机械科学与工程学院

数控技术

华中科技大学机械科学与工程学院第4章进给伺服驱动系统

4.1概述4.2位置检测装置4.3进给电机及驱动4.4进给伺服系统的控制原理和方法14.2位置检测装置位置检测装置：

检测位移（线位移或角位移）和速度，反馈至数控装置或伺服驱动器，构成伺服驱动系统闭环或半闭环控制，使工作台按指令路径精确地移动。（1）组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。（2）常用检测装置：旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等2（3）精度：系统精度、分辨率系统精度：一定范围内测量累积误差最大值。直线位测量精度：±0.002～0.02㎜／m；回转角测量精度：±5″／360°系统分辨率：能正确检测的最小位移量。直线位移分辨率：1μm，高精度0.1μm；回转分辨率：可达2″(0.087″)。大型机床：速度为主；中小型机床、高精度机床：精度为主。数控机床加工精度主要由检测系统精度决定。4.2位置检测装置3（4）安装位置半闭环控制的数控机床旋转变压器、编码器等。安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。4.2位置检测装置4（5）数控机床对检测装置的要求受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强在机床移动范围内满足精度和速度要求使用维护方便，适合机床运行环境成本低易于实现高速的动态测量。4.2位置检测装置54.2.1位置检测装置分类

数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转型增量式脉冲编码器圆光栅绝对式脉冲编码器

旋转变压器圆感应同步器圆磁尺多极旋转变压器3速圆感应同步器直线型计量光栅激光干涉仪多通道透射光栅

直线感应同步器光栅尺

3速直线感应同步器绝对值式磁尺4.2位置检测装置6（1）增量式与绝对式

增量式检测方式功能：测量增量，移动1个测量单位发出1个测量信号。如：测量单位为0.001mm，每移动0.001mm发出1个脉冲信号，对脉冲计数得到位移量。优点：装置较简单，任何一个对中点均可作测量起点；缺点：一旦计数有误，此后测量结果全错；发生故障（如断电、断刀等）时不能找到事故前的位置，须将工作台移至起点重新计数。增量式检测装置：有脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等4.2位置检测装置7绝对式检测方式功能：被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。优点：避免了增量式检测方式的缺陷缺点：结构较复杂。绝对式检测装置：有绝对式脉冲编码器、三速式绝对编码器（或称多圈式绝对编码器）等

4.2位置检测装置8（2）数字式与模拟式数字式测量方式以数字形式表示被测量，测量信号一般为脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理。特点：便于显示、处理；测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存在累加误差）检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。4.2位置检测装置9模拟式测量方式用连续的变量表示被测量，如用相位变化、电压变化表示。特点：直接对被测量进行检测；在小量程内可以实现高精度测量；可用于直接检测和间接检测。6.1概述4.2位置检测装置10（3）直接测量与间接测量6.1概述直接测量用直线式检测装置测直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，构成闭环控制。对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。优点：测量精度取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响。缺点：检测装置要与行程等长，对大型数控机床来说，是一个很大的限制。4.2位置检测装置11

间接测量检测装置测量只是中间值，再由它推算出与之关联的位移量，作为半闭环伺服系统的位置反馈。对机床的直线位移采用回转型检测装置测量，称为间接测量。优点：使用可靠方便，无长度限制，缺点：检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，影响检测精度。为提高定位精度，常需要对机床的传动误差进行补偿。4.2位置检测装置124.2.2编码器编码器：将测量的角位移以编码的形式输出的位置检测装置，属于间接测量的数字式检测装置。输出信号的形式：绝对式、脉冲增量式内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。4.2位置检测装置13工作台丝杠编码器电机安装方式1）与伺服电机同轴联接，编码器在进给传动链前端；安装方便；2）连在滚珠丝杠末端，包含的传动链误差比前者多，位置控制精度较高。4.2位置检测装置14码盘及狭缝转轴光敏元件光栏板及辨向用的A组、B组狭缝光源零位标志C1.增量式光电编码器（1）结构4.2位置检测装置15（2）原理将机械转角变成电脉冲信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距τm+τ/44.2位置检测装置16AB90°Z……码盘转一圈

光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：

4.2位置检测装置17输出信号的作用及其处理

A、B两相的作用：

根据脉冲数目可测角位移根据脉冲频率可得轴的转速根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向4.2位置检测装置18ABCP90O后续电路可利用A、B两相的90°相位差进行四倍频细分处理，提高分辨率。4.2位置检测装置19

（3）增量式码盘的规格及分辨率规格分辨率α

增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数。市场上提供的规格从36线/转到10万线

/转都有。最大达1600万线（禁运）。选择原则伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。整数原则。4.2位置检测装置202.绝对式光电编码器每一位置均由唯一对应的编码输出电源切除后位置信息不会丢失数控机床无需执行回参考点操作就能直接提供当前的位置值，没有累积误差特点：4.2位置检测装置21（1）结构和工作原理码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等对应每圈都有光电传感器输出信号的路数与码盘圈数成正比检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100232221204.2位置检测装置22（2）绝对编码盘的编码方式及其特点二进制编码：特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。缺点：在1100和1011的交界处，可能会出现二义：

1111 0000导致较大的误差。0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100232221204.2位置检测装置23010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120格雷码（循环码）特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律优点：最大误差为一个分辨率。4.2位置检测装置24格雷码的编码方法从二进制码转换而来的，转换规则为：将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，得出的结果即为格雷码(循环码)。例：将二进制码0101转换成对应的格雷码4.2位置检测装置25（3）绝对式编码器的规格及分辨率规格分辨率α

绝对式码盘的规格与码盘码道数n有关；现在市场上提供从4道到27道都有。（23道以上禁运）选择原则

①伺服系统要求的分辨率；

②考虑机械传动系统的参数。4.2位置检测装置263.编码器的信号传输方式（1）传输对象：伺服电机、数控装置（2）传输方式：并行或串行并行传输：每位数据需要一根数据电缆线。

特点：仅适用于短距离传输和特殊要求的场合。串行传输：通过一根双绞线实现数据传送，分为单工、半双工和全双工，同步串行通信或异步串行通信。

特点：用线少、成本低、传输距离远、数据安全可靠。应用于远距离传输和高精密的场合。4.2位置检测装置27

并行传输增量式编码器的数据输出多以并行传输方式为主。输出信号通常有A、/A、B、/B和C、/C六路信号，有些还输出U、V、W三路信号，用于电机矢量控制中电枢初始角度的计算。

4.2位置检测装置28

串行传输绝对式编码器多以同步串行传输方式为主。串行传输的方式很多，以德国海德汉公司的全双工同步串行EnDat为例，有EnDat2.1和EnDat2.2两个版本。

EnDat2.2不仅能为增量式和绝对式编码器传输位置值，同时还能够传输附加信息值或更新存储在编码器中的信息，或保存新的信息，具有效率更高、速度更快（时钟频率16MHz）。

4.2位置检测装置294.编码器的选择（1）电源。常用的编码器电源有5V、12V、24V几种类型。（2）机械允许转速。取决于编码器测量系统处理时间、分辨率和结构尺寸，处理时间越短，尺寸越小，机械允许转速越高。（3）分辨率。应根据测量精度要求选择编码器分辨率，综合考虑性价比。（4）输出信号类型。类型决定后续接收电路。（5）使用环境。4.2位置检测装置30根据测量对象分：直线光栅（测量直线位移）和圆光栅（测量角位移）根据用途和材质分：玻璃透射光栅、金属反射光栅。根据刻度方法及信号输出形式分：绝对式光栅和增量式光栅。

光栅：是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测装置，用于测量运动部件的直线位移和角位移。4.2.3光栅1.光栅的种类4.2位置检测装置31（1）直线光栅玻璃透射光栅：在玻璃表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹。特点：光源可采用垂直入射，光电元件直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构较简单；一般为100、125、250条/mm，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。4.2位置检测装置32金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀刻划制成光栅线纹；常用4、10、25、40、50条/mm

，分辨率低。特点：标尺光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致；标尺光栅的安装和调整较方便；安装面积较小；易于接长或制成整根的钢带长光栅；不易碰碎。4.2位置检测装置33直线光栅的结构由标尺光栅和光栅读数头（即指示光栅）两部分组成。光栅读数头中有光源、透镜、扫描光栅、光电池和信号处理电路等。4.2位置检测装置34（2）圆光栅在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间、呈辐射状条纹，相互间夹角（栅距角）相等。根据不同使用要求，在圆周上的条纹数不同。一般有3种形式。①六十进制，如10800、21600、32400、64800等；②十进制，如1000、2500、5000等③二进制，如512、1024、2048等4.2位置检测装置35（3）绝对式直线光栅尺

利用光电转换原理将运动部件位置值以编码形式输出，每个位置均有唯一对应代码输出。

有两条刻线轨道—增量轨和绝对轨。绝对轨用于确定运动部件位置值信息，条纹一般采用复杂的排列算法，如伪随机编码方式等，以提高数据容量和安全性。增量轨条纹为等距条纹，用于信号细分，提供更高分辨率的信号。精度可达±3µm/m，分辨率可达5nm

4.2位置检测装置36（4）增量式直线光栅尺利用光电转换原理将位移的增量值以脉冲形式输出，通过对脉冲计数从而计算出位移值和位置值。有两条刻线轨道—增量轨和参考点轨。增量轨条纹进行位移量的计算。参考点轨用于回零操作。4.2位置检测装置374.2位置检测装置2.光栅的工作原理（1）成像扫描。透射光生成位置测量信号。指示光栅和标尺光栅的光线投射到规则排列的光电池上。当指示光栅和标尺光栅相对运动时，光电池接收到的光强不断变化，产生近似正弦变化的周期电信号。38（2）干涉扫描。利用精密光栅的衍射和干涉形成位置测量信号。4.2位置检测装置39dw4.2位置检测装置40放大比k为：若d=0.01mm，θ＝0.01rad，则w＝1mm，k＝100

莫尔条纹特性：光学放大作用4.2位置检测装置413.光栅测量系统（1）4倍频细分及辩向4.2位置检测装置42

（2）电子细分

根据细分原理可分为幅值细分和鉴相细分。电子细分电路要求光栅输出信号为一组频率和幅值相同、相位相差90度的正弦波信号。电阻链移相细分

电阻链移相细分属于幅值细分。将两个相位不同的交变信号施加在电阻链两端，由于电压合成的移相作用，在电阻链的各电阻抽头上将得到幅值和相位各不相同的一系列移相信号，再用鉴零器对它进行鉴幅、整形，便可在莫尔条纹一周期内得到若干个脉冲信号而达到细分的目的。4.2位置检测装置43应用叠加原理，接点处输出电压：

4.2位置检测装置44以上是在＝0°至90°第一象限的情况。第二至第四象限可采取同样方法。当增加多个电阻时，可以构成如图所示串联电阻移相桥，它共有16个输出端，实现16倍细分。各点输出电压信号经比较器整形为方波，然后经逻辑电路处理即可实现细分。4.2位置检测装置45鉴相式细分通过信号的相位差来模拟光栅系统的位移，然后对信号的相位差进行细分。4.2位置检测装置464.2.4旋转变压器旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机检测装置，主要用于半闭环控制的数控机床。优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低（特别是高温、高粉尘地方）、输出信号幅度大、抗干扰能力强。缺点：信号处理比较复杂。分类：按有无电刷分：接触式和无接触式两种按极对数分：单对极和多对极4.2位置检测装置471.旋转变压器的结构

与两相绕线式异步电机相似，由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流电机。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。4.2位置检测装置48（1）有刷式旋转变压器转子绕组通过滑环和电刷直接引出。特点：结构简单，体积小缺点：电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。

4.2位置检测装置49（2）无刷式旋转变压器由本体和附加变压器组成。附加变压器原、副边铁心及线圈成环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过电磁耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出。4.2位置检测装置50

无刷式旋转变压器避免了电刷与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命，但其体积、质量、成本均有所增加。

4.2位置检测装置512.旋转变压器工作原理

旋转变压器利用绕组间的互感原理。当定子加上一定频率的激磁电压时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。Φ2＝kΦ1sinθU2＝nUm

sinωt

sinθ4.2位置检测装置52Um—激磁电压幅值n—绕组匝数比θ—转子偏转角定子绕组励磁电压：转子产生感应电势：4.2位置检测装置53（1）鉴相工作方式定子的两个绕组通同幅值、频率，但相位差π/2的交流激磁电压。

U1s＝UmsinωtU1c＝Um（sinωt+π/2）＝Umcosωt转子正转时：转子感应电压U2

3.旋转变压器的工作方式4.2位置检测装置54U2＝kUmsinωtsinθ＋kUmcosωtcosθ=kUmcos（ωt-θ）

Um——激磁电压幅值；

k——电磁耦合系数，k<1；θ——相位角，即：转子偏转角。转子反转时：

U2＝kUmcos（ωt+θ）相位角的测量：转子输出电压的相位角ωt+θ和θ间有对应关系，检测出ωt+θ

，可得θ（被测轴角位移）。实际应用时，把定子余弦绕组激磁电压的相位ωt作为基准相位，与ωt+θ比较，确定θ大小。4.2位置检测装置55（2）鉴幅工作方式定子的两个绕组分别通同频率、同相位、幅值分别