第六章 位置檢測技術

1、旋轉變壓器和感應同步器旋轉變壓器和感應同步器 光柵尺和磁柵尺光柵尺和磁柵尺光電編碼器光電編碼器 位置伺服控制位置伺服控制 第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第一節(jié)第一節(jié) 位置伺服控制位置伺服控制 1.1 1.1 位置伺服控制分類位置伺服控制分類 開環(huán)控制 開環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶位置反饋裝置的控制系統(tǒng)。由功率型步進電動機作為驅動元件的控制系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。 圖6-1 開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第一節(jié)第一節(jié) 位置伺服控制位置伺服控制 1.1 1.1 位置伺服控制分類位置伺服控制分類 半閉環(huán)控制 半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)控制

2、伺服電動機軸上裝有角位移檢測裝置，通過檢測伺服電動機的轉角，間接地檢測出運動部件的位移，反饋給數(shù)控裝置的比較器，與輸入指令進行比較，用差值控制運動部件。 圖6-2 半閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖 第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第一節(jié)第一節(jié) 位置伺服控制位置伺服控制 1.1 1.1 位置伺服控制分類位置伺服控制分類 閉環(huán)控制 閉環(huán)控制系統(tǒng)是在機床最終的運動部件的相應位置，直接安裝直線或回轉式檢測裝置，將直接測量到的位移或角位移反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與輸入指令位移量進行比較，用差值控制運動部件，使運動部件嚴格按實際需要的位移量運動。 圖6-3 閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖 第六章第六章 位置檢測技術位置檢

3、測技術第一節(jié)第一節(jié) 位置伺服控制位置伺服控制 1.2 1.2 幅值伺服控制幅值伺服控制 幅值伺服控制是以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數(shù)值，并以此作為位置反饋信號，與指令信號進行比較，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖6-4所示為鑒幅式伺服系統(tǒng)框圖。 圖6-4 鑒幅式伺服系統(tǒng)框圖第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第一節(jié)第一節(jié) 位置伺服控制位置伺服控制 1.3 1.3 相位伺服控制相位伺服控制 相位伺服控制系統(tǒng)是采用相位比較方法實現(xiàn)位置閉環(huán)（及半閉環(huán)）控制的伺服系統(tǒng)，是數(shù)控機床中使用較多的一種位置控制系統(tǒng)。具有工作可靠、抗干擾性強、精度高等優(yōu)點。如圖6-5所示是鑒相式伺服系統(tǒng)框圖。圖6-5 鑒相

4、式伺服系統(tǒng)框圖 第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第二節(jié)第二節(jié) 光電編碼器光電編碼器 絕對值式編碼器按輸出信號的方式分 脈沖增量式編碼器編碼器是一種旋轉式轉角位移檢測元件，通常裝在被檢測的軸上。隨被測軸一起旋轉，可將被測軸的角位移轉換成增量式脈沖或絕對式代碼的形式。編碼器根據(jù)輸出信號的方式不同，可分為絕對值式編碼器和脈沖增量式編碼器。第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第二節(jié)第二節(jié) 光電編碼器光電編碼器 常用的增量式旋轉編碼器為增量式光電編碼器，如圖6-6所示。當光電碼盤旋轉時，光線通過光欄板和光電碼盤產(chǎn)生明暗相間的變化，由光敏元件接收，光敏元件將光信號轉換成電脈沖信號。光電編碼器的測量

5、精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與光電碼盤圓周的條紋數(shù)有關，即分辨角為：2.1 2.1 增量式編碼器增量式編碼器 360=z式中，z為條紋數(shù)圖6-6 增量式光電編碼器結構示意圖1轉軸；2發(fā)光二極管；3光欄板；4零標志；5光敏元件；6光電碼盤；7印制電路板；8電源及信號連接座第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第二節(jié)第二節(jié) 光電編碼器光電編碼器 如果光欄板上兩條夾縫中的信號分別為A和B，相位相差90，通過整形，成為兩個方波信號，光電編碼盤的輸出波形如圖6-7所示。根據(jù)A和B的先后順序，即可判斷光電盤的正反轉。若A相超前于B相，對應轉軸正轉；若B相超前于A相，則對應于軸反轉。若以該方波的前沿

6、或后沿產(chǎn)生記數(shù)脈沖，可以形成代表正向位移或反向位移的脈沖序列。除此之外，光電脈沖編碼盤每轉一轉還輸出一個零位脈沖的信號，這個信號可用做加工螺紋時的同步信號。 2.1 2.1 增量式編碼器增量式編碼器 圖6-7 增量式脈沖編碼盤的輸出波形第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第二節(jié)第二節(jié) 光電編碼器光電編碼器 絕對式旋轉編碼器可直接將被測角度用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有對應的測量代碼，因此，這種測量方式即使斷電，只要再通電就能讀岀被測軸的角度位置，即具有斷電記憶力功能。2.2 2.2 絕對式編碼器絕對式編碼器 圖6-8 接觸式碼盤 第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第二節(jié)第二節(jié)

7、光電編碼器光電編碼器 2.2 2.2 編碼器在數(shù)控機床中的應用編碼器在數(shù)控機床中的應用 1234位移測量位移測量 主軸控制主軸控制 測測 速速 零標志脈沖用于零標志脈沖用于回參考點控制回參考點控制 第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第三節(jié)第三節(jié) 光電尺和磁柵尺光電尺和磁柵尺3.1 3.1 光柵尺的結構及工作原理光柵尺的結構及工作原理 光柵尺的結構組成 數(shù)控機床中用于直線位移檢測的光柵尺有透射光柵和反射光柵兩大類 。圖6-9 光柵尺外觀示意圖 圖6-10 透射光柵組成示意圖1光柵尺；2掃描頭；3電纜第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第三節(jié)第三節(jié) 光電尺和磁柵尺光電尺和磁柵尺3.1 3.1

8、 光柵尺的結構及工作原理光柵尺的結構及工作原理 光柵尺的工作原理與特點 光柵尺上相鄰兩條光柵線紋間的距離稱為柵距或節(jié)距 ，安裝時，要求標尺光柵和相互平行，并且其線紋相互偏斜一個很小的角度b，兩光柵線紋相交，形成透光和不透光的菱形條紋，這種黑白相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋的傳播方向與光柵線紋大致垂直。兩條莫爾條紋間的距離為p，因偏斜角度b很小，所以有近似公式 =p圖6-11 光柵尺工作原理當工作臺正向或反向移動一個柵距l(xiāng)時，莫爾條紋向上或向下移動一個紋距p，莫爾條紋經(jīng)狹縫和透鏡由光電元件接收，把光信號轉變?yōu)殡娦盘?。第六章第六?位置檢測技術位置檢測技術第三節(jié)第三節(jié) 光電尺和磁柵尺光電尺和磁柵

9、尺3.2 3.2 光柵尺位移數(shù)字變換系統(tǒng)光柵尺位移數(shù)字變換系統(tǒng) 圖6-13中的a、b、c、d是四塊硅光電池，產(chǎn)生的信號在相位上彼此相差90，a、b信號是相位相差180的兩個信號，送入差動放大器放大，得到正弦信號，將信號幅度放大到足夠大。圖6-13 四倍頻電路第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第三節(jié)第三節(jié) 光電尺和磁柵尺光電尺和磁柵尺3.2 3.2 光柵尺位移數(shù)字變換系統(tǒng)光柵尺位移數(shù)字變換系統(tǒng) 同理，c、d信號送入另一個差動放大器，得到余弦信號。正弦信號經(jīng)整形變成方波A，方波A信號經(jīng)反相得到方波B，余弦信號經(jīng)整形變成方波C，方波C信號經(jīng)反相得到方波D，A、B、C、D信號再經(jīng)微分變成窄脈沖A、

10、B、C、D，即在順時針或逆時針每個方波的上升沿產(chǎn)生窄脈沖，如圖6-14所示。由與門電路把0、90、180、270四個位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來，根據(jù)不同的移動方向形成正向脈沖或反向脈沖，用可逆計數(shù)器進行計數(shù)，就可測量出光柵的實際位移。 圖6-14 四倍頻電路信號處理波形第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第三節(jié)第三節(jié) 光電尺和磁柵尺光電尺和磁柵尺3.3 3.3 磁柵尺的結構及工作原理磁柵尺的結構及工作原理 特點特點定義定義作用作用 磁柵是一種計算磁波數(shù)目的位置檢測元件。它由磁性標尺、磁頭和檢測電路組成。 按其結構分為直線形和圓形，分別用于直線位移和角位移的檢測。 其優(yōu)點是精度高，制造簡單，安

11、裝方便，對使用環(huán)境的條件要求較低，對周圍電磁場的抗干擾能力較強，在油污、粉塵較多的場合下使用有好的穩(wěn)定性。 第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第三節(jié)第三節(jié) 光電尺和磁柵尺光電尺和磁柵尺3.3 3.3 磁柵尺的結構及工作原理磁柵尺的結構及工作原理 磁性標尺 磁性標尺通常采用熱膨脹系數(shù)與普通鋼相同的不導磁材料做基體，鍍上一層1030mm厚的高導磁性材料，形成均勻磁膜。再用錄磁磁頭在尺上記錄相等節(jié)距的周期性磁化信號，作為測量基準，信號可為正弦波、方波等。節(jié)距通常有0.05mm、0.1mm、0.2mm，最后在磁尺表面還要涂上一層12mm厚的保護層，以防止磁頭與磁尺頻繁接觸而引起磁膜磨損。第六章第六

12、章 位置檢測技術位置檢測技術第三節(jié)第三節(jié) 光電尺和磁柵尺光電尺和磁柵尺3.3 3.3 磁柵尺的結構及工作原理磁柵尺的結構及工作原理 拾磁磁頭 拾磁磁頭是一種磁電轉換裝置，用來把磁性標尺上的磁化信號檢測出來變成電信號送給檢測電路。其工作原理是將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時，在磁頭上產(chǎn)生磁通，當磁頭靠近磁性標尺時，磁性標尺上的磁信號產(chǎn)生的磁通通過磁頭鐵芯，并被高頻勵磁電流產(chǎn)生的磁通調(diào)制，從而在拾磁繞組中感應出電壓信號輸出。 圖6-15 磁通響應型磁頭第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第四節(jié)第四節(jié) 旋轉變壓器和感應同步器旋轉變壓器和感應同步器4.1 4.1 旋轉變壓器的結構和工作原理旋轉變壓器的結

13、構和工作原理 作用作用原理原理結構結構特點特點 在結構上與繞線轉子異步電動機相似，由定子和轉子組成，勵磁電壓接到定子繞組上 其特點是堅固、耐熱和耐沖擊，抗振性好，一般用于精度要求不高的機床 旋轉變壓器是基于互感原理工作的，當對旋轉變壓器的一次側施加一定的交流電壓勵磁時，其二次側的輸出電壓將與轉子轉角嚴格保持某種函數(shù)關系。 第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第四節(jié)第四節(jié) 旋轉變壓器和感應同步器旋轉變壓器和感應同步器4.1 4.1 旋轉變壓器的結構和工作原理旋轉變壓器的結構和工作原理 結構組成 圖6-18 無刷旋轉變壓器結構1殼體；2轉子軸；3旋轉變壓器定子；4旋轉變壓器轉子；5變壓器定子；6

14、變壓器轉子；7變壓器一次繞組；8變壓器二次繞組 從轉子感應電壓的輸出方式來看，旋轉變壓器分為有刷和無刷兩種類型。 在有刷結構中，轉子繞組的端點通過電刷和滑環(huán)引出。無刷旋轉變壓器由兩部分組成：一部分稱為分解器，由旋轉變壓器的定子和轉子組成；另一部分稱為變壓器，用它取代電刷和滑環(huán)，其一次繞組與分解器的轉子軸固定在一起，與轉子軸一起旋轉。 第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第四節(jié)第四節(jié) 旋轉變壓器和感應同步器旋轉變壓器和感應同步器4.1 4.1 旋轉變壓器的結構和工作原理旋轉變壓器的結構和工作原理 工作原理 實際應用的旋轉變壓器為正、余弦旋轉變壓器，其定子和轉子各有相互垂直的兩個繞組，如圖6-1

15、9所示為正、余弦旋轉變壓器原理圖。定子上的兩個繞組分別為正弦繞組和余弦繞組，勵磁電壓用Us和Uc表示，轉子繞組中一個繞組為輸出電壓U2，另一個繞組短接。定子繞組通入不同的勵磁電壓，可得到鑒相型和鑒幅型兩種工作方式。圖6-19 正、余弦旋轉變壓器原理圖第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第四節(jié)第四節(jié) 旋轉變壓器和感應同步器旋轉變壓器和感應同步器4.2 4.2 感應同步器的結構和工作原理感應同步器的結構和工作原理 結構組成 感應同步器也是一種電磁式位置檢測傳感器，主要部件由定尺和滑尺組成，定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應繞組，滑尺上有兩組勵磁繞組，一組為正弦勵磁繞組，其電壓為Us，另一組為余弦勵磁繞組，其電壓為Uc。 圖6-20 直線式感應同步器結構示意圖 A正弦勵磁繞組；B余弦勵磁繞組第六章第六章 位置檢測技術位置檢測技術第四節(jié)第四節(jié) 旋轉變壓器和感應同步器旋轉變壓器和感應同步器4.2 4.2 感應同步器的結構和工作原理感應同步器的結構和工作原理 工作原理 感應同步器的工作原理與旋轉變壓器相似。當勵磁繞組和感應繞組間發(fā)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，感應繞組中的感應電壓隨位移的變化而變化。感應同步器和旋轉變壓器就是利用這個特點進行測量的。所不同的是，旋轉變壓器變化的是定子和轉子的角位移，而直線式感應同