第六章 伺服系统检测元件

1、第五章伺服系统检测元件第五章伺服系统检测元件n综述（数控机床检测装置的类型与要求综述（数控机床检测装置的类型与要求及位置检测装置的分类及位置检测装置的分类 ）n一、一、旋转变压器旋转变压器n二、二、感应同步器感应同步器 n三、三、光栅测量装置光栅测量装置 n四、磁尺四、磁尺n五、五、脉冲编码器脉冲编码器位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位 置 控 制位 置 控 制单元单元速 度 控 制速 度 控 制单元单元+-电电机机机 械 执 行机 械 执 行部件部件CNC插插补补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈综述综述 组成

2、：组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的号处理装置组成的。 作用：作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的检测装置的精度决定的，

3、在设计数控机床进给伺服系，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。置检测装置。位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位 置 控 制位 置 控 制单元单元速 度 控 制速 度 控 制单元单元+-电电机机机 械 执 行机 械 执 行部件部件CNC插插补补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈综述综述n位置检测元件的性能要求位置检测元件的性能要求n可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强n满足精度、速度和测量范围的

4、要求满足精度、速度和测量范围的要求n使用维护方便，便于与使用维护方便，便于与CNC系统相联系统相联n成本成本，寿命，寿命n位置检测装置的分类位置检测装置的分类n按检测元件输出信号类型：数字式、模拟式、脉冲式按检测元件输出信号类型：数字式、模拟式、脉冲式n按检测量测量基准：绝对式、增量式按检测量测量基准：绝对式、增量式n按被测位移量类型：直线式、回转式按被测位移量类型：直线式、回转式n按与被测对象联系方式：接触式、非接触式按与被测对象联系方式：接触式、非接触式n常用的传感器常用的传感器：旋转变压器，感应同步器，光栅，光电盘和编：旋转变压器，感应同步器，光栅，光电盘和编码盘码盘n回转型：脉冲编码器

5、，旋转变压器，圆感应同步器，圆光栅，磁栅，多回转型：脉冲编码器，旋转变压器，圆感应同步器，圆光栅，磁栅，多速旋转变压器，绝对脉冲编码器，三速感应同步器速旋转变压器，绝对脉冲编码器，三速感应同步器n直线型：直线感应同步器，计量光栅，磁尺，激光干涉仪，三速感应同直线型：直线感应同步器，计量光栅，磁尺，激光干涉仪，三速感应同步器，绝对值式磁尺。步器，绝对值式磁尺。综述综述分分 类类 增增 量量 式式 绝绝 对对 式式 位移位移传感器传感器 回转型回转型脉冲编码器、脉冲编码器、自整角机自整角机 、旋转变压器、圆旋转变压器、圆感应同步器感应同步器 、光栅角度传感光栅角度传感器器 、圆光栅、圆磁栅圆光栅、

6、圆磁栅 多极旋转变压器多极旋转变压器 、绝对脉冲编码器绝对脉冲编码器 绝对值绝对值式光栅式光栅 、 三速圆感应同三速圆感应同步器步器 、磁阻式多极旋转磁阻式多极旋转变压器变压器 直线型直线型直线应同步直线应同步器器 、光栅尺、磁栅尺光栅尺、磁栅尺 、激激光干涉仪光干涉仪 霍耳位置传感器霍耳位置传感器 三速感应同步器三速感应同步器 、绝对值磁尺、光电编码绝对值磁尺、光电编码尺尺 、磁性编码器磁性编码器 速度速度传感器传感器 交、直流测速发电机交、直流测速发电机 、 数字脉编码式速度传感器数字脉编码式速度传感器 、霍耳速度传感器霍耳速度传感器 速度速度角度传感器角度传感器（Tachsyn）、数字电

7、）、数字电磁、磁敏式速度传感器磁、磁敏式速度传感器 电流电流传感器传感器 霍耳电流传感器霍耳电流传感器 一、旋转变压器一、旋转变压器n1、工作原理、工作原理n2、工作方式、工作方式1、工作原理、工作原理n旋转变压器根据互感原理，在定子绕组上加交流励磁电旋转变压器根据互感原理，在定子绕组上加交流励磁电压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势。关系为：压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势。关系为：sinsinsin12tkUkuumn式中：式中：k为定子与转子为定子与转子绕组的匝数绕组的匝数比比;Um：最大瞬时：最大瞬时电压电压 ：两绕组轴：两绕组轴线间夹角。线间夹角。n机床中常用机床中常用正

8、余弦旋转正余弦旋转变压器变压器2、工作方式、工作方式1 1）旋转变压器的信号处理方式有两种：鉴相型工作方式和）旋转变压器的信号处理方式有两种：鉴相型工作方式和鉴幅型工作方式。鉴幅型工作方式。 2 2）鉴相型工作方式）鉴相型工作方式 ：当给定子两绕组分别通以同幅，同频当给定子两绕组分别通以同幅，同频但相位相差但相位相差90度的交流励磁电压，即度的交流励磁电压，即 tUutUumcmscossin11它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得： )cos(coscossinsin2tkUtkUtkUummm测量转子绕组输出电压的相位角测量转子绕组输出电压的相

9、位角即可测得转子相对于定子即可测得转子相对于定子的转角位置。的转角位置。2、工作方式、工作方式3 3）鉴幅型工作方式：当给定子两绕组分别通以同频同相位）鉴幅型工作方式：当给定子两绕组分别通以同频同相位但幅值不同的交流励磁电压，即但幅值不同的交流励磁电压，即 cossin,sinsin11mcmmsmcmcsmsUUUUtUutUu式中：它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得： tUktkUtkUummmsin)cos(cossincossinsinsin2由上式中可以看出，电压的幅值随转子的偏转角的变由上式中可以看出，电压的幅值随转子的偏转角的变化而

10、变化，测量幅值即可求出化而变化，测量幅值即可求出。为电相角，通过不断为电相角，通过不断修改电相角，使其跟踪修改电相角，使其跟踪的变化。的变化。 二、感应同步器二、感应同步器n1、感应同步器的结构：、感应同步器的结构：n感应同步器按结构可感应同步器按结构可分为直线式和旋转式分为直线式和旋转式两种。两种。n直线式主要包括定尺直线式主要包括定尺和滑尺两部分组成，和滑尺两部分组成，定尺上为连续绕组，定尺上为连续绕组，滑尺上为分段绕组。滑尺上为分段绕组。相当于一个展开的多相当于一个展开的多极旋转变压器。极旋转变压器。WW/42、感应同步器的工作原理、感应同步器的工作原理 n当励磁绕组用一定频率的正弦电压

11、当励磁绕组用一定频率的正弦电压励磁励磁时，产生时，产生同频率的交变磁通，感应绕组与这个交变磁通耦同频率的交变磁通，感应绕组与这个交变磁通耦合，合，感应感应出同频率的交变出同频率的交变电动势电动势。 3、信号处理、信号处理 n根据精度和工作要求不同，主要有鉴相型根据精度和工作要求不同，主要有鉴相型工作方式和鉴幅型工作方式工作方式和鉴幅型工作方式 n鉴相型：根据被测对象的信号相位角来鉴别位鉴相型：根据被测对象的信号相位角来鉴别位移量移量 n鉴幅型：根据被测对象的信号振幅来鉴别信号鉴幅型：根据被测对象的信号振幅来鉴别信号位移量位移量 （1）鉴相型）鉴相型n使滑尺上余弦和正弦绕组的配置错开使滑尺上余弦

12、和正弦绕组的配置错开1/4定定尺节距的距离，而且使两个绕组的励磁电尺节距的距离，而且使两个绕组的励磁电压同频等幅，彼此相差压同频等幅，彼此相差90度电相角，则励度电相角，则励磁信号分别为：磁信号分别为： sincossmcmUUtUUt和n相应的感应电动势分别为：相应的感应电动势分别为：12coscoscos()sin2dmdmukUtukUtn应用叠加原理，定尺上感应电动势为：应用叠加原理，定尺上感应电动势为：12coscossinsincos()2cos()dddmmmmuuukUtkUtkUtkUtxW2xW式中式中为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角。如两为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间

13、相位角。如两尺相对位移为尺相对位移为x，绕组节距为，绕组节距为W，则相位角，则相位角为：为：（2）鉴幅型）鉴幅型 n如滑尺上正余弦如滑尺上正余弦绕组分别能以同绕组分别能以同频同相但幅值不频同相但幅值不等的交流励磁电等的交流励磁电压：压：为给定的电相角和111sincossinsinmsmmcmsmscmcUuUutuutuu应用叠加应用叠加原理，定原理，定尺上感应尺上感应电动势为：电动势为：11coscoscos()cos2(cossin )cossin()cos2sin()cosdsmcmsmcmmmukutkutk uutkUtkUxtWn故定尺的感应电压的大小为：故定尺的感应电压的大小为

14、：)sin(|1mdkUu1sin()cossincosdmmukUtkUt当很小时，定尺上的感应电压可近似表示为：tkUumdcosn精度高。精度高。n长距离测量；长距离测量；n对环境适应性较强对环境适应性较强n使用寿命长，维护简单使用寿命长，维护简单n工艺性好，成本低工艺性好，成本低2xW2sindmukUxtW三、光栅测量装置三、光栅测量装置n1、分类分类n2 2、光栅的结构的结构n3 3、莫尔条纹的形成莫尔条纹的形成 n4 4、光栅测量系统光栅测量系统 1、分类、分类)()()()(玻璃体透射光栅其它光栅切向光栅径向光栅圆光栅玻璃体金属载体反射光栅玻璃体透光栅对相位调制相位光栅对振幅调

15、制黑白光栅长光栅计量光栅2 2、光栅的结构、光栅的结构n光栅由光源，透镜，光栅副和光电接收元件构成。光栅由光源，透镜，光栅副和光电接收元件构成。n光源：钨丝灯泡；发光二极管；光源：钨丝灯泡；发光二极管；n光栅副：由栅距相等的主光栅和指示光栅组成；光栅副：由栅距相等的主光栅和指示光栅组成；n光电接收元件：把莫尔条纹的明暗变化转换为电量输出。光电接收元件：把莫尔条纹的明暗变化转换为电量输出。 3 3、莫尔条纹的形成、莫尔条纹的形成亮带暗带W栅距安装角B节距3 3、莫尔条纹的形成、莫尔条纹的形成n特点：特点： ( (一一) ) 莫尔条纹的移动量，移动方向与光莫尔条纹的移动量，移动方向与光栅尺的位移量

16、，位移方向具有对应关栅尺的位移量，位移方向具有对应关系，且关系是固定的。系，且关系是固定的。( (二二) ) 莫尔条纹的间距对光栅距有放大作莫尔条纹的间距对光栅距有放大作用例：如用例：如W=0.02mmW=0.02mm，=0.1=0.1度度=0.001745rad=0.001745rad则：则：B=11.4592mmB=11.4592mm( (三三) ) 莫尔条纹测位移的原理莫尔条纹测位移的原理当两光栅相对移动一个栅距当两光栅相对移动一个栅距W W时，莫尔条时，莫尔条纹移动一个条纹间距纹移动一个条纹间距B B，莫尔条纹明，莫尔条纹明暗的变化转换为输出电压的变化，近暗的变化转换为输出电压的变化，

17、近似为一正弦曲线，得位移量似为一正弦曲线，得位移量x=N x=N W WN:N:条纹数条纹数2sin2WB WB WBW4 4、光栅测量系统、光栅测量系统n光栅测量的基本电路光栅测量的基本电路 4 4、光栅测量系统、光栅测量系统n鉴向倍频电路鉴向倍频电路 莫尔条纹特点莫尔条纹特点莫尔条纹移动量与移动方向：光栅移动每一莫尔条纹移动量与移动方向：光栅移动每一个栅距个栅距W ，莫尔条纹则移动一个节距，莫尔条纹则移动一个节距B，其其移动方向与光栅移动方向和移动方向与光栅移动方向和 转向有关；转向有关；指示光栅相对标尺光指示光栅相对标尺光栅的转角方向栅的转角方向标尺光栅移动方向标尺光栅移动方向莫尔条纹移

18、动方向莫尔条纹移动方向顺时针顺时针方向转角方向转角 右右 上上 左左 下下逆时针逆时针方向转角方向转角 右右 下下 左左 上上n均化误差作用：使栅距均化误差作用：使栅距W 的误差对莫尔条的误差对莫尔条纹影响极小；纹影响极小；五、脉冲编码器五、脉冲编码器n（二）增量式光电脉冲编码器（二）增量式光电脉冲编码器（光电码盘，光电脉冲发生器）结光电码盘，光电脉冲发生器）结构构 (p173)组成：光源、聚光镜、光电码盘、组成：光源、聚光镜、光电码盘、光栏板、光电元件等；光栏板、光电元件等；光电码盘：圆周均布一系列透光狭光电码盘：圆周均布一系列透光狭缝，可转动；缝，可转动；光栏板：两条相距光栏板：两条相距3

19、/4节距的透光节距的透光狭缝，每条后面有一个光电元件狭缝，每条后面有一个光电元件 编码器分类编码器分类 按码盘读取方式：光电式、接触式、电磁式按码盘读取方式：光电式、接触式、电磁式 按测量基准：增量式、绝对式按测量基准：增量式、绝对式增量式光电脉冲编码器增量式光电脉冲编码器 工作原理工作原理检测角位移和角速度检测角位移和角速度：光电码：光电码盘转动盘转动每转过一条狭缝每转过一条狭缝光光电元件电元件正弦电信号正弦电信号放大、放大、整形整形电脉冲信号电脉冲信号脉冲个数脉冲个数和频率和频率角位移和角速度；角位移和角速度； 方向辨别：方向辨别：光栏板两条狭缝输出光栏板两条狭缝输出相位差位相位差位909

20、0的的A A相和相和B B相信号，相信号，若若A A相超前相超前B B相，则正转，反之为相，则正转，反之为反转；反转； 每转过一条狭缝只反映相对每转过一条狭缝只反映相对上次的角度增量；上次的角度增量；光电式码盘光电式码盘编码器编码器n 信号处理电路：整形，放大，分频，计数，信号处理电路：整形，放大，分频，计数，译码等译码等n 分辨角：分辨角： n 分辨率分辨率=狭缝数0360狭缝数1提高分辨率的方法提高分辨率的方法 1 1、提高光电盘圆周的等分狭缝的密度、提高光电盘圆周的等分狭缝的密度2 2、增加光电盘的发讯通道、增加光电盘的发讯通道接触式码盘接触式码盘 分辨角度分辨角度 a= 分辨率分辨率=

21、3600 2n 1 2n绝对式编码器的特点绝对式编码器的特点 （1）可以直接读出角度坐标的绝对值。）可以直接读出角度坐标的绝对值。 （2）没有积累误差。）没有积累误差。 （3）电源切除后位置信号不会丢失）电源切除后位置信号不会丢失 （4）允许的最高旋转速度较高。）允许的最高旋转速度较高。 （5）为提高精度和分辨率，必须增加码道数，使）为提高精度和分辨率，必须增加码道数，使构造变得复杂，价格也较贵。构造变得复杂，价格也较贵。 磁栅：磁栅：是一种精度较高的位置检测装置。它由磁是一种精度较高的位置检测装置。它由磁性性标尺标尺、磁头磁头、和、和检测电路检测电路组成。组成。 伺伺服服系系统统数数字字显显

22、示示尺尺磁磁检检测测电电路路磁磁磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置磁栅磁栅v磁性标尺：磁性标尺： 磁尺按磁尺按基本形状基本形状分为分为平面实体形平面实体形 磁尺磁尺一般长度为一般长度为600mm带带 状状 磁磁 尺尺基体厚基体厚0.2mm，宽，宽70mm线线 状状 磁磁 尺尺 长度小于长度小于1.5m，套装在磁头内，套装在磁头内圆圆 形形 磁磁 尺尺 做成做成磁盘状磁盘状，检测，检测角位移角位移 表面录有表面录有相等节距相等节距（一般为（一般为0.05，0.1，0.2，1mm）周期变化的磁信号。）周期变化的磁信号。N N N NN N N NS S S SS S S S N N N N S S S S N N N N S S S S磁磁尺尺N N磁磁头头U U磁尺磁尺磁栅磁头磁头是进行是进行磁磁电电转换的转换的变换器变换器，它把反，它把反映空间位置的映空间位置的磁信号磁信号转换为转换为电信号电信号输送到输送到检测电路检测电路中去。中去。N NN NN NN NS SS SS SS SN NN NS SS SN NN NS SS