代码，当码盘转过“零代码时，计数器的值就被自动加一，这样也可零代码时，计数器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测度数的目的。以实现即测圈数又测度数的目的。磁尺位置检测安装是由磁性标尺简称磁尺、磁头和检测电路组成，该安装方框图如以下图。磁尺的丈量原理类似于磁带的录音原理。在非导磁的资料如铜、不锈钢、

27、玻璃或其他合金资料的基体上镀一层磁性薄膜。在丈量前，先按规范尺度以一定间隔(普通为0.05mm)在磁性薄膜上录制一系列的磁信号。这些磁信号就是一个个按SN-NS-SN-NS方向陈列的小磁体，这时的磁性薄膜称为磁栅。丈量时，磁栅随位移而挪动或转动并用磁头读取(感应)这些挪动的磁栅信号，使磁头内的线圈产生感应正弦电动势。对这些电动势的频率进展计数，就可以丈量位移了。6 6 磁尺磁尺p 磁头将高频励磁电流通人励磁绕组时，在磁头上产生磁通1。当磁头接近磁尺时，磁尺上的磁信号产生的磁通0进入磁头铁心，并被高频励磁电流产生的磁通1所调制。于是在拾磁线圈中感应电压为式中 U0感应电压系数；磁尺磁化信号的节距；x磁头相对于磁尺的位移；励磁电流的角频率。p 检测电路 有两种义务方式，鉴相式和鉴幅式。 1光栅传感器 光栅传感器的最大优点是信号处置方式简单，运用方便，丈量精度高国外著名厂家如德国Heidenhain、西班牙Fagor等公司制造的光栅传感器精度可达1m/m；缺陷是光栅尺价钱较昂贵，对义务环境要求较高，玻璃光栅尺的线胀系数与机床不一致，易呵斥丈量误差。 2磁栅传感器 磁栅尺可分为线状有效丈量长度3