增量式脉冲编码器课件

12023/7/20主要内容概述旋转变压器感应同步器直线光栅光电脉冲编码器22023/7/205.1概述☆分辨率☆闭环控制☆传感器组成：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。作用：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，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，必须精心选择位置检测装置。32023/7/205.1.1检测装置的分类数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。

☆安装的位置及耦合方式—直接测量和间接测量；

☆测量方法—

增量型和绝对型；

☆检测信号的类型—

模拟式和数字式；

☆运动型式—

回转型和直线型；

☆信号转换的原理—

光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。

42023/7/20直接测量和间接测量1.直接测量

直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。2.间接测量

它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。52023/7/20数字式测量和模拟式测量1.数字式测量

它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。2.模拟量测量

它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。62023/7/20增量式测量和绝对式测量

增量式测量

在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。

2.绝对式测量

绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。72023/7/20分

类

增

量

式

绝

对

式

位移传感器

回转型——脉冲编码器、自整角机、旋转变压器、圆感应同步器、光栅角度传感器、圆光栅、圆磁栅

多极旋转变压器、绝对脉冲编码器

绝对值式光栅、三速圆感应同步器、磁阻式多极旋转变压器

直线型——直线应同步器、光栅尺、磁栅尺、激光干涉仪

霍耳位置传感器

三速感应同步器、绝对值磁尺、光电编码尺、磁性编码器

速度传感器

交、直流测速发电机、数字脉编码式速度传感器、霍耳速度传感器

速度—角度传感器、数字电磁、磁敏式速度传感器

电流传感器

霍耳电流传感器

数控机床检测装置分类82023/7/205.1.2数控测量装置的性能指标及要求传感器的性能指标包括静态特性和动态特性，主要如下:

1.精度

符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度。高精度和高速实时测量。

2.分辨率

分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。

3.灵敏度灵敏度高、一致。

4.迟滞对某一输入量，传感器正行程的输出量与反行程的输出量不一致，称为迟滞。数控伺服系统传感器要求迟滞小。

5.测量范围和量程6.零漂与温漂传感器的漂移量其它：可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。

92023/7/205.2旋转变压器5.2.1旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器是一种角位移测量装置。旋转变压器简称旋变，又称作解算器或分解器。分类：有电刷集电环结构和无刷结构单对极元件、多对极元件（或称多极元件）工作原理：电磁感应定子转子S1R1S2S3S4R2R3R4102023/7/2018762345

旋转变压器结构示意图

1-转轴2-轴承3-机壳4-转子铁心5-定子铁心

6-端盖7-电刷8-集电环

结构112023/7/20V1=Vmsinωt

V1

V1

E

2=0（α=90°）

E

2=KVmsinωtcosα

E

2=

KVmsinωt（α=0°）

α=90°E

2=0α=0°E

2=KV

msinωt式中:E2—转子绕组感应电势；

V1—定子绕组励磁电压

V1=Vmsinωt；

Vm—电压信号幅值；α—定、转子绕组轴线间夹角；K—变压比（即绕组匝数比）122023/7/20

5.2.2旋转变压器的应用

数控系统中旋转变压器作为位置检测和反馈元件，工作在位置控制的相位、幅值工作方式。1.鉴相方式：定子的两相绕组分别加上幅值相等、频率相同，而相位相差90度的正弦交变电压。

Vs=Vmsinωt

Vc=Vmcosωt

E2=KV

m

cosα-KV

msinα=KV

m

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KV

m

sin(ωt-α)132023/7/20VcE2定子两相绕组励磁

Vsa转子输出信号的相位角(ωt-α)与转子的偏转角之间有着严格的对应关系。若测出转子工作绕组输出电压的相位角，即可得到转子相对于定子的空间转角位置。E2=KVm

cosα-KVm

csinα=KVm

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KVm

sin(ωt-α)142023/7/202.鉴幅方式：定子的两相绕组加的是相位相同、频率相同，而幅值分别按正弦、余弦变化的交变电压。Vs=Vmsinα电sinωt

Vc=Vmcosα电sinωt

E2=KV

m

cosα机-KV

csinα机

=KV

msinωt(sinα电cosα机-cos电sinα机

=KV

msin(α电-α机)sinωt感应电势（E2）是以ω为角频率、以Vm

sin(α电

-α机)为幅值的交变电压信号。若电气角α电已知，只要测出E2

幅值(利用E2=0)，便可间接的求出机械角α机，从而得出被测角位移。

152023/7/20如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角从0°到360°时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一个导程，间接测量了执行部件的直线位移。测量所走过的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算成位移总长度。162023/7/205.3感应同步器

5.3.1感应同步器的结构和类型

绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)节距（0.5mm）定尺滑尺172023/7/20旋转式感应同步器直线式感应同步器182023/7/20

5.3.2感应同步器的工作原理

感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。工作原理：利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号（极为普遍）。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。感应同步器的信号处理原理滑尺与定尺相对位移量x的求取：∵2τ:2π=x:θ1∴x=τθ1／π结论：相对位移量x与相位角θ1呈线性关系，只要能测出相位角θ1，就可求得位移量x。192023/7/20

5.3.3感应同步器的应用

按滑尺上两相绕组通入的励磁信号，感应同步器分为：

相位工作方式（鉴相型系统）

幅值工作方式（鉴幅型系统）。

●相位工作方式：前提供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位角相差90°的交流电压。

●

幅值工作方式：前提给滑尺绕组通入相位相同、频率相同，但幅值不同的励磁电压。202023/7/205.4光栅光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅

一、结构光栅种类较多。根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1μm以上。从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.05~0.1mm的间隙。212023/7/20222023/7/20232023/7/20

二、工作原理

当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹具有如下特点：1.光强度分布近似于余弦函数2.放大作用用B（mm）表示莫尔条纹的宽度，W

(mm)表示栅距，θ(rad)为光栅线纹之间的夹角，如图所示则有

莫尔条纹宽度B与θ角成反比，θ越小，放大倍数越大。242023/7/20

3.均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。

4.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅尺移动一个栅距W时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度B。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。252023/7/20光栅测量系统如上图所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。除标尺光栅与工作台一起移动外，光源、聚光镜、指示光栅、光电元件和驱动线路均装在一个壳体内，作成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。262023/7/205.3脉冲编码器

脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。

一、绝对式编码器绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种。272023/7/20脉冲编码器282023/7/20二、增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号是用脉冲数/转（p/r）来区分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等，现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：式中

—脉冲当量（mm/脉冲）；S—滚珠丝杠的导程（mm）；i—减速齿轮的减速比；M—脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。292023/7/20光电脉冲编码器的结构1-光源

2-圆光栅

3-指示光栅

4-光电池组

5-机械部件

6-护罩

7-印刷电路板

1234567302023/7/20光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成。光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起，光电盘