交流伺服運動控制系統(tǒng)檢測技術及元件 課件

1、2 交流伺服運動控制系統(tǒng)檢測技術及元件1）電流、電壓檢測2）磁極位置檢測3）電機、功率器件溫度檢測4）電機動子位置、速度檢測5）運動機構(gòu)的速度及位置檢測2.1 交流伺服運動控制系統(tǒng)的檢測要求 檢測的精確性、快速性、可靠性是反饋控制性能的基礎2.2 檢測技術原理 檢測技術是研究信息提取、信息轉(zhuǎn)換及信息處理的理論和技術。通俗的講，就是把一種不方便表示的量轉(zhuǎn)化為某種方便表示的量進行表示。敏感元件（或傳感器）：將感知的被測量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為某一種量值輸出，通常是電信號。信號調(diào)理電路實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換和放大濾波、調(diào)制和解調(diào)、衰減運算、數(shù)字化處理 檢測系統(tǒng)構(gòu)成 傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，顧名思義，傳感器的功

2、能是“感+傳”，即感受被測信息，并傳送出去。由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成。 敏感元件是能夠靈敏地感受被測量并作出響應的元件； 轉(zhuǎn)換元件實際上就是將敏感元件感受的被測量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)的元件。1 傳感器傳 感 器量程切換電路放 大 器 解 調(diào) 器信號分離電路運 算 電 路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路計 算 機顯示執(zhí)行機構(gòu)振 蕩 器 電 源1）模擬式測量電路的基本組成2 信號調(diào)理電路 被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。它對信號處理的方法相對來說比較復雜。將模擬輸入小信號放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如0-5VDC;對單純的微弱信號，可用一個運算放大器進行單端同相放大或單端反相放大。信號

3、源的一端若接放大器的正端為同相放大，放大倍數(shù)G =1+R2/R1；若接放大器的負端為反相放大，G =R2/R1。a）放大器的作用原理：將被測電流通過一個已知的取樣電阻，測量電阻兩端的電壓即可得到被測電流。既可以測量直流，也可以測量交流；不同量程的電流可以選擇不同的取樣電阻。選擇取樣電阻：1k、100、10、1、0.1，便可測量電流：200A、2mA、20mA、200mA、2A輸出電壓：200mvA/DRxIr-+Amp取樣電阻b）歐姆法測量電流（I/V變換 ）原理：電流流過導線，周圍會感生出磁場，霍爾器件檢測由電流感生的磁場,霍爾輸出電流放大后通過補償線圈，產(chǎn)生相反的磁場，使磁芯中磁通為0，達

4、到平衡后，由Is測量導線通過的電流。c）閉環(huán)霍爾法測量電流指令傳感器傳 感 器顯示執(zhí)行機構(gòu)計 算 機鎖 存 器計 數(shù) 器轉(zhuǎn)換電路脈沖當量放 大 器整形電路細分電路手動采樣鎖存指令辨向電路2）數(shù)字式測量電路的基本組成 被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理。 信號抗干擾能力強、處理簡單。 性能指標 系統(tǒng)精度：是指在一定長度或轉(zhuǎn)角內(nèi)測量積累誤差的最大值，如0.0020.02mm/m，10/360等 系統(tǒng)分辨率：是測量元件所能正確檢測的最小位移量，如直線位移的分辨率為0.0010.01mm。角位移分辨率為2 作用 檢測位置和速度，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)或

5、半閉環(huán)，對驅(qū)動裝置進行控制。 要求 工作可靠，抗干擾能力強滿足精度、分辨率、測量范圍使用維修方便、成本低2.4 運動控制系統(tǒng)測量 檢測裝置的分類 按檢測信號分：數(shù)字式、模擬式 按測量基準分：增量式、絕對式 按安裝位置關系分：直接測量、間接測量位置檢測裝置直線型旋轉(zhuǎn)型感應同步器光柵磁尺旋轉(zhuǎn)變壓器脈沖編碼器1 旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu) 在結(jié)構(gòu)上和兩相繞線式異步電動機相似，由定子和轉(zhuǎn)于組成。 定子繞組為變壓器的一次繞組 轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的二次繞組。根據(jù)互感原理工作的，定子繞組加上勵磁電壓，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應電功勢輸出感應電功勢大小與轉(zhuǎn)子位置有關 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理特點 結(jié)構(gòu)簡單，動作

6、靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾能力強，工作可靠，廣泛應用于數(shù)控機床上。 實際采用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子由兩組匝數(shù)相等、互相垂直的繞組構(gòu)成。 旋轉(zhuǎn)變壓器的應用鑒相方式 在旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相正交繞組上分別加上幅值相等、頻率相同的正弦、余弦激磁電壓 ，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，兩個激磁電壓 在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應電壓線性疊加得總感應電壓為：因此，只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。鑒幅方式 給定子的兩個繞組分別通上頻率、相位相同但幅值不同的激磁電壓 ， 則在轉(zhuǎn)子繞組上得到感應電壓為 不斷修改激磁調(diào)幅電壓幅值的電氣角電，使之跟蹤機的變化，并測量感應電壓幅值即可求得機械角

7、位移機 。感應同步器是旋轉(zhuǎn)變壓器演變而來，也是一種電磁感應式的位移檢測裝置。圓型感應同步器 由定子和轉(zhuǎn)子組成，用于測量角位移直線型感應同步器 由定子和轉(zhuǎn)子組成，用于測量直線位移 2 感應同步器 直線感應同步器的結(jié)構(gòu) 利用兩個平面形印刷繞組，其間保持均勻氣隙約為(0.250.05)mm 作相對平行移動，根據(jù)交變磁場和互感原理而工作的滑尺上有正弦和余弦勵磁繞組，在空間位置上相差1/4節(jié)距，定尺和滑尺繞組的節(jié)距相同W 滑尺在移動一個節(jié)距的過程中，感應電勢變化了一個周期。 若勵磁電壓uUmsint，那么在定尺繞組產(chǎn)生的感應電勢e為 ekUmcoscost 滑尺上的正弦、余弦勵磁繞組提供同頻率、同幅值、

8、相位差90的交流電壓，即 usUmsint ucUmcost us和uc單獨勵磁，在定尺繞組上感應電勢分別為 eskUmcoscost eckUmcos( /2)sint kUmsinsint 感應同步器輸出信號的處理方式（鑒相方式） 根據(jù)感應輸出電壓的相位來檢測位移量。根據(jù)疊加原理，定尺繞組上總輸出感應電勢e為 eesec kUmcoscostkUmsinsint kUmcos(t) kUmcos(t 2x/W) 根據(jù)上式，通過鑒別定尺輸出的感應電勢的相位，即可測量定尺和滑尺之間的相對位置。例：感應電勢與勵磁電壓相位差=1.8，節(jié)距W=2mm，= 2x/W=0.01mm光柵檢測裝置基本結(jié)構(gòu)示

9、意圖 3 直線透射光柵 由于擋光效應和光的衍射，在與線紋幾乎垂直方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為“莫爾條紋” 。 直線透射光柵的工作原理B2B 莫爾條紋的放大作用 莫爾條紋紋距B 與光柵節(jié)距w和傾角之間的關系：由于很小，因此 22sin/qw=BqwB 為了辨別運動方向，需配置兩個彼此錯開1/4紋距的光電元件，使輸出電信號彼此在相位上差90，若以其中的一個作為參考信號，則另一個信號將超前或滯后參考信號90，由此來確定運動方向。 倍頻又稱為細分，倍頻數(shù)就是指在莫爾條紋一個周期的范圍內(nèi)，等距離安裝的感光元件的數(shù)目，從而在一個周期內(nèi)產(chǎn)生若干個脈沖，達到細分的目的。 提高倍頻數(shù)可以提高

10、光柵的最小讀數(shù)值，提高分辨率，精密機床的測量常采用高倍頻。例：柵距 w = 0.01mm， 十倍頻后，最小讀數(shù)值1mm. 直線透射光柵的辨向 直線透射光柵的倍頻 優(yōu)點： 1）精度高，精度 0.5-3mm，分辨率 0.1mm 2）易實現(xiàn)動態(tài)測量和自動化測量 3）較強的抗干擾能力 缺點： 1）對環(huán)境要求高，怕振動，怕油污 2）高精度光柵制作成本高 目前多用于精密定位的數(shù)控機床。 直線透射光柵的特點 光電盤隨主軸轉(zhuǎn)動，光電元件把通過光電盤和光欄板射過來的忽明忽暗的光信號(近似于正弦信號)轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)整形、放大等電路的變換后變成脈沖信號，計算脈沖的數(shù)目，可測出工作軸的轉(zhuǎn)角，測定計數(shù)脈沖的頻率，可測

11、出工作軸的轉(zhuǎn)速。4 光電編碼器（1）分辯率 改變一個計數(shù)字所對應的轉(zhuǎn)速變化量來表示分辨率Q ，Q 越小，測速裝置的分辯能力越強。（2）測速精度 測量值與實際值的相對誤差來表示， 的大小與測速方法有關。 數(shù)字測速方法： M法脈沖直接計數(shù)法 T 法脈沖時間計數(shù)法 M/T法脈沖時間混合計數(shù)法 M法測速PLG倍頻電路BusZ記錄Tc時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器PLG發(fā)出的脈沖數(shù)M1，則 Z=倍頻系數(shù)PLG光柵數(shù)。 測速原理與波形圖CounterM法測速適用于高速分辨率：誤差率：PLG倍頻電路ConterCPUINTnf0記錄PLG一個脈沖間的高頻脈沖個數(shù)M2，f0為高頻脈沖頻率，則電路與波形 T法測速T法測速適用

12、于低速 M/T法既檢測 Tc 時間內(nèi)PLG輸出的脈沖個數(shù)M1，又檢測相同時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2。 M/T法測速測速原理與波形圖CM/T法測速適用的轉(zhuǎn)速范圍寬，測速精度高 結(jié)構(gòu) 絕對式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)與增量式相似，就是在碼盤的每一轉(zhuǎn)角位置刻有表示該位置的唯一代碼，稱為絕對碼盤。絕對式脈沖編碼器是通過讀取編碼盤上的代碼(圖案)來表示軸的位置。5 絕對式光電脈沖編碼器 碼盤的種類 按碼制不同分二進制碼、格雷碼（循環(huán)碼）、十進制碼、六十進制碼等，最常用的是二進制循環(huán)碼盤。 純二進制碼有一個缺點：相鄰兩個二進制數(shù)可能有多位二進制碼不同，當數(shù)碼切換時有多個數(shù)位要進行切換，增大了誤讀的機率。 而格雷碼

13、則不同，相鄰兩個二進制數(shù)碼只有一個數(shù)位不同，因此兩數(shù)切換時只在一位進行，提高了讀數(shù)的可靠性。 工作原理 光源經(jīng)過柱面鏡，變成一束平行光照射在碼盤上，通過碼盤經(jīng)狹縫形成一束很窄的光束照射在光電元件上，光電元件的排列與碼道一一對應，亮區(qū)輸出為“1”，暗區(qū)輸出為“0”，再經(jīng)信息處理電路，進行放大、整形、鎖存與譯碼，輸出自然二進制代碼，從而實現(xiàn)了角度的絕對值測量。 應用 在實際應用過程中，用絕對脈沖編碼器來檢測軸的位置和速度時，當編碼器旋轉(zhuǎn)超過一周時，讀出準確數(shù)值的解決方法： 在旋轉(zhuǎn)軸上安裝多個碼盤，其中一些盤是專門用來計量所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)N，而另一部分碼盤是用來檢測一圈以內(nèi)的度數(shù)。之后將兩個碼盤所檢測的

14、進行(N360)的疊加。 在軟件設計時，設置一個專門的計數(shù)器，并規(guī)定碼盤上的一個專門的代碼為“零”代碼，當碼盤轉(zhuǎn)過“零”代碼時，計數(shù)器的值就被自動加一，這樣也可以實現(xiàn)即測圈數(shù)又測度數(shù)的目的。磁尺位置檢測裝置是由磁性標尺（簡稱磁尺）、磁頭和檢測電路組成，該裝置方框圖如圖所示。磁尺的測量原理類似于磁帶的錄音原理。在非導磁的材料如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料的基體上鍍一層磁性薄膜。在測量前，先按標準尺度以一定間隔(一般為0.05mm)在磁性薄膜上錄制一系列的磁信號。這些磁信號就是一個個按SN-NS-SN-NS方向排列的小磁體，這時的磁性薄膜稱為磁柵。測量時，磁柵隨位移而移動（或轉(zhuǎn)動）并用磁頭讀取(

15、感應)這些移動的磁柵信號，使磁頭內(nèi)的線圈產(chǎn)生感應正弦電動勢。對這些電動勢的頻率進行計數(shù)，就可以測量位移了。6 磁尺 磁頭將高頻勵磁電流通人勵磁繞組時，在磁頭上產(chǎn)生磁通1。當磁頭靠近磁尺時，磁尺上的磁信號產(chǎn)生的磁通0進入磁頭鐵心，并被高頻勵磁電流產(chǎn)生的磁通1所調(diào)制。于是在拾磁線圈中感應電壓為式中 U0感應電壓系數(shù)；磁尺磁化信號的節(jié)距；x磁頭相對于磁尺的位移；勵磁電流的角頻率。 檢測電路 有兩種工作方式，鑒相式和鑒幅式。（1）光柵傳感器光柵傳感器的最大優(yōu)點是信號處理方式簡單，使用方便，測量精度高（國外著名廠家如德國Heidenhain、西班牙Fagor等公司制造的光柵傳感器精度可達1m/m）；缺點

16、是光柵尺價格較昂貴，對工作環(huán)境要求較高，玻璃光柵尺的線脹系數(shù)與機床不一致，易造成測量誤差。（2）磁柵傳感器磁柵尺可分為線狀（有效測量長度3m）和帶狀（有效測量長度可達30m）兩種型式，其優(yōu)點是制造成本較低，安裝使用方便，線脹系數(shù)與機床相同；缺點是測量精度低于光柵尺，由于磁信號強度隨使用時間而不斷減弱，因此需要重新錄磁，給使用帶來不便。（3）感應同步器感應同步器的優(yōu)點是制造成本低，安裝使用方便，對工作環(huán)境條件要求不高；缺點是信號處理方式較復雜，測量精度受到測量方法的限制（傳統(tǒng)測量方法的測量精度約為25m）。2.5 綜合比較 模擬式傳感器的輸出信號需利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)進行數(shù)字化處理，而在高分辨率情況下A/D轉(zhuǎn)換的成本較高，此外解決微小模擬信號（如微伏級）的抗干擾問題也相當困難。 在數(shù)字式傳感器中，絕對式編碼器可輸出并行數(shù)字信號，無需A/D轉(zhuǎn)換，