机械科学与工程学院10867.pptx

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1、数数 控控 技技 术术 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 概述概述4.2 位置检测装置位置检测装置4.3 进给电机及驱动进给电机及驱动4.4 进给伺服系统的控制原理和方法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。制，使工作台按指令路径精确地移动。（1）组成：组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。检测元

2、件（传感器）和信号处理装置。（2）常用检测装置：常用检测装置：旋转变压器、感应同步器、编码旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等器、光栅、磁栅等2（3）精度：精度：系统精度、分辨率系统精度、分辨率 系统精度系统精度：一定范围内测量累积误差最大值。：一定范围内测量累积误差最大值。直线位测量精度：直线位测量精度：0.0020.02m；回转角测量精度：回转角测量精度：5360系统分辨率系统分辨率：能正确检测的最小位移量。：能正确检测的最小位移量。直线位移分辨率：直线位移分辨率：1m，高精度，高精度0.1m；回转分辨率：可达回转分辨率：可达2(0.087)。大型机床：速度为主；大型机床：速度为主

3、；中小型机床、高精度机床：精度为主。中小型机床、高精度机床：精度为主。数控数控机床加机床加工精度工精度主要由主要由检测系检测系统精度统精度决定。决定。4.2 位置检测装置位置检测装置3（4）安装位置安装位置半闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床旋旋转转变变压压器器、编编码码器器等等。安安装装在在电电机机或或丝丝杠杠上上，测测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。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闭环控制系统的数控机床感感应应同同步步器器、光光栅栅、磁磁栅栅等等，安安装装在在工工作作台台和和导导轨轨上，直接测量工作台的直线位移。上，直接测量工作台的直线

4、位移。4.2 位置检测装置位置检测装置4（5）数控机床对检测装置的要求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，适合机床运行环境使用维护方便，适合机床运行环境成本低成本低易于实现高速的动态测量。易于实现高速的动态测量。4.2 位置检测装置位置检测装置54.2.1位置检测装置分类位置检测装置分类 数字式数字式 模拟式模拟式 增量式增量式 绝对式绝对式 增量式增量式 绝对式绝对式 回回转转型型 增量式脉冲增量式脉冲编码器编码器圆光栅圆光栅 绝对式脉冲

5、绝对式脉冲编码器编码器 旋转变压器旋转变压器圆感应同步器圆感应同步器圆磁尺圆磁尺 多极旋转变压器多极旋转变压器3速圆感应同步器速圆感应同步器 直直线线型型 计量光栅计量光栅激光干涉仪激光干涉仪 多通道透射多通道透射光栅光栅 直线感应同步器直线感应同步器光栅尺光栅尺 3速直线感应同步器速直线感应同步器绝对值式磁尺绝对值式磁尺 4.2 位置检测装置位置检测装置6（1）增量式与绝对式）增量式与绝对式 增量式检测方式增量式检测方式功能：功能：测量增量，移动测量增量，移动1个测量单位发出个测量单位发出1个测量信号。个测量信号。如如：测测量量单单位位为为0.001mm，每每移移动动0.001mm发发出出1

6、个个脉脉冲冲信信号，对脉冲计数得到位移量。号，对脉冲计数得到位移量。优点：优点：装置较简单，任何一个对中点均可作测量起点；装置较简单，任何一个对中点均可作测量起点；缺缺点点：一一旦旦计计数数有有误误，此此后后测测量量结结果果全全错错；发发生生故故障障（如如断断电电、断断刀刀等等）时时不不能能找找到到事事故故前前的的位位置置，须须将将工工作作台台移移至起点重新计数。至起点重新计数。增量式检测装置：增量式检测装置：有脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，有脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等光栅，磁栅，激光干涉仪等 4.2 位置检测装置位置检测装置7绝对式检测方式绝对式检测方

7、式功功能能：被被测测量量的的任任一一点点的的位位置置都都以以一一个个固固定定的的零零点点作作基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。优点：优点：避免了增量式检测方式的缺陷避免了增量式检测方式的缺陷缺点：缺点：结构较复杂。结构较复杂。绝绝对对式式检检测测装装置置：有有绝绝对对式式脉脉冲冲编编码码器器、三三速速式式绝绝对对编码器（或称多圈式绝对编码器）等编码器（或称多圈式绝对编码器）等 4.2 位置检测装置位置检测装置8（2）数字式与模拟式）数字式与模拟式数字式测量方式数字式测量方式 以以数数字字形形式式表表示示被被测测量量，测测量量信信号号一一

8、般般为为脉脉冲冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理。可直接把它送到数控装置进行比较、处理。特点：特点：u 便于显示、处理；便于显示、处理；u 测测量量精精度度取取决决于于测测量量单单位位，与与量量程程基基本本无无关关（存存在在累加误差）累加误差）u 检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。4.2 位置检测装置位置检测装置9模拟式测量方式模拟式测量方式 用用连连续续的的变变量量表表示示被被测测量量，如如用用相相位位变变化化、电电压压变化表示。变化表示。特点：特点：u 直接对被测量进行检测；直接对被测量进行检测；u 在小量程内可以实现高精度测量；在小量程内可以实

9、现高精度测量；u 可用于直接检测和间接检测。可用于直接检测和间接检测。6.1 概述概述4.2 位置检测装置位置检测装置10（3）直接测量与间接测量）直接测量与间接测量6.1 概述概述直接测量直接测量 用直线式用直线式检测装置检测装置测直线位移，测直线位移，作为全闭环伺服系作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，构成闭环控制。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。对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。优优点点：测测量量精精度度取取决决于于测测量量元元件件的的精精度度，不不受受机机床床传传动动精度的影响。精度的影响。缺缺点点：检检测测装装置置要要与与行行程程等等长长，

10、对对大大型型数数控控机机床床来来说说，是一个很大的限制。是一个很大的限制。4.2 位置检测装置位置检测装置11 间接测量间接测量 检测装置检测装置测量只是中间值，再由它推算出与之关联的测量只是中间值，再由它推算出与之关联的位移量，位移量，作为半闭环伺服系统的位置反馈。作为半闭环伺服系统的位置反馈。对对机机床床的的直直线线位位移移采采用用回回转转型型检检测测装装置置测测量量，称称为为间间接接测测量。量。优点：优点：使用可靠方便，无长度限制，使用可靠方便，无长度限制，缺缺点点：检检测测信信号号中中加加入入了了直直线线运运动动转转变变为为旋旋转转运运动动的的传传动动链链误误差差，影影响响检检测测精精

11、度度。为为提提高高定定位位精精度度，常常需需要要对对机机床床的传动误差进行补偿。的传动误差进行补偿。4.2 位置检测装置位置检测装置124.2.2 编码器编码器编码器：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。装置，属于间接测量的数字式检测装置。输出信号的形式：输出信号的形式：绝对式、脉冲增量式绝对式、脉冲增量式内部结构和检测方式：内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。接触式、光电式、电磁式。4.2 位置检测装置位置检测装置13工作台丝杠编码器电机安装方式安装方式1）与伺服电机同轴联）与伺服电机同轴联接，编

12、码器在进给传接，编码器在进给传动链前端；安装方便；动链前端；安装方便；2）连在滚珠丝杠末端，）连在滚珠丝杠末端，包含的传动链误差比包含的传动链误差比前者多，位置控制精前者多，位置控制精度较高。度较高。4.2 位置检测装置位置检测装置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.增量式光电编码器增量式光电编码器（1）结构结构4.2 位置检测装置位置检测装置15（2）原理原理 将机械转角变成电脉冲将机械转角变成电脉冲信号处理装置信号处理装置abz码盘基片码盘基片透镜透镜光源光源光敏元件光敏元件透光狭缝透光狭缝光欄板光欄板节距节距m+/44.2 位置检测装置位置检测装置1

13、6AB90Z码盘转一圈 光光敏敏元元件件把把此此光光信信号号转转换换成成电电信信号号，通通过过信信号号处处理理装装置置的的整整形形、放放大大等等处处理理后后输出。输出。输出的波形有六路：输出的波形有六路：4.2 位置检测装置位置检测装置17输出信号的作用及其处理输出信号的作用及其处理 A、B两相的作用：两相的作用：u根据脉冲数目可测角位移根据脉冲数目可测角位移u根据脉冲频率可得轴的转速根据脉冲频率可得轴的转速u根据根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向测轴旋转方向4.2 位置检测装置位置检测装置18ABCP90Ou后续电路可利用后续电路可利用A、B两

14、两相的相的90相位差进行四倍频相位差进行四倍频细分处理，提高分辨率。细分处理，提高分辨率。4.2 位置检测装置位置检测装置19（3）增量式码盘的规格及分辨率增量式码盘的规格及分辨率规格规格分辨率分辨率 增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的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脉冲数。市场上提供的规格从 36线线/转转 到到10万线万线/转转 都有。最大达都有。最大达1600万线（禁运）。万线（禁运）。选择原则选择原则u伺服系统要求的分辨率；伺服系统要求的分辨率；u考虑机械传动系统的参数。整数原则。考虑机械传动系统的参数。整数原则。4.2 位置检测装置位置检测装置20

15、2.绝对式光电编码器绝对式光电编码器 u每一位置均由唯一对应的编码输出每一位置均由唯一对应的编码输出u电源切除后位置信息不会丢失电源切除后位置信息不会丢失u数控机床无需执行回参考点操作就能直接提供当前的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，没有累积误差位置值，没有累积误差特点：特点：4.2 位置检测装置位置检测装置21（1）结构和工作原理结构和工作原理码盘基片上有多圈码道，且码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等每码道的刻线数相等对应每圈都有光电传感器对应每圈都有光电传感器输出信号的路数与码盘圈数输出信号的路数与码盘圈数成正比成正比检测信号按某种规律编码输检测信号按某种规律

16、编码输出，故可测得被测轴的周向绝出，故可测得被测轴的周向绝对位置对位置232221204.2 位置检测装置位置检测装置22（2）绝对编码盘的编码方式及其特点绝对编码盘的编码方式及其特点二进制编码：二进制编码：特点：特点：编码循序与位置循编码循序与位置循序相一致，但可能产生非序相一致，但可能产生非单值性误差。单值性误差。缺点：缺点：在在1100和和1011的交的交界处，可能会出现二义：界处，可能会出现二义：11110000导致较大的误差。导致较大的误差。232221204.2 位置检测装置位置检测装置2323222120格雷码（循环码）格雷码（循环码）特点：特点：任何两个编码之任何两个编码之间只

17、有一位是变化的，间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位小单位上。但编码与位置循序无直接规律置循序无直接规律优点：优点：最大误差为一个最大误差为一个分辨率分辨率。4.2 位置检测装置位置检测装置24格雷码的编码方法格雷码的编码方法从二进制码转换而来的，转换规则为：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作不进位加法，得出的结果即为格雷码(循环码循环码)。例：例：将二进制码将二进制码0101转换成对应的格雷码转换成对应的格雷码4.2 位置检测

18、装置位置检测装置25（3）绝对式编码器的规格及分辨率绝对式编码器的规格及分辨率规格规格分辨率分辨率绝对式码盘的规格与码盘码道数绝对式码盘的规格与码盘码道数 n 有关；有关；现在市场上提供从现在市场上提供从 4 道到道到27道都有。（道都有。（23道以上禁运）道以上禁运）选择原则选择原则 伺服系统要求的分辨率；伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。考虑机械传动系统的参数。4.2 位置检测装置位置检测装置263.编码器的信号传输方式编码器的信号传输方式（1）传输对象：传输对象：伺服电机、数控装置伺服电机、数控装置（2）传输方式：传输方式：并行或串行并行或串行并行传输：并行传输：每位数据需要

19、一根数据电缆线。每位数据需要一根数据电缆线。特点：特点：仅适用于短距离传输和特殊要求的场合。仅适用于短距离传输和特殊要求的场合。串行传输：串行传输：通过一根双绞线实现数据传送，分为单工、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。半双工和全双工，同步串行通信或异步串行通信。特点：特点：用线少、成本低、传输距离远、数据安全可靠。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。应用于远距离传输和高精密的场合。4.2 位置检测装置位置检测装置27 并行传输并行传输 增量式编码器的数据输增量式编码器的数据输出多以并行传输方式为主。出多以并

20、行传输方式为主。输出信号通常有输出信号通常有A、/A、B、/B和和C、/C六路信号，有些六路信号，有些还输出还输出U、V、W三路信号，三路信号，用于电机矢量控制中电枢初用于电机矢量控制中电枢初始角度的计算。始角度的计算。4.2 位置检测装置位置检测装置28 串行传输串行传输 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方式很多，以德国海德汉公司的全双工同步串行EnDat为例，为例，有有EnDat2.1和和EnDat2.2两个版本。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，不仅能

21、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，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（时钟频率或保存新的信息，具有效率更高、速度更快（时钟频率16 MHz）。）。4.2 位置检测装置位置检测装置294.编码器的选择编码器的选择（1）电源。电源。常用的编码器电源有常用的编码器电源有5V、12V、24V几种类型。几种类型。（2）机械允许转速。机械允许转速。取决于编码器测量系统处理时间、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，机械允许分辨率和结构尺寸，处理时间越短，尺寸越小，机

22、械允许转速越高。转速越高。（3）分辨率。分辨率。应根据测量精度要求选择编码器分辨率，应根据测量精度要求选择编码器分辨率，综合考虑性价比。综合考虑性价比。（4）输出信号类型。输出信号类型。类型决定后续接收电路。类型决定后续接收电路。（5）使用环境使用环境。4.2 位置检测装置位置检测装置30根据测量对象分：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）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：根据用途和材质分：玻璃透射光栅、金属反射光栅。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：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。绝对式光栅

23、和增量式光栅。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。于测量运动部件的直线位移和角位移。4.2.3 光栅光栅1.光栅的种类光栅的种类 4.2 位置检测装置位置检测装置31（1）直线光栅直线光栅玻玻璃璃透透射射光光栅栅：在在玻玻璃璃表表面面上上用用真真空空镀镀膜膜法法镀镀一一层层金金属属膜膜，再再涂涂上上一一层层均均匀匀的的感感光光材材料料，用用照照相相腐腐蚀蚀法法制制成成透透明明与与不不透明间隔相等的线纹。透明间隔相等的线纹。特点特点：u光光源源可可采采用用垂垂直直入入射射，光光电电元元件件直直接

24、接接接受受光光信信号号，因因此此信信号幅度大，读数头结构较简单；号幅度大，读数头结构较简单；u一般为一般为100、125、250条条/mm，经过电路细分，可做到微，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。米级的分辨率。4.2 位置检测装置位置检测装置32金金属属反反射射光光栅栅：在在钢钢尺尺或或不不锈锈钢钢的的镜镜面面上上用用照照相相腐腐蚀蚀法法或或用用钻钻石石刀刀刻刻划划制制成成光光栅栅线线纹纹；常常用用4、10、25、40、50条条/mm，分辨率低。，分辨率低。特点特点：u标尺光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致；标尺光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致；u标尺光栅的安装和调整较方便；标尺光栅的安

25、装和调整较方便；u安装面积较小；安装面积较小；u易于接长或制成整根的钢带长光栅；易于接长或制成整根的钢带长光栅；u不易碰碎。不易碰碎。4.2 位置检测装置位置检测装置33直线光栅的结构直线光栅的结构 由标尺光栅和光栅读数头（即指示光栅）两部分组成。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。处理电路等。4.2 位置检测装置位置检测装置34（2）圆光栅）圆光栅在在玻玻璃璃圆圆盘盘外外环环端端面面上上，做做成成黑黑白白相相间间、呈呈辐辐射射状状条条纹纹，相互间夹角（栅距角）相等。相互间夹

26、角（栅距角）相等。根据不同使用要求，在圆周上的条根据不同使用要求，在圆周上的条纹数不同。一般有纹数不同。一般有3种形式。种形式。六十进制，如六十进制，如10800、21600、32400、64800等；等；十进制，如十进制，如1000、2500、5000等等二进制，如二进制，如512、1024、2048等等4.2 位置检测装置位置检测装置35（3）绝对式直线光栅尺）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。个位置均有唯一对应代码输出。有两条刻线轨道有两条刻线轨道增量轨和绝对轨。绝对轨用于确定

27、运动增量轨和绝对轨。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，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。精度可达用于信号细分，提供更高分辨率的信号。精度可达3 m/m，分辨率可达分辨率可达5 nm 4.2 位置检测装置位置检测装置36（4）增量式直线光栅尺）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

28、。对脉冲计数从而计算出位移值和位置值。有两条刻线轨道有两条刻线轨道增量轨和参考点轨。增量轨条纹进行位增量轨和参考点轨。增量轨条纹进行位移量的计算。参考点轨用于回零操作。移量的计算。参考点轨用于回零操作。4.2 位置检测装置位置检测装置374.2 位置检测装置位置检测装置2.光栅的工作原理光栅的工作原理（1）成像扫描成像扫描。透射光生成位置测量信号。指示光栅和标。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，产生近尺光栅相对运动时，光电池接收到的光强不断变化

29、，产生近似正弦变化的周期电信号。似正弦变化的周期电信号。38（2）干涉扫描。干涉扫描。利用精密光栅的衍射和干涉形成位置测量信利用精密光栅的衍射和干涉形成位置测量信号。号。4.2 位置检测装置位置检测装置39dw4.2 位置检测装置位置检测装置40放大比放大比k为为：若若d=0.01mm，0.01rad，则，则w1mm，k100 莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：u光学放大作用光学放大作用4.2 位置检测装置位置检测装置413.光栅测量系统光栅测量系统（1）4倍频细分及辩向倍频细分及辩向4.2 位置检测装置位置检测装置42（2）电子细分）电子细分 根据细分原理可分为根据细分原理可分为幅值细分幅值细分和

30、和鉴相细分鉴相细分。电子细分电。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度度的正弦波信号。的正弦波信号。电阻链移相细分电阻链移相细分 电阻链移相细分属于电阻链移相细分属于幅值细分。幅值细分。将两个相位不同的交变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，便可在莫尔条纹一信号，再用鉴零器对它进行鉴幅、整形，便可

31、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。周期内得到若干个脉冲信号而达到细分的目的。4.2 位置检测装置位置检测装置43应用叠加原理，接点处输出电压：应用叠加原理，接点处输出电压：4.2 位置检测装置位置检测装置44 以上是在以上是在0至至90第一第一象限的情况。第二至第四象象限的情况。第二至第四象限可采取同样方法。限可采取同样方法。当增加多个电阻时，可以构当增加多个电阻时，可以构成如图所示串联电阻移相桥，成如图所示串联电阻移相桥，它共有它共有16个输出端，实现个输出端，实现16倍细分。各点输出电压信号倍细分。各点输出电压信号经比较器整形为方波，然后经比较器整形为方波，然后经逻辑电

32、路处理即可实现细经逻辑电路处理即可实现细分。分。4.2 位置检测装置位置检测装置45鉴相式细分鉴相式细分 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。的相位差进行细分。4.2 位置检测装置位置检测装置464.2.4 旋转变压器旋转变压器 旋旋转转变变压压器器是是一一种种输输出出电电压压与与角角位位移移量量成成连连续续函函数数关关系系的的感感应应式式微微电电机机检检测测装装置置，主主要要用用于于半半闭闭环环控控制制的的数数控控机床。机床。优优点点：结结构构简简单单、动动作作灵灵敏敏、工工作作可可靠靠、对对环环境境条条件件要要求

33、求低低（特特别别是是高高温温、高高粉粉尘尘地地方方）、输输出出信信号号幅幅度度大大、抗抗干扰能力强。干扰能力强。缺点：缺点：信号处理比较复杂。信号处理比较复杂。分类：分类：按有无电刷分：接触式和无接触式两种按有无电刷分：接触式和无接触式两种 按极对数分：单对极和多对极按极对数分：单对极和多对极4.2 位置检测装置位置检测装置471.旋转变压器的结构旋转变压器的结构 与与两两相相绕绕线线式式异异步步电电机机相相似似，由由定定子子和和转转子子组组成成，是一种旋转式的小型交流电机。是一种旋转式的小型交流电机。定定子子绕绕组组通通过过固固定定在在壳壳体体上上的的接接线线柱柱直直接接引引出出。转转子子绕

34、绕组组有有两两种种不不同同的的引引出出方方式式。根根据据转转子子绕绕组组两两种种不不同同的的引引出出方方式式，旋旋转转变变压压器器分分为为有有刷刷式式和和无无刷刷式式两两种结构形式。种结构形式。4.2 位置检测装置位置检测装置48（1）有刷式旋转变压器有刷式旋转变压器 转转子子绕绕组组通通过过滑滑环环和和电刷直接引出。电刷直接引出。特点：特点：结构简单，体积小结构简单，体积小缺缺点点：电电刷刷与与滑滑环环是是机机械械滑滑动动接接触触的的，所所以以旋旋转转变变压压器器的的可可靠靠性性差差，寿寿命命也也较短。较短。4.2 位置检测装置位置检测装置49（2）无刷式旋转变压器无刷式旋转变压器 由本体和

35、附加变压器组成。由本体和附加变压器组成。附附加加变变压压器器原原、副副边边铁铁心心及及线线圈圈成成环环形形，分分别别固固定定于于转转子子轴轴和和壳壳体体上上，径径向向留留有有一一定定的的间间隙。隙。本本体体的的转转子子绕绕组组与与附附加加变变压压器器原原边边线线圈圈连连在在一一起起，在在附附加加变变压压器器原原边边线线圈圈中中的的电电信信号号，即即转转子子绕绕组组中中的的电电信信号号，通通过过电电磁磁耦耦合合，经经附附加加变变压压器器副副边边线圈间接地送出。线圈间接地送出。4.2 位置检测装置位置检测装置50 无无刷刷式式旋旋转转变变压压器器避避免免了了电电刷刷与与滑滑环环之之间间的的不不良良

36、接接触触造造成成的的影影响响，提提高高了了旋旋转转变变压压器器的的可可靠靠性性及及使使用用寿寿命命，但但其其体体积、质量、成本均有所增加。积、质量、成本均有所增加。4.2 位置检测装置位置检测装置512.旋转变压器工作原理旋转变压器工作原理 旋转变压器旋转变压器利用绕组间的互感原理。当定子加上一定频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，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。相对位置。2k 1sinU2 nUm sin

37、t sin4.2 位置检测装置位置检测装置52Um激磁电压幅值激磁电压幅值n绕组匝数比绕组匝数比转子偏转角转子偏转角定子绕组励磁电压：定子绕组励磁电压：转子产生感应电势：转子产生感应电势：4.2 位置检测装置位置检测装置53（1）鉴相工作方式鉴相工作方式 定子的两个绕组通同幅值、频率，但相位差定子的两个绕组通同幅值、频率，但相位差/2的交流的交流激磁电压。激磁电压。U1sUmsint U1cUm（sint+/2）Umcost 转子正转时：转子正转时：转子感应电压转子感应电压U2 3.旋转变压器的工作方式旋转变压器的工作方式4.2 位置检测装置位置检测装置54 U2kUmsintsinkUmco

38、stcos=kUmcos（t-）Um激磁电压幅值；激磁电压幅值；k电磁耦合系数，电磁耦合系数，k1；相位角，即：转子偏转角。相位角，即：转子偏转角。转子反转时：转子反转时：U2kUmcos（t+）相位角的测量：相位角的测量：转子输出电压的相位角转子输出电压的相位角t+和和间有对应关系，检测出间有对应关系，检测出t+，可得，可得（被测轴角位移）。实际应用时，把定子余弦被测轴角位移）。实际应用时，把定子余弦绕组激磁电压的相位绕组激磁电压的相位t作为基准相位，与作为基准相位，与t+比较，确定比较，确定大小。大小。4.2 位置检测装置位置检测装置55（2）鉴幅工作方式鉴幅工作方式 定子的两个绕组分别通

39、同频率、同相位、幅值分别按正定子的两个绕组分别通同频率、同相位、幅值分别按正弦、余弦变化的交流激磁电压，即弦、余弦变化的交流激磁电压，即：U1sUmsin sint U1c=Umcos sint 若电气角若电气角一定，交流激磁电压的幅值分别为一定，交流激磁电压的幅值分别为 UsmUmsin UcmUmcos转子正转时：转子正转时：转子感应电压转子感应电压U2为：为：U2kUmsinsintsink Umcossintcos kUmcos（）sint4.2 位置检测装置位置检测装置56转子反转时转子反转时，转子感应电压，转子感应电压U2为：为：U2kUmcos（）sint U2的的幅幅值值分分别

40、别为为:kUmcos（）、kUmcos（）幅值幅值随转子随转子偏转角偏转角变化。测量出幅值可测出变化。测量出幅值可测出。若电气角若电气角已知，测出已知，测出U2幅值幅值kVmsin（）便能求出）便能求出角。实际测量时，不断调整角。实际测量时，不断调整，使，使kVmsin（）=0。的变的变化量代表了化量代表了对应的位移量变化，测得机械位移。对应的位移量变化，测得机械位移。4.2 位置检测装置位置检测装置574.2.5 位置检测装置的选择原则位置检测装置的选择原则（1）分辨率：微米、纳米）分辨率：微米、纳米（2）传动系统及参数：直线、圆周运动、分辨率为整数）传动系统及参数：直线、圆周运动、分辨率为

41、整数（3）负载惯量：大、中、低）负载惯量：大、中、低（4）运动速度、精度）运动速度、精度（5）环境要求：密封、温度、震动等）环境要求：密封、温度、震动等（6）成本）成本4.2 位置检测装置位置检测装置58课后思考课后思考课后思考课后思考1.编码器、光栅的工作原理，以及输出的信号方式。编码器、光栅的工作原理，以及输出的信号方式。2.查阅资料，收集至少查阅资料，收集至少3个生产商的编码器与光栅产品，个生产商的编码器与光栅产品，读懂相关技术指标，并能确定其应用场合。读懂相关技术指标，并能确定其应用场合。59结束结束谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH