第三节伺服系统中的检测元件

第四章第三节伺服系统中的检测元件在闭环与半闭环伺服系统中，是用反馈信号和指令信号的比较结果来进行速度和位置控制的。因此，检测及反馈单元是伺服系统的重要组成部分，检测元件的精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。一数控机床的检测元件应具备的条件：（１）满足精度与速度要求。（2）工作可靠性要高。（3）安装使用和维护要方便。由于数控机床的类型不同，工作条件和检测要求各异，所以，在数控机床上有各种各样的检测方式和系统。二数控机床上检测方式和系统的类型：（１）速度反馈和位置反馈：速度反馈是用来测量和控制运动部件的速度。位置反馈是用来测量和控制运动部件的位移量。（２）增量式和绝对式。增量式检测只测位移的增量，每移动一个测量单位就发一个测量信号，其特点是结构简单。任何一个对中点都可以作为测量的起点，然而，在运动过程中，一旦发生意外中断，则不能再找到中断前的位置，只能重新开始。绝对式检测则无此缺点，任何位置都由一个固定点算起，也就是说每一点都有一个相应值与之对应。这种方式要求的分辨率越高结构越复杂。（３）数字式和模拟式：数字式是将被测量进行单位量化后以数字的形式表示，其特点是被测量量化后转换成脉冲个数，便于处理。检测精度取决于测量单位，检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。模拟式检测是将被测量用连续的变量来表示，其特点是被测量用连续的变量，如电压、相位或幅值来表示。可直接测量被测量，无须再量化，在小量程内可以实现高精度测量。（４）检测元件还可分为直接测量和间接测量，旋转型和直线型，接触式和非接触式，电磁式、感应式、光电式和光栅式等不同分法。三检测元件１测速发电机

测速发电机是一个速度检测元件，用以测量电机的转速，它安装在伺服电机轴的一端，与伺服电机构成一体。

测速发电机也分为定子和转子两部分，定子上有铝镍钻永久磁铁。当转子由伺服电机带着旋转时，由于永久磁铁的作用，在转子电枢中将产生感应电势，通过换向器和电刷获得的直流电压与转子的转速成正比，可以拾取这个电压作为控制转速的电信号。２编码盘与光电盘

编码盘是一种直接编码式的测量元件，它可以直接把被测转角或位移转换成相应的代码，指示的是绝对位置而无绝对误差，在电源切断后不会失去位置信息，但其结构复杂，价格较贵，且不易做到高精度和高分辨率。编码盘是按一定的编码形式如二进制编码等，将圆盘分成若于等分，利用电子，光电或电磁元件把代表被测位移的各等分上的数码转换成电信号输出用于检测。有光电式的码盘和电磁式码盘两种。四位二进制编码盘：光电盘是一种光电式转角测量元件，可以说是增量式的编码盘，即在一个圆盘周围分成相等的透明与不透明部分，其数量从几百到上千条不等。当圆盘与工作轴一起转动时，光电元件接受时断时续的光，产生近似的正弦信号，放大整形后成脉冲信号送到计数器，根据脉冲的数目和频率可测出工作轴的转角和转速。光电盘优点是没有接触磨损，允许转速高，最外层每片宽度可以做得更小，因而精度较高；缺点是结构复杂，价格高，安装困难。3、旋转变压器它是一种角位移检测元件，在结构上与两相绕线式异步电机相似，由定子和转子组成，激磁电压输给定子，感应电动势由转子输出。激磁频率常用的有400Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz和5000Hz等，图为旋转变压器工作原理图。旋转变压器在结构上保证了其定子和转子在空气间隙内磁通分布符合正弦规律。当定子绕组通以交流电U1＝Umsinωt时，将在转子绕组产生感应电动势U2＝nU1sinθ＝nUmsinωtsinθ式中n——变压比；Um——激磁最大电压；ω——激磁电压角频率；θ一转子与定子相对角位移，因此，旋转变压器转于绕组输出电压的幅值，是严格按转子偏转角的正弦规律变化的。数控机床正是利用这个原理来检验伺服电机轴或丝杠的角位移的。通常应用的旋转变压器的控制系统通常有两种控制方式，一种是鉴相控制，一种是鉴幅控制。4、感应同步器感应同步器与旋转变压器一样，是一种精密位移测量元件，它是根据电磁耦合原理将位移或转角转换成电信号的。根据用途和结构特点分为直线式和旋转式两类，分别用于测量直线位移和旋转角度。

直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，一般定尺250mm,定尺上绕有单相连续绕组，节距为2mm。如测量距离长，可将定尺一个一个地连接起来。当在滑尺上正弦、余弦绕组上加交流激励电压时，定尺上的连续绕组会有感应电压输出，感应电压的幅值和相位与激磁电压有关，也与滑尺与定尺的相对位置有关。只要测量出感应电压的幅值，便可求出滑尺与定尺的相对位置。感应同步器的特点：（1）精度高（2）维护简单、寿命长（3）受环境温度变化影响小5、光栅

光栅是闭环伺服系统中使用较多的一种光学测量元件，是在透明玻璃或金属镜面反光平面上刻制平行等间距条纹，前者称为透射光栅，后者称为反射光栅。透射光栅信号幅值大，信噪比好，刻纹密度大，一般每毫米100、200、250条刻纹。反射光栅的线膨胀系数可做到和机床一致，接长方便，线纹密度一般为每毫米4、10、25、40或50条。光栅也可以做成圆盘形，线纹是放射状的，用来测量转角。根据光栅的工作原理，可分为透射直线式和莫尔条纹式两类，其中莫尔条纹式又可分为纵向莫尔条纹式与横向莫尔条纹式。最常用的是横向莫尔条纹式。6、磁尺磁尺又称磁栅，也有直线式和回转式两种，其工作原理与普通录音机录磁、拾磁的原理是一样的。磁性标尺是在非导磁材料（如铜、不锈钢或其他合金）的基体上，涂敷或电镀上一层很薄（10～20um）的磁性材料（镍钻合金），然后用录磁磁头录上等节距的周期性的磁化信号，一