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第二章第二章 伺服控制基础知识伺服控制基础知识 1内容提要内容提要第第1 1节节 电力电子器件的应用电力电子器件的应用第第2 2节节 检测元件检测元件2第第2 2节节 检测元件检测元件 速度检测速度检测 角度（角位移）检测角度（角位移）检测 位置检测位置检测 3数控机床对位置检测元件的要求数控机床对位置检测元件的要求1 1具有高可靠性和高抗干扰能力；具有高可靠性和高抗干扰能力；2 2可满足数控机床精度和速度的要求；可满足数控机床精度和速度的要求；3 3能适应生产现场的工作环境，使用、维护方便；能适应生产现场的工作环境，使用、维护方便；4 4价格低，寿命长；价格低，寿命长；5 5便于与数控机床安装、连接。便于与数控机床安装、连接。4位量检测元件的分类和特点位量检测元件的分类和特点 经常用于数控机床的位置检测元件有经常用于数控机床的位置检测元件有旋转变压器、感旋转变压器、感应同步器、编码盘、光栅和磁尺等应同步器、编码盘、光栅和磁尺等。安装的位置及耦合方式安装的位置及耦合方式直接测量直接测量和和间接测量间接测量；测量方法测量方法 增量型增量型和和绝对型绝对型;检测信号的类型检测信号的类型 模拟式模拟式和和数字式数字式；运动型式运动型式 回转型回转型和和直线型直线型；信号转换的原理信号转换的原理 光电效应、光栅效应、电磁感应原理、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压电效应、压阻效应和磁阻效应等。等。分类：分类：5一、速度检测速度检测 在伺服系统中，机械的在伺服系统中，机械的运动速度控制是最基本的控制内容运动速度控制是最基本的控制内容，当对速，当对速度的稳定精度提出较高要求时，就要求对驱动电动机能够实行速度的度的稳定精度提出较高要求时，就要求对驱动电动机能够实行速度的闭环控制。闭环控制。速度闭环控制系统中，常用的速度检测元件一般分为二类，即：速度闭环控制系统中，常用的速度检测元件一般分为二类，即：模拟速度检测元件模拟速度检测元件和和数字速度检测元件数字速度检测元件。测速发电机就是一种模拟速。测速发电机就是一种模拟速度检测元件。由测速发电机构成的速度闭环控制系统，其精度控制在度检测元件。由测速发电机构成的速度闭环控制系统，其精度控制在 3 之内已属不易。之内已属不易。测速发电机是一种微型发电机，它的作用是将转速变为电压信号，测速发电机是一种微型发电机，它的作用是将转速变为电压信号，在理想状态下，测速发电机的输出电压在理想状态下，测速发电机的输出电压UoUo可以用下式表示：可以用下式表示：UoUoK*nK*nKK(d/dt)KK(d/dt)(2-1)(2-1)式中式中 KK-KK-比例常数比例常数(即输出特性的斜率即输出特性的斜率)；n n及及-测速发电机转子的旋转速度、旋转角度。测速发电机转子的旋转速度、旋转角度。6 可见，测速发电机主要有两种用途可见，测速发电机主要有两种用途：1.1.其输出电压与转速成正比，故可用于测速度；其输出电压与转速成正比，故可用于测速度；2.2.如果以转子旋转角度为参数变量，则可作为机电微分、积分器。如果以转子旋转角度为参数变量，则可作为机电微分、积分器。因此测速发电机广泛用于因此测速发电机广泛用于速度速度和和位置位置控制系统中。控制系统中。根据结构和工作原理的不同，测速发电机分为根据结构和工作原理的不同，测速发电机分为直流测速发电机直流测速发电机、交流交流测速发电机测速发电机。交流测速发电机分交流测速发电机分交流同步测速发电机交流同步测速发电机和和交流异步测速发电机交流异步测速发电机。u交流同步测速发电机：交流同步测速发电机：其输出电压，不仅其幅值与转速有关，其频率也其输出电压，不仅其幅值与转速有关，其频率也与转速有关，致使电机本身的阻抗与负载阻抗也与转速有关。这样，与转速有关，致使电机本身的阻抗与负载阻抗也与转速有关。这样，输出输出电压与转速呈非线性关系，电压与转速呈非线性关系，因此，同步测速发电机不宜用于自动控制系统。因此，同步测速发电机不宜用于自动控制系统。u交流异步测速发电机交流异步测速发电机：其其输出电压与转速有严格的线性关系输出电压与转速有严格的线性关系，广泛用于，广泛用于自动控制系统。自动控制系统。7同步电机和异步电机的区别同步电机和异步电机的区别：三相交流电通过一定结构的三相交流电通过一定结构的定子定子绕组时绕组时,要产生旋转磁场要产生旋转磁场.在旋转磁场的作用下在旋转磁场的作用下,转子随旋转磁场旋转转子随旋转磁场旋转。如果转子如果转子的转速同旋转磁场的转速完全一致的转速同旋转磁场的转速完全一致,就是同步电机就是同步电机;如果转子的转速小于如果转子的转速小于磁场转速磁场转速,也就是说两者不同步也就是说两者不同步,就是异步电机就是异步电机。异步电机结构简单异步电机结构简单,应用广泛应用广泛；同步电机转子本身产生固定方向的同步电机转子本身产生固定方向的磁场磁场(用永磁铁或直流电流产生用永磁铁或直流电流产生),),定子旋转磁场定子旋转磁场 拖着拖着 转子磁场转子磁场(转子转子)转动转动,因此转子的转速一定等于同步速因此转子的转速一定等于同步速。8(一一)异步异步(交流交流)测速发电机测速发电机-模拟测量方式模拟测量方式 异步测速发电机的结构和空心杯形转子伺服电动机相似，其原理电异步测速发电机的结构和空心杯形转子伺服电动机相似，其原理电路图如图所示。路图如图所示。空心杯转子异步测速发电机空心杯转子异步测速发电机结构原理如图所示结构原理如图所示：1.1.有两个定子，外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和输有两个定子，外定子和内定子，外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和输出绕组，彼此在空间相差出绕组，彼此在空间相差9090电角度电角度；而内定子一般不放绕组，仅作磁而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分；路的一部分；2.2.空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材空心杯转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材料料（如铜、铝或铝合（如铜、铝或铝合金）。金）。9 当转子不转时当转子不转时，励磁后由杯形转子中的，励磁后由杯形转子中的感应感应电流（包括涡流）产生的电流（包括涡流）产生的磁场与输出绕组轴线磁场与输出绕组轴线垂直垂直，输出绕组不感应电动势；，输出绕组不感应电动势；当转子转动时当转子转动时，由杯形转子，由杯形转子感应电流感应电流产生的磁场与输出绕组轴线产生的磁场与输出绕组轴线重合重合，在在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同压频率相同。反转时输出电压相位也相反反转时输出电压相位也相反。（p33p33）励磁绕组励磁绕组输出绕组输出绕组转子转子内定子内定子测量仪器测量仪器10(二二)直流测速发电机直流测速发电机-模拟测量方式模拟测量方式 直流测速发电机是一种用来测直流测速发电机是一种用来测量转速的小型他励直流发电机，量转速的小型他励直流发电机，其工作原理见图其工作原理见图2-442-44。空载时：空载时：负载时：负载时：只要只要CeCe（与磁通有关）与（与磁通有关）与RaRa、RLRL保持不变，则保持不变，则输出电压输出电压U U与转速与转速n n成成正比正比。改变转子的转向，则电势极性改变，输出电压的极性也改变。因。改变转子的转向，则电势极性改变，输出电压的极性也改变。因此，直流测速发电机便将转速信号变换成电压信号，达到测速的目的。此，直流测速发电机便将转速信号变换成电压信号，达到测速的目的。11异步测速发电机的主要优点是异步测速发电机的主要优点是：不需要电刷和换向器，因而结构简单，维护不需要电刷和换向器，因而结构简单，维护容易，惯量小，无滑动接触，输出特性稳定，精度高，摩擦转矩小，不产生容易，惯量小，无滑动接触，输出特性稳定，精度高，摩擦转矩小，不产生无线电干扰无线电干扰（无摩擦火花）（无摩擦火花），工作可靠，正、反向旋转时输出特性对称。，工作可靠，正、反向旋转时输出特性对称。其主要缺点是：其主要缺点是：存在剩余电压和相位误差，且负载的大小和性质会影响输出存在剩余电压和相位误差，且负载的大小和性质会影响输出电压的幅值和相位。电压的幅值和相位。直流测速发电机的主要优点是直流测速发电机的主要优点是：没有相位波动，没有剩余电压，输出特性的没有相位波动，没有剩余电压，输出特性的斜率比异步测速发电机的大（即测量值变化明显）。斜率比异步测速发电机的大（即测量值变化明显）。其主要缺点是：其主要缺点是：由于有电刷和换向器，因而结构复杂，维护不便，摩擦转矩由于有电刷和换向器，因而结构复杂，维护不便，摩擦转矩大，有换向火花，产生无线电干扰信号，输出特性不稳定，且正、反向旋转大，有换向火花，产生无线电干扰信号，输出特性不稳定，且正、反向旋转时，输出特性不对称。时，输出特性不对称。直流测速发电机与异步测速发电机的性能比较直流测速发电机与异步测速发电机的性能比较：12(三三)光电测速盘（光电编码器）光电测速盘（光电编码器）-数字测量方式数字测量方式 1.1.光电测速原理光电测速原理 2.2.电动机旋转方向辨别电动机旋转方向辨别 3.3.数字测速方法数字测速方法 13光源光源光敏元件光敏元件脉冲频率：脉冲频率：fc=Nn/60 N-圆盘的小孔数，受限于圆盘的大小。圆盘的小孔数，受限于圆盘的大小。n-电动机转速电动机转速可见：输出频率可见：输出频率fc与转速与转速n呈正比。呈正比。这种测量精度比测速机的精度高出几个数量级。这种测量精度比测速机的精度高出几个数量级。增量式光电测速原理增量式光电测速原理14电动机旋转方向辨别：电动机旋转方向辨别：设置一对光电传感器，并使彼此测得信号相差设置一对光电传感器，并使彼此测得信号相差90相位角，根据测得脉相位角，根据测得脉冲的超前、滞后情况加以判断。冲的超前、滞后情况加以判断。15绝对式脉冲编码器绝对式脉冲编码器 绝对式脉冲编码器不需要基数，它在任意位置都给出与其对应的一绝对式脉冲编码器不需要基数，它在任意位置都给出与其对应的一个固定数字码输出。个固定数字码输出。常用的绝对式脉冲编码器有常用的绝对式脉冲编码器有接触式码盘、光学码盘和磁性码盘接触式码盘、光学码盘和磁性码盘。例如：例如：接触式码盘接触式码盘，敏感元件电刷与码盘上导电区直接接触，以检测敏感元件电刷与码盘上导电区直接接触，以检测出码盘的位置。出码盘的位置。u 码盘基体是绝缘体，码道是一组同心圆导体，码道的数目根据分辨率码盘基体是绝缘体，码道是一组同心圆导体，码道的数目根据分辨率来决定来决定；u 同心圆的径向距离是码道的宽度。若码道数为同心圆的径向距离是码道的宽度。若码道数为n n，则每周测量的分辨，则每周测量的分辨率为率为360/2360/2n n。以这个角度为间隔，在一周内划出。以这个角度为间隔，在一周内划出2 2n n个扇区，如下图所示。个扇区，如下图所示。u 其中阴影部分为导电区，逻辑电平为其中阴影部分为导电区，逻辑电平为“1”“1”，白色部分为绝缘区，逻，白色部分为绝缘区，逻辑电平为辑电平为“0”“0”。每个码道上装有一个电刷，。每个码道上装有一个电刷，每个电刷和一根单独电线相每个电刷和一根单独电线相连，作为某一位逻辑电平连，作为某一位逻辑电平“1”“1”或或“0”“0”的输出的输出。这样一组扇形区对应于。这样一组扇形区对应于一个二进制数。一个二进制数。一般外轨道为低位，内轨道为高位一般外轨道为低位，内轨道为高位，这样就可用二进制，这样就可用二进制数来表示码盘转过的角度。数来表示码盘转过的角度。16绝对脉冲发生器码盘绝对脉冲发生器码盘 17格雷码盘格雷码盘18十位绝对式编码器十位绝对式编码器19旋转编码器旋转编码器 400400线（线（400400脉冲脉冲/周）周）型号：型号：增量型旋转编码器，增量型旋转编码器，A A、B B两相。通过旋转的光栅盘和光耦产生可两相。通过旋转的光栅盘和光耦产生可识别方向的计数脉冲信号。识别方向的计数脉冲信号。性能：性能：400P/R-400400P/R-400脉冲每转。脉冲每转。DC12-24VDC12-24V供电，最小供电，最小5V5V供电。最大机械转供电。最大机械转速速1000010000转转/分，响应频率：分，响应频率：0-20KHz0-20KHz；用途：用途：用于测量物体的旋转速度、角度、加速度及长度测量。用于测量物体的旋转速度、角度、加速度及长度测量。使用范围：使用范围：适用于各种位移变化智能控制、钢筋定长裁剪控制器、民用适用于各种位移变化智能控制、钢筋定长裁剪控制器、民用的测身高人体秤、大学生比赛用机器人等。的测身高人体秤、大学生比赛用机器人等。特点：特点：具有体积小、重量轻，安装方便，性价比极高的显著优点。具有体积小、重量轻，安装方便，性价比极高的显著优点。接线输出：接线输出：A A相，相，B B相，相，VccVcc正电源，正电源，V0V0地，屏蔽线。接线颜色产品铭牌地，屏蔽线。接线颜色产品铭牌上有明确标注。上有明确标注。20数字测速方法数字测速方法 在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有的方法有M M法测速法测速T T法测速法测速和和M/TM/T法测速法测速三种：三种：M M法测速是指法测速是指：在规定时间间隔：在规定时间间隔TgTg内，测量所产生的脉冲内，测量所产生的脉冲数来获得被测速度值；数来获得被测速度值；T T法测速是指法测速是指：测量相邻两个脉冲的时间间隔：测量相邻两个脉冲的时间间隔T Ttachtach来确定来确定被测速度值；被测速度值；M/TM/T法测速是指法测速是指：同时测量检测时间和在此检测时间内脉：同时测量检测时间和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确定被测速度值。冲发生器发送的脉冲数来确定被测速度值。21二、角度（角位移）检测二、角度（角位移）检测 在伺服系统中测角度（角位移）的方法很多，常用的有电位计、差动变在伺服系统中测角度（角位移）的方法很多，常用的有电位计、差动变压器、微动同步器、自整角机、旋转变压器等，这里介绍部分测量元件。压器、微动同步器、自整角机、旋转变压器等，这里介绍部分测量元件。-测小角位移测小角位移(一一)差动变压器和微同步器差动变压器和微同步器 1.1.差动变压器差动变压器直线位移式直线位移式转角式转角式励磁励磁输出输出22差动变压器差动变压器232.2.微动同步器微动同步器 微动同步器由四极定子和两极转子组成。在微动同步器由四极定子和两极转子组成。在定子每个极上定子每个极上绕有两个绕有两个线圈线圈（初级在里侧，次级在外侧）（初级在里侧，次级在外侧）。用各极中的一个线圈串联成初级激。用各极中的一个线圈串联成初级激磁回路，各极中的另一线圈则串联成次级感应回路。磁回路，各极中的另一线圈则串联成次级感应回路。信号型的微动同步器实际上是一种高精确度的信号型的微动同步器实际上是一种高精确度的变磁阻型旋转变压器变磁阻型旋转变压器。对于一定的励磁电压和频率来说，在一定的转子转角范围对于一定的励磁电压和频率来说，在一定的转子转角范围(一般为一般为1010度度或或1212度度)内，它的内，它的输出电压正比于转子转角输出电压正比于转子转角。24 激磁回路的连接原则是激磁回路的连接原则是：当将等幅交流电压加于其上时，在激磁电流：当将等幅交流电压加于其上时，在激磁电流的某半周期内，各极上的磁通方向如图中箭头所示；的某半周期内，各极上的磁通方向如图中箭头所示；次级感应回路的连接次级感应回路的连接原则是：原则是：使总的输出电压是使总的输出电压是 、极和极和I I、极上感应电压之差。极上感应电压之差。当转子如图处于对称于定子的位置时，定子和转子之间的四个气隙几当转子如图处于对称于定子的位置时，定子和转子之间的四个气隙几何形状完全相同，各极的磁通相等，从而使得何形状完全相同，各极的磁通相等，从而使得 、极上的感应电压与极上的感应电压与I I、IVIV极上的感应电压相等，总的输出电压为零，转子被看成处于零位。若极上的感应电压相等，总的输出电压为零，转子被看成处于零位。若转子偏离零位一个角度，则四个气隙不再相同，造成了各极磁通量的变化，转子偏离零位一个角度，则四个气隙不再相同，造成了各极磁通量的变化，其中一对磁极的磁通减小，另一对滋极的磁通增大，这样，次级就有一个其中一对磁极的磁通减小，另一对滋极的磁通增大，这样，次级就有一个正比于转子角位移的电压输出。正比于转子角位移的电压输出。当转动方向改变时，输出电压有当转动方向改变时，输出电压有180180的相位跃变的相位跃变，微动同步器的输出微动同步器的输出电压的频率等同励磁电源频率电压的频率等同励磁电源频率（通常采用的励磁电压为（通常采用的励磁电压为60605050HzHz，5 5 50V50V）。微动同步器的灵敏度大约为每度）。微动同步器的灵敏度大约为每度0.20.25V5V，非线性度，非线性度0.10.11.01.0。25(二二)旋转变压器旋转变压器 简简称称旋旋变变，是是一一种种输输出出电电压压随随转转子子转转角角变变化化的的信信号号元元件件。当当励励磁磁绕绕组组以以一一定定频频率率的的交交流流电电压压励励磁磁时时，输输出出绕绕组组（转转子子绕绕组组）的的电电压压幅幅值值（或或相相位位）与与转转子子转转角角成成正正余余弦弦函函数数关关系系，或或保保持持某某一一比比例例关关系系，或或在在一一定定转转角角范范围围内内成成线性关系线性关系。旋转变压器常用于数控机床中旋转变压器常用于数控机床中角位移角位移的检测。它具有结构的检测。它具有结构简单、工作可靠、信号输出幅值大、抗干扰能力强等优点；简单、工作可靠、信号输出幅值大、抗干扰能力强等优点；但其但其测量精度低测量精度低。一般用于精度要求不高的数控机床或大一般用于精度要求不高的数控机床或大型数控机床的粗测及中测系统型数控机床的粗测及中测系统。261 1、旋转变压器的结构、旋转变压器的结构 旋转变压器旋转变压器(又称又称同步分解器同步分解器)微微特电机的一种，和两相绕线式异步电特电机的一种，和两相绕线式异步电机结构相似。它由定子和转子两部分机结构相似。它由定子和转子两部分组成。（定子和转子均由高导磁的铁组成。（定子和转子均由高导磁的铁镍软磁合金或硅钢薄板冲压成的槽状镍软磁合金或硅钢薄板冲压成的槽状芯片叠成）芯片叠成）在定子和转子的槽状铁芯内分别在定子和转子的槽状铁芯内分别嵌有绕组，嵌有绕组，定子定子绕组为旋转变压器的绕组为旋转变压器的原边原边，它通过固定在壳体上的接板直，它通过固定在壳体上的接板直接引出；接引出；转子转子绕组为旋转变压器的绕组为旋转变压器的副副边边，转子绕组分为有刷和无刷两种引，转子绕组分为有刷和无刷两种引出方式。出方式。定子定子转子转子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R427 根据转子绕组的引出方式，可将旋转变压器分为有刷式和根据转子绕组的引出方式，可将旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。无刷式两种结构形式。有刷式旋转变压器有刷式旋转变压器:它的转子绕组是通过滑环和电刷直接引它的转子绕组是通过滑环和电刷直接引出的，由于电刷与滑环是机械滑动接触，所以，旋转变压器的出的，由于电刷与滑环是机械滑动接触，所以，旋转变压器的可靠性差，寿命短。可靠性差，寿命短。(a)(a)有刷式旋转变压器有刷式旋转变压器11转转子子绕绕组组；22定定子子绕绕组组；33转转子子；44整整流流子子；55电电刷刷；66接线柱接线柱注：换向器俗称整流子。注：换向器俗称整流子。28 无刷式旋转变压器无刷式旋转变压器:它可分为它可分为旋转变压器本体旋转变压器本体和和附加变压器附加变压器两部两部分。分。附加附加变压器的变压器的原边、副边原边、副边铁芯及绕组均做成铁芯及绕组均做成环形环形，分别固定于，分别固定于转转子轴和壳体子轴和壳体上上，径向留有一定的间隙。旋转变压器，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转子绕组本体的转子绕组（副边）（副边）与与附加变压器原边线圈附加变压器原边线圈连接在一起，因此，通过电磁耦合，连接在一起，因此，通过电磁耦合，附加变压器原边上的电信号经附加变压器副边间接地送了出去。附加变压器原边上的电信号经附加变压器副边间接地送了出去。这种结构避免了电刷与滑环的接触不良，提高了旋转变压器的可靠性这种结构避免了电刷与滑环的接触不良，提高了旋转变压器的可靠性和使用寿命，但也增加了体积、重量和成本。和使用寿命，但也增加了体积、重量和成本。(b)(b)无刷式旋转变压器无刷式旋转变压器11壳壳体体；22本本体体定定子子；77本本体体转转子子；33附附加加变变压压器器定定子子；44附附加加变变压压器器一一次次绕绕组组（原原边边）；55附附加加变变压压器器转转子子线线轴轴；66附附加加变变压压器器二二次次绕绕组组（副副边边）；88转子轴转子轴29 常见的旋转变压器一般有常见的旋转变压器一般有两极绕组两极绕组和和四级绕组四级绕组两种结构形两种结构形式。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精密绝对式检式。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精密绝对式检测系统。测系统。302 2、旋转变压器的工作原理、旋转变压器的工作原理 由于旋转变压器在结构上保证了定子与转子之间空气间由于旋转变压器在结构上保证了定子与转子之间空气间隙的磁通按正弦规律分布，隙的磁通按正弦规律分布，当定子绕组加上当定子绕组加上400Hz400Hz、500Hz500Hz、1000Hz1000Hz、2000Hz2000Hz或或5000Hz5000Hz交流励磁电压时，通过电磁耦合，交流励磁电压时，通过电磁耦合，转子绕组会产生感应电动势转子绕组会产生感应电动势，其输出电压的大小取决于定子其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组的轴线在空间的相对位置。与转子两个绕组的轴线在空间的相对位置。31V1=Vmsint E 2=nVmsint（=90）E2=nVmsint sin E E2 2=0=0（=0）E2=nV1sin=nVm sint sin =0 E 2=0 =90 E 2=nVmsint式中式中:E:E2 2转子绕组感应电势；转子绕组感应电势；V V1 1定子绕组励磁电压，定子绕组励磁电压，V V1 1=Vm sint=Vm sint；Vm Vm电压信号幅值；电压信号幅值；定子绕组轴线的垂线定子绕组轴线的垂线与与转子绕组轴线间夹角；转子绕组轴线间夹角；n n变压比（即两个绕组匝数比）变压比（即两个绕组匝数比）V1=Vmsint V1=Vmsint 1定子定子转子转子32 实际使用中常采用正弦余弦旋转变压器，其定子和转子绕组中各有一实际使用中常采用正弦余弦旋转变压器，其定子和转子绕组中各有一对互相垂直的绕组，如图所示。当两个对互相垂直的绕组，如图所示。当两个定子绕组定子绕组分别加上两个相位相差分别加上两个相位相差9090度的励磁电压，即：度的励磁电压，即：V1=Vm sint；V2=Vm cost应用叠加原理，应用叠加原理，可求出转子可求出转子绕组中一个绕组的感应绕组中一个绕组的感应磁通磁通为为：(使用时使用时另一个绕组接另一个绕组接高阻抗，不作为旋转变压器高阻抗，不作为旋转变压器的输出，主要起平衡磁场的的输出，主要起平衡磁场的作用，目的在于提高测量精作用，目的在于提高测量精度度)V2V2产生产生的磁通的磁通V1V1产生的产生的磁通磁通作用于转子部分作用于转子部分的磁通分量的磁通分量112233输出电动势输出电动势：33 若将转子与数控机床的若将转子与数控机床的进给丝杠进给丝杠同轴安装，定子安装在机床的相对同轴安装，定子安装在机床的相对固定部分，则固定部分，则角为丝杠转过的角度，即间接地反映了机床工作台的角为丝杠转过的角度，即间接地反映了机床工作台的移动距离移动距离。从上式可知，旋转变压器转子绕组感应电动势的。从上式可知，旋转变压器转子绕组感应电动势的相位相位严格严格地按地按转子偏转角转子偏转角1 1的正弦规律变化，其频率和励磁电压的频率相同。的正弦规律变化，其频率和励磁电压的频率相同。因此，可采用测量旋转变压器转子绕组感应电动势的因此，可采用测量旋转变压器转子绕组感应电动势的相位相位的方法，来测量转子转角的方法，来测量转子转角的变化。的变化。343 3、旋转变压器的信号处理、旋转变压器的信号处理 根据工作要求和精度的不同，旋转变压器的信号处理有根据工作要求和精度的不同，旋转变压器的信号处理有鉴相型鉴相型和和鉴鉴幅型幅型两种方式。两种方式。1）鉴相型工作方式）鉴相型工作方式(同前面同前面)在在鉴鉴相相型型工工作作方方式式下下，旋旋转转变变压压器器的的两两相相正正交交定定子子绕绕组组分分别别加加上上幅幅值值相相等、频率相同而相位相差等、频率相同而相位相差90度度的正弦励磁电压，即：的正弦励磁电压，即：V1=Vm sint V2=Vm cost式中：式中：Vm励磁电压的幅值；励磁电压的幅值；励磁角频率。励磁角频率。这两相励磁电压在转子绕组中产生的感应电动势为：这两相励磁电压在转子绕组中产生的感应电动势为：35 由上式可知，由上式可知，转子绕组感应电动势的转子绕组感应电动势的相位相位严格地按转子转角严格地按转子转角1的正的正弦弦(或余弦或余弦)规律变化，其频率和励磁电压频率相同（幅值不变）。因此，规律变化，其频率和励磁电压频率相同（幅值不变）。因此，可利用可利用鉴相器鉴相器线路检测旋转变压器转子绕组中感应电动势的线路检测旋转变压器转子绕组中感应电动势的相位相位来测量来测量出转子相对于定子的转角出转子相对于定子的转角1，即被测位移的大小。，即被测位移的大小。但是，因为但是，因为u u3 3是关于是关于1 1的周期函数，故转子每转一周，的周期函数，故转子每转一周，u u3 3将周期性将周期性的变化一次，因此，实际应用中，不但要测的变化一次，因此，实际应用中，不但要测u u3 3的大小（为了测相位），还的大小（为了测相位），还要测其周期性变化的次数；或者将被测角位移限制在要测其周期性变化的次数；或者将被测角位移限制在180180以内。以内。362 2）鉴幅型工作方式）鉴幅型工作方式在鉴幅型工作方式下，旋转变压器的两相正交定子绕组分别加上在鉴幅型工作方式下，旋转变压器的两相正交定子绕组分别加上相位相等相位相等、频率相同频率相同而而幅值不同幅值不同的励磁电压，即：的励磁电压，即：V1=-V1m sint V2=V2m sint V1m=Vmcos V2m=Vmsin式中：式中：V1m,V2m为励磁电压的幅值。为励磁电压的幅值。旋转变压器的电相角。旋转变压器的电相角。这两相励磁电压在这两相励磁电压在转子绕组中产生的感应电动势转子绕组中产生的感应电动势为：为：可见，旋转变压器转子绕组感应电动势的可见，旋转变压器转子绕组感应电动势的幅值幅值严格地按转子转角严格地按转子转角的变化的变化而变化。若而变化。若=，则，则E E2 20 0。实际应用中，可根据转子绕组感应电动势的大小。实际应用中，可根据转子绕组感应电动势的大小(即励磁幅值即励磁幅值)，不断修改定子绕组励磁信号的，不断修改定子绕组励磁信号的 ，使其跟踪使其跟踪的变化的变化，以测量，以测量角位移角位移。37三、位置检测三、位置检测 在伺服系统中运动部件的位置检测分在伺服系统中运动部件的位置检测分角位移和直线位移角位移和直线位移检测。检测。前面介绍的角位移传感器一般用于前面介绍的角位移传感器一般用于小角位移（速度）小角位移（速度）检测。检测。而大角位移检测或直线位移检测，常用而大角位移检测或直线位移检测，常用感应同步器、光栅、磁感应同步器、光栅、磁尺尺等。等。38(一一)感应同步器感应同步器 1.1.基本原理：基本原理：感应同步器是一种检测感应同步器是一种检测机械角位移机械角位移或或直线位移直线位移的的精密精密传感器。分传感器。分旋转旋转式式（圆盘式）（圆盘式）和和直线式直线式（较多使用）（较多使用）两种，在伺服系统中，分别用于测量两种，在伺服系统中，分别用于测量角度角度和和长度长度。直线式由直线式由定尺和滑尺定尺和滑尺组成；圆盘式由组成；圆盘式由转子转子和和定子定子组成。组成。前者用于前者用于直线位移直线位移的测量，后者用于的测量，后者用于角位移角位移的测量。的测量。工作时，当工作时，当滑尺（定尺）绕组滑尺（定尺）绕组加上一定频率的励磁电压后，根据电磁感加上一定频率的励磁电压后，根据电磁感应原理，在应原理，在定尺（滑尺）绕组定尺（滑尺）绕组上将感应出上将感应出相同频率相同频率的感应电动势。的感应电动势。感应同步器对环境要求低，抗干扰能力强，维护简单，寿命长，价格低，感应同步器对环境要求低，抗干扰能力强，维护简单，寿命长，价格低，同时具有一定的精度，所以应用广泛。同时具有一定的精度，所以应用广泛。广泛用于数控机床、雷达天线定位广泛用于数控机床、雷达天线定位跟踪等。跟踪等。但相对于旋转变压器安装稍麻烦。但相对于旋转变压器安装稍麻烦。39定子定子 转子转子分段绕组分为两组，布置成空间相差分段绕组分为两组，布置成空间相差9090相角，即相角，即1/41/4节距（一节距相当节距（一节距相当于旋转变压器一转，于旋转变压器一转，360360电角度），电角度），又称为正、余弦绕组又称为正、余弦绕组1)圆盘式（旋转）感应同步器圆盘式（旋转）感应同步器2)直线式感应同步器直线式感应同步器2.2.感应同步器的结构感应同步器的结构40 直线式感应同步器相当于一个展开式的旋转变压器，定尺和滑尺的基板由直线式感应同步器相当于一个展开式的旋转变压器，定尺和滑尺的基板由与机床热膨胀系数相似的钢板或铸铁做成、钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并与机床热膨胀系数相似的钢板或铸铁做成、钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并做成印制绕组。定尺上是做成印制绕组。定尺上是连续绕组连续绕组，滑尺上是，滑尺上是分段绕组分段绕组(又称正、余弦绕组又称正、余弦绕组)。(a)定尺绕组(b)W形滑尺绕组(c)U形滑尺绕组 印制电路绕组：用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属（或玻璃）基板上，然后按设计要求腐蚀印制电路绕组：用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属（或玻璃）基板上，然后按设计要求腐蚀成不同曲折形状的平面绕组。这种绕组称为印制电路绕组。成不同曲折形状的平面绕组。这种绕组称为印制电路绕组。节距节距413.3.测量原理测量原理 上图所示为感应电动势与绕组位置的关系上图所示为感应电动势与绕组位置的关系（在滑尺（在滑尺S S、C C上加励磁信号）上加励磁信号）vA A点点:当滑尺上的正弦绕组当滑尺上的正弦绕组S S和定尺绕组重合时，耦合磁通最大，感应电动势也最大；和定尺绕组重合时，耦合磁通最大，感应电动势也最大；vB B点点:滑尺继续移动，感应电动势逐渐减小，当移动到滑尺继续移动，感应电动势逐渐减小，当移动到1/41/4节距位置处（磁通垂直关系），节距位置处（磁通垂直关系），感应电动势为零；感应电动势为零；vC C点：继续移动到半个节距点时，感应电动势为负的最大值；点：继续移动到半个节距点时，感应电动势为负的最大值；vD D点：在点：在3/43/4节距处又变为零；节距处又变为零；vE E点：移动到一个节距处，感应电动势又为正的最大值。点：移动到一个节距处，感应电动势又为正的最大值。从上可知，从上可知，感应电动势随着滑尺相对于定尺的移动而周期性地变化感应电动势随着滑尺相对于定尺的移动而周期性地变化。加大励磁电。加大励磁电压将获得较大的感应电动势，但过大的励磁电压将引起过大的励磁电流，致使温升过压将获得较大的感应电动势，但过大的励磁电压将引起过大的励磁电流，致使温升过高而无法正常工作，所以，高而无法正常工作，所以，一般励磁电压为一般励磁电压为1 12V2V。424 4、感应同步器的信号处理、感应同步器的信号处理同样有鉴相型和鉴幅型两种工作方式同样有鉴相型和鉴幅型两种工作方式 1 1）鉴相型工作方式）鉴相型工作方式 根据根据定尺绕组感应电动势的定尺绕组感应电动势的相位相位变化变化来鉴别滑尺相对于定来鉴别滑尺相对于定尺的尺的位移量位移量。当滑尺上两个互相错开当滑尺上两个互相错开1/41/4节距的绕组分别加上节距的绕组分别加上幅值、频率幅值、频率相同，而相位相差相同，而相位相差9090的励磁电压的励磁电压U Us s=Umcost和和U Uc c=Umsint时，时，它们在定尺绕组上所产生的感应电动势分别为：它们在定尺绕组上所产生的感应电动势分别为：这时定尺绕组总的感应电动势为：这时定尺绕组总的感应电动势为：43nq q电磁耦合系数电磁耦合系数的幅值的幅值反映的是定尺和滑尺的相对移动的距离反映的是定尺和滑尺的相对移动的距离x。SUmU 当滑尺移动的距离为当滑尺移动的距离为x时，检测周期是时，检测周期是2 2，则对应于感应电势以，则对应于感应电势以余弦函数将变化余弦函数将变化角：角：即：定尺绕组感应电动势的相位即：定尺绕组感应电动势的相位(t+)反映了感应同步器定反映了感应同步器定滑两尺的相对位移滑两尺的相对位移x。因此，。因此，可可通过测量定尺绕组感应电动势的相通过测量定尺绕组感应电动势的相位变化来测量感应同步器两尺的相对位移量位变化来测量感应同步器两尺的相对位移量。44 鉴幅型工作方式是根据定尺绕组感应电动势的鉴幅型工作方式是根据定尺绕组感应电动势的幅值幅值变化来鉴别滑尺相对于变化来鉴别滑尺相对于定尺的位移量。当滑尺上两个互相错开定尺的位移量。当滑尺上两个互相错开1/41/4节距的绕组分别加上节距的绕组分别加上相位、频率相相位、频率相同，而幅值不同同，而幅值不同的励磁电压的励磁电压UsUs-Usmsint，UcUcUcmsint时，式中励磁电压的时，式中励磁电压的幅值幅值UsmUsmUmcos Umcos ，UcmUcmUmsinUmsin ，为给定的电相角为给定的电相角。它们在定尺绕组上所。它们在定尺绕组上所产生的感应电动势分别为：产生的感应电动势分别为：2 2）鉴幅型工作方式）鉴幅型工作方式这时定尺绕组总的感应电动势为：这时定尺绕组总的感应电动势为：这里，定尺绕组感应电动势的幅值这里，定尺绕组感应电动势的幅值nUnUm msin(-sin(-)反映了感应同步器反映了感应同步器两尺的相对位移两尺的相对位移x x。因此，。因此，可通过测量定尺绕组感应电动势的幅值变化来可通过测量定尺绕组感应电动势的幅值变化来测量感应同步器两尺的相对位移量测量感应同步器两尺的相对位移量。455 5、感应同步器数字位置测量系统、感应同步器数字位置测量系统 图图2-52 2-52 鉴相型控制原理图鉴相型控制原理图常把感应同步器常把感应同步器作为位置检测元件作为位置检测元件。4647 图图2-53 2-53 感应同步器闭环系统感应同步器闭环系统48定尺不够用时，可进行拼接，需根据电信号调整两根定尺接缝的大小，使定尺不够用时，可进行拼接，需根据电信号调整两根定尺接缝的大小，使其零位误差曲线在拼接时平滑过渡。其零位误差曲线在拼接时平滑过渡。1010根以内根以内的定尺接长时，可将定尺绕的定尺接长时，可将定尺绕组串联；组串联；1010根以上根以上的定尺接长时，为使线圈电阻和电感不致太大，可将定的定尺接长时，为使线圈电阻和电感不致太大，可将定尺分成数量相同的几组，每组定尺绕组串联后，再并联起来，如图，可以尺分成数量相同的几组，每组定尺绕组串联后，再并联起来，如图，可以不降低信噪比。不降低信噪比。(a)(a)串联方式串联方式(b)(b)串、并联方式串、并联方式6.6.感应同步器的拼接感应同步器的拼接49（二）光栅（二）光栅 光栅是一种运用光的光栅是一种运用光的透射和衍射透射和衍射来测量来测量直线位移或角位移直线位移或角位移的光学的光学传感器。它具有传感器。它具有检测范围大、测量精度高、响应速度快检测范围大、测量精度高、响应速度快等优点。等优点。1.光栅的分类光栅的分类光栅按其功能可分为光栅按其功能可分为长光栅长光栅和和圆光栅圆光栅：长光栅：呈尺状，用于测量直线位移；长光栅：呈尺状，用于测量直线位移；圆光栅：呈盘状，用于测量角位移。圆光栅：呈盘状，用于测量角位移。光栅按对入射光波的调制方式又可分为振幅光栅和相位光栅光栅按对入射光波的调制