伺服系统与工业机器人课件第4章 伺服系统常用测量元件

第四章伺服系统常用测量元件李鑫合肥工业大学电气与自动化工程学院第四章伺服系统常用测量元件4.1概述4.2编码器4.3旋转变压器4.4光栅4.5磁栅尺总结2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut24.1概述2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut3类型数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转型光电盘、圆光栅编码盘旋转变压器、感应同步器、圆形磁尺多级旋转变压器、旋转变压器组合直线型长光栅、激光干涉仪编码尺直线感应同步器、磁尺绝对值式磁尺

测量元件是伺服系统重要组成单元，为了实现伺服系统的伺服性能，测量元件应能实时地对被测对象的伺服参数（位移、速度、加速度、加加速度和力、转矩等机械量）进行检测。常用的检测（角）位移、（角）速度的测量元件有旋转变压器、感应同步器和编码器。常用的位置检测装置分类见下表。4.2编码器-结构与原理2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut4增量式光电编码器原理图增量式光电编码器输出信号（正转）1.增量式光电编码器4.2编码器-结构与原理2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut5绝对式光电编码器原理图2.绝对式光电编码器绝对式光电编码器码盘4.2编码器-主要参数2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut6电源电压：工作电压一般有DC10~30V和DC5V±10%俩种。耗流量（空载）：空载时的电流。分辨率：以编码器轴转动一周所产生的输出信号脚本周期数来表示的，即脉冲数/转。精度：是指编码器输出的信号数据对测量的真实角度的准确度，对应的参数是角分、角秒。最高响应频率：一秒内能响应的最大脉冲数。最高转速：可响应的最高转速，在此转速下发生的脉冲能被响应。截止频率(-3dB、-6dB)信号输出方式机械转速（机械允许轴速）：编码器的机械转速以每分钟最多可以旋转的圈数来表示——r/min。轴载重能力：轴所能承受径向和轴向载荷的能力。4.2编码器-输出信号2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut7集电极开路输出电压输出差分长线驱动推挽式输出

编码器的信号输出波形有正弦波（电流或电压）,方波(TTL、HTL)。TTL晶体管逻辑(5V±0.25)，HTL也称高压晶体管(10-24V)逻辑；方波输出的也有分集电极开路输出（OpenCollector）、电压输出（Voltage）、差分长线驱动（LineDriver）、推挽式输出（TotemPole）等4.2编码器-应用8编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，可用于计数、测速、位置测量等作用EB62-CWZ6C输出回路

NPN增量型接线原理4.3旋转变压器-结构9旋转变压器按用途的差异可分为计算用旋转变压器和数据传输用旋转变压器；按输出电压的转子转角之间的函数关系差异可分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例旋转变压器等；按旋转变压器在由其构造的转角运算或相关变换及信号传输系统中的相对位置关系及具体作用可分为旋变发送机、旋变差动发送机和旋变变压器等；根据转子电信号引进、引出的方式，分为有刷旋转变压器和无刷旋转变压器；按转子旋转角度限制义可分为有限转角和无限转角两种类型；按极对数差异又可分为单对极和多对极旋转变压器。有刷旋转变压器2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfutA—普通旋转变压器B—环形变压器无刷式旋转变压器结构示意磁阻式旋转变压器结构示意4.3旋转变压器-结构102024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut类型精度工艺相位移可靠性结构成本有刷型高差小差复杂高环变型高一般比较大好一般一般磁阻型低好大最好简单低各种类型的旋转变压器性能、特点比较

有刷旋转变压器可以得到最小的电气误差、最大的精度。但是由于在结构上，存在着电的滑动接触，因此可靠性差；环形变压器型的旋变，也可达到高的精度，工艺性、结构情况、可靠性以及成本都比较好；磁阻式旋变的可靠性、工艺性、结构性以及成本都是最好的，但精度比其它两种低。4.3旋转变压器-工作原理112024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut旋变发送机两相输出电压和转角的关系曲线旋变变压器输出电动势和失调角的关系曲线旋转变压器角度位置伺服控制系统4.3旋转变压器-主要参数122024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut额定励磁电压和励磁频率：励磁电压都采用比较低的数值，一般在10V以下。旋转变压器的励磁频率通常采用400Hz、以及（5～10）kHz之间。变压比和最大输出电压：变压比是指当输出绕组处于感生最大输出电压的位置时，输出电压和原边励磁电压之比。极对数：旋转变压器的极对数表示了转子和定子绕组的正弦分布在一次旋转中的重复频率。极对数越高，旋转变压器机械精度越高。对于多极对，绝对角度数据可能会丢失，但在对旋转变压器信号进行数字转换后，会获得更高的分辨率。电气误差阻抗相位移零位电压：输出电压基波同相分量为零的点称为电气零位，此时所具有的电压称为零位电压。基准电气零位：确定为角度位置参考点的电气零位点称作基准电气零位。4.3旋转变压器-输出信号及处理132024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut旋转变压器和RDC的连接图示意旋转变压器的信号输出是两相正交的模拟信号，它们的幅值随着转角做正余弦变化，频率和励磁频率一致。这样一个信号还不能直接应用，这就需要角度数据变换电路，把这样一个模拟量变换成明确的角度量，这就是RDC（ResolverDigitalconverter-旋转变压器数字变换器）电路。4.3旋转变压器-应用142024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut

在很多场合下，旋转变压器可以单独作为测角元件用，直接和角度信号变换单元连接，由角度变换单元输出角度信号数据。旋转变压器解码后角度显示旋转变压器接口示意图4.4光栅152024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut直线光栅尺外形

光栅尺也称为光栅尺位移传感器或光栅尺传感器，是通过利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。通常采用非接触式测量，作为伺服控制系统的位置检测元件以构成全闭环控制。4.4.1光栅结构162024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut直线光栅尺结构图直线透射式光栅由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透镜、光电元件、指示光栅等。标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装在机床的移动部件上。4.4.2光栅尺工作原理172024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut直线光栅尺原理图在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起，并保持0.01至0.1mm的间隙，指示光栅相对标尺光栅在自身平面内旋转一个微小的角度θ。当光线平行照射光栅时，由于光的透射和衍射效应，在与两光栅线纹夹角θ的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹——莫尔条纹。4.4.3光栅的辨向与信号处理182024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut在移动过程中，经过光栅的光线，其光强呈正（余）弦函数变化，反映莫尔条纹的移动的光信号由光电元件接收转换成近似正（余）弦函数的电压信号；经信号处理装置整形、放大及微分处理后，即可输出与检测位移成比例的脉冲信号。为了既能计数，又能判别工作台移动的方向，光栅用了4个光电元件。每个光电元件相距四分之一栅距（W/4）。当指示光栅相对标尺光栅移动时，莫尔条纹通过各个光电元件的时间不一样，光电元件的电信号虽然波形一样，但相位相差1/4周期。根据各光电元件输出信号的相位关系，就可确定指示光栅移动的方向。光栅的特点：有很高的检测精度。现在光栅的精度可达微米级，再经细分电路可以达到0.1微米。响应速度较快，可实现动态测量，易于实现检测及数据处理的自动化控制。对使用环境要求高，怕油污、灰尘及振动。由于标尺光栅一般较长，故安装、维护困难，成本高。4.4.4光栅的参数192024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut测量长度：量程是度量工具的测量范围。其值由度量工具的最小测量值和最大测量值决定。精度等级：光栅尺准确度等级有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm等。并不是所有的设备都选择光栅尺的精度越高越好，精度越高成本越高。一般可以根据我们设备的精度来定位，比如设备的精度是0.01mm精度，可以选择对应的精度光栅尺。防护等级（EN60529）敞开式直线光栅尺的读数头有防尘防水要求，光栅尺无需特别防护。如果光栅尺可能被污染，必须采取防护措施。加速度直线光栅尺在安装和工作时会承受不同类型的加速度作用。温度范围（工作温度）：工作温度范围是指环境温度范围，在该范围内能保证直线光栅尺技术参数中的性能。最大运动速度：即光栅尺允许的最大运动速度。4.4.5光栅的应用202024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut参数海德汉LIC4003日本三丰AT203雷尼招RTLFASTRACKTM汇川井道绝对值光栅尺测量长度24034044064084010401240144016401840204022402440264028403040(Robax玻璃陶瓷的最大测量长度为1640)100-6000mm最长10m(可根据要求提供10m以上长度)392m(可定制更大量程)精度等级（精度）±1μm(仅限Robax玻璃陶瓷)±3μm±5μm有效测量范围:100-1500mm(3+3Lo/1000)μm有效测量范围:1600-3000mm(5+5Lo/1000)μm有效测量范围:3250-6000mm(5+8Lo/1000)μm20μm:±5μm/m40μm(高精度)∶±5μm/m40μm:±15μm/m重复精度±1mm绝对精度±(1+0.1L)mmL∶测量量程防护等级—IP65—IP54温度范围-10℃~70℃0℃~45℃—-20~65C最大响应速度≤600m/min120m/min(有效测量范围为3250-6000mm的型号:50m/min)—≤8m/s供电电压DC3.6V至14V——DC12V~30V(纹波100mVpp)重量3g+0.11g/mm测量长度——0.5kg几种光栅的技术指标4.5.1磁栅的结构212024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut磁性标尺结构图磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成。多种形状的磁性标尺磁通响应型磁头磁栅检测电路包括：磁头励磁电路，读取信号的放大、滤波、整形及辨向电路，细分内插电路，显示及控制电路等部分。根据检测方法不同，检测电路分为鉴幅检测和鉴相检测。4.5.2磁栅的工作原理222024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut磁栅测量装置是将具有一定节距的磁化信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上，用来作为测量基准。在测量时，拾磁磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号，然后再送到检测电路中去，把磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来或转化为控制信号输入给数控机床。其工作原理是将高频励磁电流通以励磁绕组时，在磁头产生上磁通，当磁头靠近磁性标尺时，磁性标尺上的磁信号产生的磁通通过磁头铁心，并被高频励磁电流产生的磁通调制，从而在拾磁绕组中感应出电压信号输出。移动方向检测原理图4.5.3磁栅的主要参数232024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut供电电压：供电点处的线电压或相电压。重复精度：在一个确定的测量点位置上，每次被测量的量变化到这个位置时传感器表现出来的测量差值。当多次给定相同的输入，传感器的输出不同。分辨率：磁栅尺的分辨率就是一个脉冲的间隔。输出信号：磁栅尺输出信号类型有单端或差分输出、ABZ脉冲信号等形式。响应频率：也称带宽频率，带宽频率越大，动态性能迅速。移动速度：磁栅基尺和磁头之间相对移动的速度。温度范围：运行时适用的环境温度，温度区间越宽表示其适用的使用环境越宽。防护等级：IP（防护）等级由两个数字所组成，第一个数字表示防尘；第二个数字表示防水，数字越大表示其防护等级越佳。如IP65，其中“6”表示完全防止粉尘进入；“5”表示任何角度低压喷射对设备无影响。线胀系数：亦称线胀系数。固体物质的温度每改变1摄氏度时，其长度的变化和它在原温度（不一定为0℃）时长度之比，叫做“线性膨胀系数"。4.5.4磁栅的应用242024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut参数阿童木MH0-H200米朗MR50安捷高MR20希控MB160工作电压5-24VDC5~30VDC5V±5%—功耗＜25ma24VDC＜50ma5VDC—<30mA（无负载）—防护等级IP67IP68IP67—分辨率1μm、5μm、10μm可选5µm1-50µm—输出信号单端或差分A\B\Z正交A.B增量信号—储藏温度短期：-10℃~+60℃中期：0℃~40℃长期：+20℃—-20~78°C-40~70°C工作温