伺服控制基礎(chǔ)知識(shí)課件

第二章

伺服控制基礎(chǔ)知識(shí)

1第二章伺服控制基礎(chǔ)知識(shí)1內(nèi)容提要第1節(jié)電力電子器件的應(yīng)用第2節(jié)檢測(cè)元件2內(nèi)容提要第1節(jié)電力電子器件的應(yīng)用2第2節(jié)檢測(cè)元件

速度檢測(cè)

角度（角位移）檢測(cè)

位置檢測(cè)

3第2節(jié)檢測(cè)元件速度檢測(cè)3數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)元件的要求1．具有高可靠性和高抗干擾能力；2．可滿足數(shù)控機(jī)床精度和速度的要求；3．能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，使用、維護(hù)方便；4．價(jià)格低，壽命長；5．便于與數(shù)控機(jī)床安裝、連接。4數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)元件的要求4位量檢測(cè)元件的分類和特點(diǎn)

經(jīng)常用于數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼盤、光柵和磁尺等?！畎惭b的位置及耦合方式—直接測(cè)量和間接測(cè)量；

☆測(cè)量方法—增量型和絕對(duì)型;

☆檢測(cè)信號(hào)的類型—模擬式和數(shù)字式；

☆運(yùn)動(dòng)型式—回轉(zhuǎn)型和直線型；

☆信號(hào)轉(zhuǎn)換的原理—光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等。

分類：5位量檢測(cè)元件的分類和特點(diǎn)經(jīng)常用于數(shù)控機(jī)一、速度檢測(cè)

在伺服系統(tǒng)中，機(jī)械的運(yùn)動(dòng)速度控制是最基本的控制內(nèi)容，當(dāng)對(duì)速度的穩(wěn)定精度提出較高要求時(shí)，就要求對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)能夠?qū)嵭兴俣鹊拈]環(huán)控制。速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，常用的速度檢測(cè)元件一般分為二類，即：模擬速度檢測(cè)元件和數(shù)字速度檢測(cè)元件。測(cè)速發(fā)電機(jī)就是一種模擬速度檢測(cè)元件。由測(cè)速發(fā)電機(jī)構(gòu)成的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其精度控制在

3﹪之內(nèi)已屬不易。測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種微型發(fā)電機(jī)，它的作用是將轉(zhuǎn)速變?yōu)殡妷盒盘?hào)，在理想狀態(tài)下，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓Uo可以用下式表示：

Uo＝K*n＝KK’(dθ/dt)(2-1)式中KK′--比例常數(shù)(即輸出特性的斜率)；n及θ--測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)角度。6一、速度檢測(cè)在伺服系統(tǒng)中，機(jī)械的運(yùn)動(dòng)速度

可見，測(cè)速發(fā)電機(jī)主要有兩種用途：

1.其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，故可用于測(cè)速度；2.如果以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為參數(shù)變量，則可作為機(jī)電微分、積分器。

因此測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛用于速度和位置控制系統(tǒng)中。

根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，測(cè)速發(fā)電機(jī)分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。交流測(cè)速發(fā)電機(jī)分交流同步測(cè)速發(fā)電機(jī)和交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)。交流同步測(cè)速發(fā)電機(jī)：其輸出電壓，不僅其幅值與轉(zhuǎn)速有關(guān)，其頻率也與轉(zhuǎn)速有關(guān)，致使電機(jī)本身的阻抗與負(fù)載阻抗也與轉(zhuǎn)速有關(guān)。這樣，輸出電壓與轉(zhuǎn)速呈非線性關(guān)系，因此，同步測(cè)速發(fā)電機(jī)不宜用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)：其輸出電壓與轉(zhuǎn)速有嚴(yán)格的線性關(guān)系，廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。7可見，測(cè)速發(fā)電機(jī)主要有兩種用途：7同步電機(jī)和異步電機(jī)的區(qū)別：三相交流電通過一定結(jié)構(gòu)的定子繞組時(shí),要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng).在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下,轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速同旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速完全一致,就是同步電機(jī);如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速,也就是說兩者不同步,就是異步電機(jī)。

異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,應(yīng)用廣泛；同步電機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(chǎng)(用永磁鐵或直流電流產(chǎn)生),定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)"拖著"轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)動(dòng),因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速。8同步電機(jī)和異步電機(jī)的區(qū)別：三相交流電通過一定結(jié)構(gòu)的定子繞組時(shí)(一)異步(交流)測(cè)速發(fā)電機(jī)--模擬測(cè)量方式

異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)相似，其原理電路圖如圖所示。

空心杯轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖所示：1.有兩個(gè)定子，外定子和內(nèi)定子，外定子鐵芯槽內(nèi)安放有勵(lì)磁繞組和輸出繞組，彼此在空間相差90°電角度；而內(nèi)定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分；2.空心杯轉(zhuǎn)子位于內(nèi)外繞組之間，通常用非磁性材料（如銅、鋁或鋁合金）。9(一)異步(交流)測(cè)速發(fā)電機(jī)--模擬測(cè)量方式異

當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁后由杯形轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流（包括渦流）產(chǎn)生的磁場(chǎng)與輸出繞組軸線垂直，輸出繞組不感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由杯形轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與輸出繞組軸線重合，在輸出繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)大小正比于杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而頻率和勵(lì)磁電壓頻率相同。反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓相位也相反。（p33）勵(lì)磁繞組輸出繞組轉(zhuǎn)子內(nèi)定子測(cè)量儀器10當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁后由杯形轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流（包括渦流(二)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)--模擬測(cè)量方式

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種用來測(cè)量轉(zhuǎn)速的小型他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，其工作原理見圖2-44。

空載時(shí)：負(fù)載時(shí)：

只要Ce（與磁通有關(guān)）與Ra、RL保持不變，則輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n成正比。改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向，則電勢(shì)極性改變，輸出電壓的極性也改變。因此，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)便將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換成電壓信號(hào)，達(dá)到測(cè)速的目的。11(二)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)--模擬測(cè)量方式直流測(cè)速發(fā)電異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：不需要電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)容易，慣量小，無滑動(dòng)接觸，輸出特性穩(wěn)定，精度高，摩擦轉(zhuǎn)矩小，不產(chǎn)生無線電干擾（無摩擦火花），工作可靠，正、反向旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出特性對(duì)稱。

其主要缺點(diǎn)是：存在剩余電壓和相位誤差，且負(fù)載的大小和性質(zhì)會(huì)影響輸出電壓的幅值和相位。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：沒有相位波動(dòng)，沒有剩余電壓，輸出特性的斜率比異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的大（即測(cè)量值變化明顯）。

其主要缺點(diǎn)是：由于有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不便，摩擦轉(zhuǎn)矩大，有換向火花，產(chǎn)生無線電干擾信號(hào)，輸出特性不穩(wěn)定，且正、反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出特性不對(duì)稱。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)與異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的性能比較：12異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：不需要電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)簡單

(三)光電測(cè)速盤（光電編碼器）--數(shù)字測(cè)量方式

1.光電測(cè)速原理

2.電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別

3.數(shù)字測(cè)速方法

13(三)光電測(cè)速盤（光電編碼器）--數(shù)字測(cè)量方式1.光電測(cè)光源光敏元件脈沖頻率：fc=Nn/60N----圓盤的小孔數(shù)，受限于圓盤的大小。

n----電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可見：輸出頻率fc與轉(zhuǎn)速n呈正比。這種測(cè)量精度比測(cè)速機(jī)的精度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。增量式光電測(cè)速原理14光源光敏元件脈沖頻率：fc=Nn/60這種測(cè)量精度比測(cè)速機(jī)的電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別：

設(shè)置一對(duì)光電傳感器，并使彼此測(cè)得信號(hào)相差90°相位角，根據(jù)測(cè)得脈沖的超前、滯后情況加以判斷。15電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別：設(shè)置一對(duì)光電傳感器，并使彼此絕對(duì)式脈沖編碼器絕對(duì)式脈沖編碼器不需要基數(shù)，它在任意位置都給出與其對(duì)應(yīng)的一個(gè)固定數(shù)字碼輸出。常用的絕對(duì)式脈沖編碼器有接觸式碼盤、光學(xué)碼盤和磁性碼盤。

例如：接觸式碼盤，敏感元件電刷與碼盤上導(dǎo)電區(qū)直接接觸，以檢測(cè)出碼盤的位置。

碼盤基體是絕緣體，碼道是一組同心圓導(dǎo)體，碼道的數(shù)目根據(jù)分辨率來決定；同心圓的徑向距離是碼道的寬度。若碼道數(shù)為n，則每周測(cè)量的分辨率為360°/2n。以這個(gè)角度為間隔，在一周內(nèi)劃出2n個(gè)扇區(qū)，如下圖所示。其中陰影部分為導(dǎo)電區(qū)，邏輯電平為“1”，白色部分為絕緣區(qū)，邏輯電平為“0”。每個(gè)碼道上裝有一個(gè)電刷，每個(gè)電刷和一根單獨(dú)電線相連，作為某一位邏輯電平“1”或“0”的輸出。這樣一組扇形區(qū)對(duì)應(yīng)于一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。一般外軌道為低位，內(nèi)軌道為高位，這樣就可用二進(jìn)制數(shù)來表示碼盤轉(zhuǎn)過的角度。16絕對(duì)式脈沖編碼器絕對(duì)式脈沖編碼器不需要基數(shù)，它在任意絕對(duì)脈沖發(fā)生器碼盤

17絕對(duì)脈沖發(fā)生器碼盤17格雷碼盤18格雷碼盤18十位絕對(duì)式編碼器19十位絕對(duì)式編碼器19旋轉(zhuǎn)編碼器400線（400脈沖/周）型號(hào)：增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，A、B兩相。通過旋轉(zhuǎn)的光柵盤和光耦產(chǎn)生可識(shí)別方向的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。性能：400P/R-400脈沖每轉(zhuǎn)。DC12-24V供電，最小5V供電。最大機(jī)械轉(zhuǎn)速10000轉(zhuǎn)/分，響應(yīng)頻率：0-20KHz；用途：用于測(cè)量物體的旋轉(zhuǎn)速度、角度、加速度及長度測(cè)量。使用范圍：適用于各種位移變化智能控制、鋼筋定長裁剪控制器、民用的測(cè)身高人體秤、大學(xué)生比賽用機(jī)器人等。特點(diǎn)：具有體積小、重量輕，安裝方便，性價(jià)比極高的顯著優(yōu)點(diǎn)。接線輸出：A相，B相，Vcc正電源，V0地，屏蔽線。接線顏色產(chǎn)品銘牌上有明確標(biāo)注。20旋轉(zhuǎn)編碼器400線（400脈沖/周）型號(hào)：增量型旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)字測(cè)速方法

在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有M法測(cè)速﹑T法測(cè)速和M/T法測(cè)速三種：M法測(cè)速是指：在規(guī)定時(shí)間間隔Tg內(nèi)，測(cè)量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來獲得被測(cè)速度值；T法測(cè)速是指：測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔Ttach來確定被測(cè)速度值；M/T法測(cè)速是指：同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來確定被測(cè)速度值。21數(shù)字測(cè)速方法在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈二、角度（角位移）檢測(cè)

在伺服系統(tǒng)中測(cè)角度（角位移）的方法很多，常用的有電位計(jì)、差動(dòng)變壓器、微動(dòng)同步器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器等，這里介紹部分測(cè)量元件。---測(cè)小角位移

(一)差動(dòng)變壓器和微同步器1.差動(dòng)變壓器直線位移式轉(zhuǎn)角式勵(lì)磁輸出22二、角度（角位移）檢測(cè)在伺服系統(tǒng)中測(cè)角度（角位移）差動(dòng)變壓器23差動(dòng)變壓器232.微動(dòng)同步器

微動(dòng)同步器由四極定子和兩極轉(zhuǎn)子組成。在定子每個(gè)極上繞有兩個(gè)線圈（初級(jí)在里側(cè)，次級(jí)在外側(cè)）。用各極中的一個(gè)線圈串聯(lián)成初級(jí)激磁回路，各極中的另一線圈則串聯(lián)成次級(jí)感應(yīng)回路。

信號(hào)型的微動(dòng)同步器實(shí)際上是一種高精確度的變磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器。對(duì)于一定的勵(lì)磁電壓和頻率來說，在一定的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角范圍(一般為10度或12度)內(nèi)，它的輸出電壓正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。

242.微動(dòng)同步器微動(dòng)同步器由四極定子和兩極轉(zhuǎn)子組成。在

激磁回路的連接原則是：當(dāng)將等幅交流電壓加于其上時(shí)，在激磁電流的某半周期內(nèi)，各極上的磁通方向如圖中箭頭所示；次級(jí)感應(yīng)回路的連接原則是：使總的輸出電壓是Ⅱ、Ⅲ極和I、Ⅳ極上感應(yīng)電壓之差。當(dāng)轉(zhuǎn)子如圖處于對(duì)稱于定子的位置時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子之間的四個(gè)氣隙幾何形狀完全相同，各極的磁通相等，從而使得Ⅱ、Ⅲ極上的感應(yīng)電壓與I、IV極上的感應(yīng)電壓相等，總的輸出電壓為零，轉(zhuǎn)子被看成處于零位。若轉(zhuǎn)子偏離零位一個(gè)角度，則四個(gè)氣隙不再相同，造成了各極磁通量的變化，其中一對(duì)磁極的磁通減小，另一對(duì)滋極的磁通增大，這樣，次級(jí)就有一個(gè)正比于轉(zhuǎn)子角位移的電壓輸出。

當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，輸出電壓有180°的相位躍變，微動(dòng)同步器的輸出電壓的頻率等同勵(lì)磁電源頻率（通常采用的勵(lì)磁電壓為60～50ＫHz，5～50V）。微動(dòng)同步器的靈敏度大約為每度0.2～5V，非線性度0.1％～1.0％。25激磁回路的連接原則是：當(dāng)將等幅交流電壓加于其上時(shí)，在(二)旋轉(zhuǎn)變壓器

簡稱旋變，是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號(hào)元件。當(dāng)勵(lì)磁繞組以一定頻率的交流電壓勵(lì)磁時(shí)，輸出繞組（轉(zhuǎn)子繞組）的電壓幅值（或相位）與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)成線性關(guān)系。

旋轉(zhuǎn)變壓器常用于數(shù)控機(jī)床中角位移的檢測(cè)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、信號(hào)輸出幅值大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；

但其測(cè)量精度低。一般用于精度要求不高的數(shù)控機(jī)床或大型數(shù)控機(jī)床的粗測(cè)及中測(cè)系統(tǒng)。26(二)旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變，是一種輸出電1、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器(又稱同步分解器)微特電機(jī)的一種，和兩相繞線式異步電機(jī)結(jié)構(gòu)相似。它由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。（定子和轉(zhuǎn)子均由高導(dǎo)磁的鐵鎳軟磁合金或硅鋼薄板沖壓成的槽狀芯片疊成）在定子和轉(zhuǎn)子的槽狀鐵芯內(nèi)分別嵌有繞組，定子繞組為旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊，它通過固定在殼體上的接板直接引出；轉(zhuǎn)子繞組為旋轉(zhuǎn)變壓器的副邊，轉(zhuǎn)子繞組分為有刷和無刷兩種引出方式。定子轉(zhuǎn)子S1R1S2S3S4R2R3R4271、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器(又稱同步分解器)微特

根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組的引出方式，可將旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無刷式兩種結(jié)構(gòu)形式。

有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器:它的轉(zhuǎn)子繞組是通過滑環(huán)和電刷直接引出的，由于電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動(dòng)接觸，所以，旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性差，壽命短。(a)有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器1—轉(zhuǎn)子繞組；2—定子繞組；3—轉(zhuǎn)子；4—整流子；5—電刷；6—接線柱注：換向器俗稱整流子。28根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組的引出方式，可將旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器:它可分為旋轉(zhuǎn)變壓器本體和附加變壓器兩部分。附加變壓器的原邊、副邊鐵芯及繞組均做成環(huán)形，分別固定于轉(zhuǎn)子軸和殼體上，徑向留有一定的間隙。旋轉(zhuǎn)變壓器本體的轉(zhuǎn)子繞組（副邊）與附加變壓器原邊線圈連接在一起，因此，通過電磁耦合，附加變壓器原邊上的電信號(hào)經(jīng)附加變壓器副邊間接地送了出去。這種結(jié)構(gòu)避免了電刷與滑環(huán)的接觸不良，提高了旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性和使用壽命，但也增加了體積、重量和成本。(b)無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器1—?dú)んw；2—本體定子；7—本體轉(zhuǎn)子；3—附加變壓器定子；4—附加變壓器一次繞組（原邊）；5—附加變壓器轉(zhuǎn)子線軸；6—附加變壓器二次繞組（副邊）；8—轉(zhuǎn)子軸29無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器:它可分為旋轉(zhuǎn)變壓器本體和附加變壓器

常見的旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四級(jí)繞組兩種結(jié)構(gòu)形式。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精密絕對(duì)式檢測(cè)系統(tǒng)。

30常見的旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四級(jí)繞組兩種結(jié)構(gòu)2、旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了定子與轉(zhuǎn)子之間空氣間隙的磁通按正弦規(guī)律分布，當(dāng)定子繞組加上400Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz或5000Hz交流勵(lì)磁電壓時(shí)，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組的軸線在空間的相對(duì)位置。312、旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了V1=Vmsinωt

E2=nVmsinωt

（θ=90°）

E2=nVmsinωtsinθ

E2=0（θ=0°）

E2=nV1sinθ=nVmsinωtsinθ

θ=0°E

2=0

θ=90°E

2=nVmsinωt式中:E2—轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢(shì)；V1—定子繞組勵(lì)磁電壓，V1=Vmsinωt；Vm—電壓信號(hào)幅值；θ—定子繞組軸線的垂線與轉(zhuǎn)子繞組軸線間夾角；

n—變壓比（即兩個(gè)繞組匝數(shù)比）V1=Vmsinωt

V1=Vmsinωt

θ1定子轉(zhuǎn)子32V1=VmsinωtE2=nVmsinωt（θ=90

實(shí)際使用中常采用正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有一對(duì)互相垂直的繞組，如圖所示。當(dāng)兩個(gè)定子繞組分別加上兩個(gè)相位相差90度的勵(lì)磁電壓，即：

V1=Vmsinωt；V2=Vmcosωt應(yīng)用疊加原理，可求出轉(zhuǎn)子繞組中一個(gè)繞組的感應(yīng)磁通為：(使用時(shí)另一個(gè)繞組接高阻抗，不作為旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出，主要起平衡磁場(chǎng)的作用，目的在于提高測(cè)量精度)V2產(chǎn)生的磁通V1產(chǎn)生的磁通作用于轉(zhuǎn)子部分的磁通分量11’22’3’3輸出電動(dòng)勢(shì)：33實(shí)際使用中常采用正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子繞組中若將轉(zhuǎn)子與數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給絲杠同軸安裝，定子安裝在機(jī)床的相對(duì)固定部分，則θ角為絲杠轉(zhuǎn)過的角度，即間接地反映了機(jī)床工作臺(tái)的移動(dòng)距離。從上式可知，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位嚴(yán)格地按轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角θ1的正弦規(guī)律變化，其頻率和勵(lì)磁電壓的頻率相同。

因此，可采用測(cè)量旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位的方法，來測(cè)量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ的變化。34若將轉(zhuǎn)子與數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給絲杠同軸安裝，定子安裝在機(jī)床3、旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)處理

根據(jù)工作要求和精度的不同，旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)處理有鑒相型和鑒幅型兩種方式。

1）鑒相型工作方式(同前面)

在鑒相型工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器的兩相正交定子繞組分別加上幅值相等、頻率相同而相位相差90度的正弦勵(lì)磁電壓，即：

V1=VmsinωtV2=Vmcosωt式中：Vm—?jiǎng)?lì)磁電壓的幅值；

ω—?jiǎng)?lì)磁角頻率。這兩相勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：353、旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)處理根據(jù)工作要求和精度的

由上式可知，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位嚴(yán)格地按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ1的正弦(或余弦)規(guī)律變化，其頻率和勵(lì)磁電壓頻率相同（幅值不變）。因此，可利用鑒相器線路檢測(cè)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位來測(cè)量出轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)角θ1，即被測(cè)位移的大小。

但是，因?yàn)閡3是關(guān)于θ1的周期函數(shù)，故轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，u3將周期性的變化一次，因此，實(shí)際應(yīng)用中，不但要測(cè)u3的大?。榱藴y(cè)相位），還要測(cè)其周期性變化的次數(shù)；或者將被測(cè)角位移限制在180°以內(nèi)。

36由上式可知，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位嚴(yán)格地按2）鑒幅型工作方式在鑒幅型工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器的兩相正交定子繞組分別加上相位相等、頻率相同而幅值不同的勵(lì)磁電壓，即：V1=-V1msinωtV2=V2msinωtV1m=VmcosV2m=Vmsin式中：V1m,V2m—為勵(lì)磁電壓的幅值?！D(zhuǎn)變壓器的電相角。這兩相勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

可見，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值嚴(yán)格地按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ的變化而變化。若θ=，則E2＝0。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小(即勵(lì)磁幅值)，不斷修改定子繞組勵(lì)磁信號(hào)的，使其跟蹤θ的變化，以測(cè)量角位移θ。372）鑒幅型工作方式在鑒幅型工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器的兩相正交定三、位置檢測(cè)

在伺服系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件的位置檢測(cè)分角位移和直線位移檢測(cè)。前面介紹的角位移傳感器一般用于小角位移（速度）檢測(cè)。而大角位移檢測(cè)或直線位移檢測(cè)，常用感應(yīng)同步器、光柵、磁尺等。38三、位置檢測(cè)在伺服系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件的位置檢測(cè)分(一)感應(yīng)同步器

1.基本原理：

感應(yīng)同步器是一種檢測(cè)機(jī)械角位移或直線位移的精密傳感器。分旋轉(zhuǎn)式（圓盤式）和直線式（較多使用）兩種，在伺服系統(tǒng)中，分別用于測(cè)量角度和長度。

直線式由定尺和滑尺組成；圓盤式由轉(zhuǎn)子和定子組成。

前者用于直線位移的測(cè)量，后者用于角位移的測(cè)量。工作時(shí)，當(dāng)滑尺（定尺）繞組加上一定頻率的勵(lì)磁電壓后，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在定尺（滑尺）繞組上將感應(yīng)出相同頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)同步器對(duì)環(huán)境要求低，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)簡單，壽命長，價(jià)格低，同時(shí)具有一定的精度，所以應(yīng)用廣泛。廣泛用于數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)天線定位跟蹤等。但相對(duì)于旋轉(zhuǎn)變壓器安裝稍麻煩。

39(一)感應(yīng)同步器1.基本原理：39定子轉(zhuǎn)子分段繞組分為兩組，布置成空間相差90°相角，即1/4節(jié)距（一節(jié)距相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器一轉(zhuǎn)，360°電角度），又稱為正、余弦繞組1)圓盤式（旋轉(zhuǎn)）感應(yīng)同步器2)直線式感應(yīng)同步器2.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)40定子轉(zhuǎn)子分段繞組分為兩組，布置成直線式感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個(gè)展開式的旋轉(zhuǎn)變壓器，定尺和滑尺的基板由與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相似的鋼板或鑄鐵做成、鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并做成印制繞組。定尺上是連續(xù)繞組，滑尺上是分段繞組(又稱正、余弦繞組)。

(a)定尺繞組(b)W形滑尺繞組(c)U形滑尺繞組印制電路繞組：用絕緣粘貼劑把銅箔粘牢在金屬（或玻璃）基板上，然后按設(shè)計(jì)要求腐蝕成不同曲折形狀的平面繞組。這種繞組稱為印制電路繞組。

節(jié)距41直線式感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個(gè)展開式的旋轉(zhuǎn)變壓器，定尺和3.測(cè)量原理上圖所示為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與繞組位置的關(guān)系（在滑尺S、C上加勵(lì)磁信號(hào)）A點(diǎn):當(dāng)滑尺上的正弦繞組S和定尺繞組重合時(shí)，耦合磁通最大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也最大；B點(diǎn):滑尺繼續(xù)移動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)逐漸減小，當(dāng)移動(dòng)到1/4節(jié)距位置處（磁通垂直關(guān)系），感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零；C點(diǎn)：繼續(xù)移動(dòng)到半個(gè)節(jié)距點(diǎn)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)的最大值；D點(diǎn)：在3/4節(jié)距處又變?yōu)榱悖籈點(diǎn)：移動(dòng)到一個(gè)節(jié)距處，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又為正的最大值。從上可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著滑尺相對(duì)于定尺的移動(dòng)而周期性地變化。加大勵(lì)磁電壓將獲得較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但過大的勵(lì)磁電壓將引起過大的勵(lì)磁電流，致使溫升過高而無法正常工作，所以，一般勵(lì)磁電壓為1～2V。423.測(cè)量原理上圖所示為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與繞組位置的關(guān)系（在滑4、感應(yīng)同步器的信號(hào)處理同樣有鑒相型和鑒幅型兩種工作方式1）鑒相型工作方式根據(jù)定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位變化來鑒別滑尺相對(duì)于定尺的位移量。當(dāng)滑尺上兩個(gè)互相錯(cuò)開1/4節(jié)距的繞組分別加上幅值、頻率相同，而相位相差90°的勵(lì)磁電壓Us=Umcosωt和Uc=Umsinωt時(shí)，它們?cè)诙ǔ呃@組上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為：這時(shí)定尺繞組總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

434、感應(yīng)同步器的信號(hào)處理同樣有鑒相型和鑒幅型兩種工作方式1nq—電磁耦合系數(shù)—的幅值—反映的是定尺和滑尺的相對(duì)移動(dòng)的距離x。SUmU

當(dāng)滑尺移動(dòng)的距離為x時(shí)，檢測(cè)周期是2τ，則對(duì)應(yīng)于感應(yīng)電勢(shì)以余弦函數(shù)將變化θ角：

即：定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位(ωt+θ)反映了感應(yīng)同步器定滑兩尺的相對(duì)位移x。因此，可通過測(cè)量定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位變化來測(cè)量感應(yīng)同步器兩尺的相對(duì)位移量。44nq—電磁耦合系數(shù)—的幅值—反映的是定尺和滑尺的相對(duì)移動(dòng)的距鑒幅型工作方式是根據(jù)定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值變化來鑒別滑尺相對(duì)于定尺的位移量。當(dāng)滑尺上兩個(gè)互相錯(cuò)開1/4節(jié)距的繞組分別加上相位、頻率相同，而幅值不同的勵(lì)磁電壓Us＝-Usmsinωt，Uc＝Ucmsinωt時(shí)，式中勵(lì)磁電壓的幅值Usm＝Umcos，Ucm＝Umsin，為給定的電相角。它們?cè)诙ǔ呃@組上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為：2）鑒幅型工作方式這時(shí)定尺繞組總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：這里，定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值nUmsin(-θ)反映了感應(yīng)同步器兩尺的相對(duì)位移x。因此，可通過測(cè)量定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值變化來測(cè)量感應(yīng)同步器兩尺的相對(duì)位移量。45鑒幅型工作方式是根據(jù)定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值變化來鑒別滑尺5、感應(yīng)同步器數(shù)字位置測(cè)量系統(tǒng)

圖2-52鑒相型控制原理圖常把感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)元件。465、感應(yīng)同步器數(shù)字位置測(cè)量系統(tǒng)圖2-52鑒相型控制原理圖4747

圖2-53感應(yīng)同步器閉環(huán)系統(tǒng)48圖2-53感應(yīng)同步器閉環(huán)系統(tǒng)48定尺不夠用時(shí)，可進(jìn)行拼接，需根據(jù)電信號(hào)調(diào)整兩根定尺接縫的大小，使其零位誤差曲線在拼接時(shí)平滑過渡。10根以內(nèi)的定尺接長時(shí)，可將定尺繞組串聯(lián)；10根以上的定尺接長時(shí)，為使線圈電阻和電感不致太大，可將定尺分成數(shù)量相同的幾組，每組定尺繞組串聯(lián)后，再并聯(lián)起來，如圖，可以不降低信噪比。

(a)串聯(lián)方式

(b)串、并聯(lián)方式6.感應(yīng)同步器的拼接49定尺不夠用時(shí)，可進(jìn)行拼接，需根據(jù)電信號(hào)調(diào)整兩根定尺接縫的大小（二）光柵

光柵是一種運(yùn)用光的透射和衍射來測(cè)量直線位移或角位移的光學(xué)傳感器。它具有檢測(cè)范圍大、測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。1.光柵的分類光柵按其功能可分為長光柵和圓光柵：長光柵：呈尺狀，用于測(cè)量直線位移；圓光柵：呈盤狀，用于測(cè)量角位移。光柵按對(duì)入射光波的調(diào)制方式又可分為振幅光柵和相位光柵

：振幅光柵：稱為黑白光柵（透射光柵），其柵線與縫隙是黑白相間的，縫隙是透光的細(xì)直線，這種光柵只對(duì)入射光波的振幅或光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制；相位光柵：即反射光柵，刻線呈鋸齒形或三角形，它通過控制刻劃面與光柵平面的夾角來改變各級(jí)光譜的相對(duì)光強(qiáng)的分布，即對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制。50（二）光柵光柵是一種運(yùn)用光的透射和衍射來測(cè)量直線位移計(jì)量光柵分類圖

51計(jì)量光柵分類圖512.光柵的結(jié)構(gòu)透射光柵（最長可達(dá)2m）反射光柵，常用于大位移光柵由光源、透鏡、光柵（標(biāo)尺光柵（長光柵、移動(dòng)光柵）、指示光柵（短光柵、固定光柵））和光敏元件構(gòu)成。如下圖所示為透射光柵和反射光柵的結(jié)構(gòu)圖。522.光柵的結(jié)構(gòu)透射光柵（最長可達(dá)2m）反射光柵，常用于大位光源一般采用鎢絲電燈或砷化鎵發(fā)光二極管。鎢絲電燈的功率小，它與光電元件組合時(shí)，轉(zhuǎn)換效率低，使用壽命短。砷化鎵發(fā)光二極管，其波長接近于硅光敏三極管的峰值波長，因此轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快。實(shí)際使用時(shí)，標(biāo)尺光柵與指示光柵兩者要平行安裝并留有一定的間隙（約0.05mm或0.1mm），指示光柵G1在其自身平面內(nèi)相對(duì)標(biāo)尺光柵G2傾斜一個(gè)很小的角度θ。光柵：由標(biāo)尺光柵G2(又叫主光柵)(長)和指示光柵G1(短)組成。標(biāo)尺光柵和指示光柵均為透明的光學(xué)玻璃條，并在上面刻有很多與運(yùn)動(dòng)方向垂直的線條。刻線的密度為50、100、200、500、1000條線/毫米。相鄰兩條刻線之間的距離叫柵距，用ω表示。光電接收元件是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的元件。一般采用硅光電池或光敏三極管等。53光源一般采用鎢絲電燈或砷化鎵發(fā)光二極管。鎢絲電燈的功率小，它3.光柵的工作原理如圖所示，將兩塊具有相同柵距（ω，圖中：W）的光柵的刻線面疊合在一起，中間保持0.05～0.1mm間隙，并使兩光柵刻線之間保持一很小夾角（θ）。于是在a-a線上，兩塊透射光柵的透光區(qū)相互重疊，形成一條紋；而在b-b線上，兩塊光柵的縫隙被遮住，形成一條暗條紋，由此產(chǎn)生的一系列明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。圖中莫爾條紋近似地垂直于光柵刻線，故稱為橫向莫爾條紋。兩亮條紋或暗條紋之間的寬度稱為條紋間距W(圖中：B)

。莫爾條紋的形成圖中：543.光柵的工作原理如圖所示，將兩塊具有相同柵距（ω，圖中：W莫爾條紋的特點(diǎn)

(1)移動(dòng)規(guī)律：莫爾條紋的移動(dòng)量、移動(dòng)方向與光柵尺的位移量、位移方向具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)光柵尺左、右移動(dòng)一個(gè)柵距ω時(shí)，莫爾條紋準(zhǔn)確地上、下移動(dòng)一個(gè)條紋間距W。(2)放大作用：莫爾條紋的間距W對(duì)光柵的柵距ω有放大作用。當(dāng)θ很小時(shí)，W=ω/θ，有放大倍數(shù)為β＝W/ω≈1/θ。例如，設(shè)ω＝1/100＝0.01mm(100條線/毫米)，W=10mm，則放大倍數(shù)：β=W/ω＝10/0.01=1000。(3)光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距ω，莫爾條紋的變化經(jīng)歷一個(gè)周期，即移動(dòng)了一個(gè)節(jié)距W。光柵透光的強(qiáng)弱及光敏元件輸出的電壓按正弦規(guī)律變化。

將輸出電壓U整形放大，則變?yōu)槊}沖輸出，因此，可用脈沖的個(gè)數(shù)來表示光柵尺位移量的大小。55莫爾條紋的特點(diǎn)(1)移動(dòng)規(guī)律：莫爾條紋的移動(dòng)量、移

(4)平均效應(yīng)：莫爾條紋對(duì)光柵柵距的局部誤差具有誤差平均作用。莫爾條紋是由一系列刻線的交點(diǎn)組成，假設(shè)在光柵的制造過程中產(chǎn)生了柵距誤差，使得各交點(diǎn)的連線不是直線，但光敏元件接收到的是一個(gè)明區(qū)或暗區(qū)的綜合結(jié)果，個(gè)別交叉點(diǎn)的位置不同所引起的明、暗亮度變化在眾多點(diǎn)的平均值中影響甚小。

56(4)平均效應(yīng)：莫爾條紋對(duì)光柵柵距的局部誤差具有4.光柵檢測(cè)裝置的辨向

利用一個(gè)光電元件所得到的光柵信號(hào)只能對(duì)位移量的大小進(jìn)行計(jì)數(shù)，不能辨別運(yùn)動(dòng)方向。為了辨別運(yùn)動(dòng)方向，至少需要兩個(gè)光電元件，如圖（b）所示。安裝兩個(gè)相距W/4（W：條紋間距）的縫隙S1和S2，并在S1和S2對(duì)應(yīng)的位置上安放兩個(gè)光電元件。當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，由于莫爾條紋通過兩個(gè)縫隙的時(shí)間不同，所以兩個(gè)光電元件所獲得的電信號(hào)波形相同，相位相差90°：當(dāng)標(biāo)尺光柵G2向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上移動(dòng)，隙縫S2的輸出信號(hào)波形超前S11/4周期；若G2向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向下移動(dòng)，隙縫S1的輸出信號(hào)波形超前S21/4周期。根據(jù)兩隙縫輸出信號(hào)的超前或滯后，就可以確定標(biāo)尺光柵G2的移動(dòng)方向。574.光柵檢測(cè)裝置的辨向利用一個(gè)光電元件所得到的光柵信號(hào)5.直線光柵檢測(cè)裝置的線路圖2-26高分辨精度原理及相關(guān)量波形585.直線光柵檢測(cè)裝置的線路圖2-26高分辨精度原理及相關(guān)量提高光柵分辨精度的措施1：提高刻線精度；增加刻線密度（有局限性，刻線密度不能超過200條線/mm）。提高光柵分辨精度的措施2：采用倍頻的方法獲得高的分辨精度。上圖為4倍頻電路：相鄰硅光電池的距離為W/4光柵刻線密度：50條線/mm;4個(gè)光電元件；4個(gè)縫隙；------------每隔1/4節(jié)距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，分辨率提高4倍。將原來一個(gè)周期中的一個(gè)方波變?yōu)橐粋€(gè)周期中產(chǎn)生四個(gè)尖脈沖，從而使輸出信號(hào)頻率提高了四倍。59提高光柵分辨精度的措施1：上圖為4倍頻電路：相鄰硅光電池的距怎樣辨別正反運(yùn)動(dòng)方向：

為了辨別正、反運(yùn)動(dòng)方向，可通過八個(gè)與門Yl～Y8將方波A、B、C、D與尖脈沖A’、B’、C’、D’進(jìn)行邏輯組合。使正向運(yùn)動(dòng)的尖脈沖從或門H1輸出，負(fù)向運(yùn)動(dòng)的尖脈沖從或門H2輸出，即：H1=A’B十AD’+C’D+B’C；H2=BC’+AB’+A’D+CD’。

同時(shí)或門H1、H2輸出尖脈沖的個(gè)數(shù)分別反映了正、負(fù)方向位移量的大小，如光柵柵距W=0.02mm，則一個(gè)尖脈沖表示的位移量為:0.02mm/4=5um。若希望進(jìn)一步提高精度，還可采用八倍頻、十倍頻、二十倍頻等線路。60怎樣辨別正反運(yùn)動(dòng)方向：為了辨別正、反運(yùn)動(dòng)方向，可通過

由A、B、C、D的變化頻率可以推斷出兩光柵尺的相對(duì)位移速度。速度的測(cè)量：61由A、B、C、D的變化頻率可以推斷出兩光第二章

伺服控制基礎(chǔ)知識(shí)

62第二章伺服控制基礎(chǔ)知識(shí)1內(nèi)容提要第1節(jié)電力電子器件的應(yīng)用第2節(jié)檢測(cè)元件63內(nèi)容提要第1節(jié)電力電子器件的應(yīng)用2第2節(jié)檢測(cè)元件

速度檢測(cè)

角度（角位移）檢測(cè)

位置檢測(cè)

64第2節(jié)檢測(cè)元件速度檢測(cè)3數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)元件的要求1．具有高可靠性和高抗干擾能力；2．可滿足數(shù)控機(jī)床精度和速度的要求；3．能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，使用、維護(hù)方便；4．價(jià)格低，壽命長；5．便于與數(shù)控機(jī)床安裝、連接。65數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)元件的要求4位量檢測(cè)元件的分類和特點(diǎn)

經(jīng)常用于數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼盤、光柵和磁尺等?！畎惭b的位置及耦合方式—直接測(cè)量和間接測(cè)量；

☆測(cè)量方法—增量型和絕對(duì)型;

☆檢測(cè)信號(hào)的類型—模擬式和數(shù)字式；

☆運(yùn)動(dòng)型式—回轉(zhuǎn)型和直線型；

☆信號(hào)轉(zhuǎn)換的原理—光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等。

分類：66位量檢測(cè)元件的分類和特點(diǎn)經(jīng)常用于數(shù)控機(jī)一、速度檢測(cè)

在伺服系統(tǒng)中，機(jī)械的運(yùn)動(dòng)速度控制是最基本的控制內(nèi)容，當(dāng)對(duì)速度的穩(wěn)定精度提出較高要求時(shí)，就要求對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)能夠?qū)嵭兴俣鹊拈]環(huán)控制。速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，常用的速度檢測(cè)元件一般分為二類，即：模擬速度檢測(cè)元件和數(shù)字速度檢測(cè)元件。測(cè)速發(fā)電機(jī)就是一種模擬速度檢測(cè)元件。由測(cè)速發(fā)電機(jī)構(gòu)成的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其精度控制在

3﹪之內(nèi)已屬不易。測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種微型發(fā)電機(jī)，它的作用是將轉(zhuǎn)速變?yōu)殡妷盒盘?hào)，在理想狀態(tài)下，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓Uo可以用下式表示：

Uo＝K*n＝KK’(dθ/dt)(2-1)式中KK′--比例常數(shù)(即輸出特性的斜率)；n及θ--測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)角度。67一、速度檢測(cè)在伺服系統(tǒng)中，機(jī)械的運(yùn)動(dòng)速度

可見，測(cè)速發(fā)電機(jī)主要有兩種用途：

1.其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，故可用于測(cè)速度；2.如果以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為參數(shù)變量，則可作為機(jī)電微分、積分器。

因此測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛用于速度和位置控制系統(tǒng)中。

根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，測(cè)速發(fā)電機(jī)分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。交流測(cè)速發(fā)電機(jī)分交流同步測(cè)速發(fā)電機(jī)和交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)。交流同步測(cè)速發(fā)電機(jī)：其輸出電壓，不僅其幅值與轉(zhuǎn)速有關(guān)，其頻率也與轉(zhuǎn)速有關(guān)，致使電機(jī)本身的阻抗與負(fù)載阻抗也與轉(zhuǎn)速有關(guān)。這樣，輸出電壓與轉(zhuǎn)速呈非線性關(guān)系，因此，同步測(cè)速發(fā)電機(jī)不宜用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)：其輸出電壓與轉(zhuǎn)速有嚴(yán)格的線性關(guān)系，廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。68可見，測(cè)速發(fā)電機(jī)主要有兩種用途：7同步電機(jī)和異步電機(jī)的區(qū)別：三相交流電通過一定結(jié)構(gòu)的定子繞組時(shí),要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng).在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下,轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速同旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速完全一致,就是同步電機(jī);如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速,也就是說兩者不同步,就是異步電機(jī)。

異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,應(yīng)用廣泛；同步電機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(chǎng)(用永磁鐵或直流電流產(chǎn)生),定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)"拖著"轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)動(dòng),因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速。69同步電機(jī)和異步電機(jī)的區(qū)別：三相交流電通過一定結(jié)構(gòu)的定子繞組時(shí)(一)異步(交流)測(cè)速發(fā)電機(jī)--模擬測(cè)量方式

異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)相似，其原理電路圖如圖所示。

空心杯轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖所示：1.有兩個(gè)定子，外定子和內(nèi)定子，外定子鐵芯槽內(nèi)安放有勵(lì)磁繞組和輸出繞組，彼此在空間相差90°電角度；而內(nèi)定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分；2.空心杯轉(zhuǎn)子位于內(nèi)外繞組之間，通常用非磁性材料（如銅、鋁或鋁合金）。70(一)異步(交流)測(cè)速發(fā)電機(jī)--模擬測(cè)量方式異

當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁后由杯形轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流（包括渦流）產(chǎn)生的磁場(chǎng)與輸出繞組軸線垂直，輸出繞組不感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由杯形轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與輸出繞組軸線重合，在輸出繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)大小正比于杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而頻率和勵(lì)磁電壓頻率相同。反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓相位也相反。（p33）勵(lì)磁繞組輸出繞組轉(zhuǎn)子內(nèi)定子測(cè)量儀器71當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁后由杯形轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流（包括渦流(二)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)--模擬測(cè)量方式

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種用來測(cè)量轉(zhuǎn)速的小型他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，其工作原理見圖2-44。

空載時(shí)：負(fù)載時(shí)：

只要Ce（與磁通有關(guān)）與Ra、RL保持不變，則輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n成正比。改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向，則電勢(shì)極性改變，輸出電壓的極性也改變。因此，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)便將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換成電壓信號(hào)，達(dá)到測(cè)速的目的。72(二)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)--模擬測(cè)量方式直流測(cè)速發(fā)電異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：不需要電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)容易，慣量小，無滑動(dòng)接觸，輸出特性穩(wěn)定，精度高，摩擦轉(zhuǎn)矩小，不產(chǎn)生無線電干擾（無摩擦火花），工作可靠，正、反向旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出特性對(duì)稱。

其主要缺點(diǎn)是：存在剩余電壓和相位誤差，且負(fù)載的大小和性質(zhì)會(huì)影響輸出電壓的幅值和相位。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：沒有相位波動(dòng)，沒有剩余電壓，輸出特性的斜率比異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的大（即測(cè)量值變化明顯）。

其主要缺點(diǎn)是：由于有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不便，摩擦轉(zhuǎn)矩大，有換向火花，產(chǎn)生無線電干擾信號(hào)，輸出特性不穩(wěn)定，且正、反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出特性不對(duì)稱。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)與異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的性能比較：73異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：不需要電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)簡單

(三)光電測(cè)速盤（光電編碼器）--數(shù)字測(cè)量方式

1.光電測(cè)速原理

2.電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別

3.數(shù)字測(cè)速方法

74(三)光電測(cè)速盤（光電編碼器）--數(shù)字測(cè)量方式1.光電測(cè)光源光敏元件脈沖頻率：fc=Nn/60N----圓盤的小孔數(shù)，受限于圓盤的大小。

n----電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可見：輸出頻率fc與轉(zhuǎn)速n呈正比。這種測(cè)量精度比測(cè)速機(jī)的精度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。增量式光電測(cè)速原理75光源光敏元件脈沖頻率：fc=Nn/60這種測(cè)量精度比測(cè)速機(jī)的電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別：

設(shè)置一對(duì)光電傳感器，并使彼此測(cè)得信號(hào)相差90°相位角，根據(jù)測(cè)得脈沖的超前、滯后情況加以判斷。76電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別：設(shè)置一對(duì)光電傳感器，并使彼此絕對(duì)式脈沖編碼器絕對(duì)式脈沖編碼器不需要基數(shù)，它在任意位置都給出與其對(duì)應(yīng)的一個(gè)固定數(shù)字碼輸出。常用的絕對(duì)式脈沖編碼器有接觸式碼盤、光學(xué)碼盤和磁性碼盤。

例如：接觸式碼盤，敏感元件電刷與碼盤上導(dǎo)電區(qū)直接接觸，以檢測(cè)出碼盤的位置。

碼盤基體是絕緣體，碼道是一組同心圓導(dǎo)體，碼道的數(shù)目根據(jù)分辨率來決定；同心圓的徑向距離是碼道的寬度。若碼道數(shù)為n，則每周測(cè)量的分辨率為360°/2n。以這個(gè)角度為間隔，在一周內(nèi)劃出2n個(gè)扇區(qū)，如下圖所示。其中陰影部分為導(dǎo)電區(qū)，邏輯電平為“1”，白色部分為絕緣區(qū)，邏輯電平為“0”。每個(gè)碼道上裝有一個(gè)電刷，每個(gè)電刷和一根單獨(dú)電線相連，作為某一位邏輯電平“1”或“0”的輸出。這樣一組扇形區(qū)對(duì)應(yīng)于一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。一般外軌道為低位，內(nèi)軌道為高位，這樣就可用二進(jìn)制數(shù)來表示碼盤轉(zhuǎn)過的角度。77絕對(duì)式脈沖編碼器絕對(duì)式脈沖編碼器不需要基數(shù)，它在任意絕對(duì)脈沖發(fā)生器碼盤

78絕對(duì)脈沖發(fā)生器碼盤17格雷碼盤79格雷碼盤18十位絕對(duì)式編碼器80十位絕對(duì)式編碼器19旋轉(zhuǎn)編碼器400線（400脈沖/周）型號(hào)：增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，A、B兩相。通過旋轉(zhuǎn)的光柵盤和光耦產(chǎn)生可識(shí)別方向的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。性能：400P/R-400脈沖每轉(zhuǎn)。DC12-24V供電，最小5V供電。最大機(jī)械轉(zhuǎn)速10000轉(zhuǎn)/分，響應(yīng)頻率：0-20KHz；用途：用于測(cè)量物體的旋轉(zhuǎn)速度、角度、加速度及長度測(cè)量。使用范圍：適用于各種位移變化智能控制、鋼筋定長裁剪控制器、民用的測(cè)身高人體秤、大學(xué)生比賽用機(jī)器人等。特點(diǎn)：具有體積小、重量輕，安裝方便，性價(jià)比極高的顯著優(yōu)點(diǎn)。接線輸出：A相，B相，Vcc正電源，V0地，屏蔽線。接線顏色產(chǎn)品銘牌上有明確標(biāo)注。81旋轉(zhuǎn)編碼器400線（400脈沖/周）型號(hào)：增量型旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)字測(cè)速方法

在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有M法測(cè)速﹑T法測(cè)速和M/T法測(cè)速三種：M法測(cè)速是指：在規(guī)定時(shí)間間隔Tg內(nèi)，測(cè)量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來獲得被測(cè)速度值；T法測(cè)速是指：測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔Ttach來確定被測(cè)速度值；M/T法測(cè)速是指：同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來確定被測(cè)速度值。82數(shù)字測(cè)速方法在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈二、角度（角位移）檢測(cè)

在伺服系統(tǒng)中測(cè)角度（角位移）的方法很多，常用的有電位計(jì)、差動(dòng)變壓器、微動(dòng)同步器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器等，這里介紹部分測(cè)量元件。---測(cè)小角位移

(一)差動(dòng)變壓器和微同步器1.差動(dòng)變壓器直線位移式轉(zhuǎn)角式勵(lì)磁輸出83二、角度（角位移）檢測(cè)在伺服系統(tǒng)中測(cè)角度（角位移）差動(dòng)變壓器84差動(dòng)變壓器232.微動(dòng)同步器

微動(dòng)同步器由四極定子和兩極轉(zhuǎn)子組成。在定子每個(gè)極上繞有兩個(gè)線圈（初級(jí)在里側(cè)，次級(jí)在外側(cè)）。用各極中的一個(gè)線圈串聯(lián)成初級(jí)激磁回路，各極中的另一線圈則串聯(lián)成次級(jí)感應(yīng)回路。

信號(hào)型的微動(dòng)同步器實(shí)際上是一種高精確度的變磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器。對(duì)于一定的勵(lì)磁電壓和頻率來說，在一定的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角范圍(一般為10度或12度)內(nèi)，它的輸出電壓正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。

852.微動(dòng)同步器微動(dòng)同步器由四極定子和兩極轉(zhuǎn)子組成。在

激磁回路的連接原則是：當(dāng)將等幅交流電壓加于其上時(shí)，在激磁電流的某半周期內(nèi)，各極上的磁通方向如圖中箭頭所示；次級(jí)感應(yīng)回路的連接原則是：使總的輸出電壓是Ⅱ、Ⅲ極和I、Ⅳ極上感應(yīng)電壓之差。當(dāng)轉(zhuǎn)子如圖處于對(duì)稱于定子的位置時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子之間的四個(gè)氣隙幾何形狀完全相同，各極的磁通相等，從而使得Ⅱ、Ⅲ極上的感應(yīng)電壓與I、IV極上的感應(yīng)電壓相等，總的輸出電壓為零，轉(zhuǎn)子被看成處于零位。若轉(zhuǎn)子偏離零位一個(gè)角度，則四個(gè)氣隙不再相同，造成了各極磁通量的變化，其中一對(duì)磁極的磁通減小，另一對(duì)滋極的磁通增大，這樣，次級(jí)就有一個(gè)正比于轉(zhuǎn)子角位移的電壓輸出。

當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，輸出電壓有180°的相位躍變，微動(dòng)同步器的輸出電壓的頻率等同勵(lì)磁電源頻率（通常采用的勵(lì)磁電壓為60～50ＫHz，5～50V）。微動(dòng)同步器的靈敏度大約為每度0.2～5V，非線性度0.1％～1.0％。86激磁回路的連接原則是：當(dāng)將等幅交流電壓加于其上時(shí)，在(二)旋轉(zhuǎn)變壓器

簡稱旋變，是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號(hào)元件。當(dāng)勵(lì)磁繞組以一定頻率的交流電壓勵(lì)磁時(shí)，輸出繞組（轉(zhuǎn)子繞組）的電壓幅值（或相位）與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)成線性關(guān)系。

旋轉(zhuǎn)變壓器常用于數(shù)控機(jī)床中角位移的檢測(cè)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、信號(hào)輸出幅值大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；

但其測(cè)量精度低。一般用于精度要求不高的數(shù)控機(jī)床或大型數(shù)控機(jī)床的粗測(cè)及中測(cè)系統(tǒng)。87(二)旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變，是一種輸出電1、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器(又稱同步分解器)微特電機(jī)的一種，和兩相繞線式異步電機(jī)結(jié)構(gòu)相似。它由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。（定子和轉(zhuǎn)子均由高導(dǎo)磁的鐵鎳軟磁合金或硅鋼薄板沖壓成的槽狀芯片疊成）在定子和轉(zhuǎn)子的槽狀鐵芯內(nèi)分別嵌有繞組，定子繞組為旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊，它通過固定在殼體上的接板直接引出；轉(zhuǎn)子繞組為旋轉(zhuǎn)變壓器的副邊，轉(zhuǎn)子繞組分為有刷和無刷兩種引出方式。定子轉(zhuǎn)子S1R1S2S3S4R2R3R4881、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器(又稱同步分解器)微特

根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組的引出方式，可將旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無刷式兩種結(jié)構(gòu)形式。

有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器:它的轉(zhuǎn)子繞組是通過滑環(huán)和電刷直接引出的，由于電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動(dòng)接觸，所以，旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性差，壽命短。(a)有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器1—轉(zhuǎn)子繞組；2—定子繞組；3—轉(zhuǎn)子；4—整流子；5—電刷；6—接線柱注：換向器俗稱整流子。89根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組的引出方式，可將旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器:它可分為旋轉(zhuǎn)變壓器本體和附加變壓器兩部分。附加變壓器的原邊、副邊鐵芯及繞組均做成環(huán)形，分別固定于轉(zhuǎn)子軸和殼體上，徑向留有一定的間隙。旋轉(zhuǎn)變壓器本體的轉(zhuǎn)子繞組（副邊）與附加變壓器原邊線圈連接在一起，因此，通過電磁耦合，附加變壓器原邊上的電信號(hào)經(jīng)附加變壓器副邊間接地送了出去。這種結(jié)構(gòu)避免了電刷與滑環(huán)的接觸不良，提高了旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性和使用壽命，但也增加了體積、重量和成本。(b)無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器1—?dú)んw；2—本體定子；7—本體轉(zhuǎn)子；3—附加變壓器定子；4—附加變壓器一次繞組（原邊）；5—附加變壓器轉(zhuǎn)子線軸；6—附加變壓器二次繞組（副邊）；8—轉(zhuǎn)子軸90無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器:它可分為旋轉(zhuǎn)變壓器本體和附加變壓器

常見的旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四級(jí)繞組兩種結(jié)構(gòu)形式。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精密絕對(duì)式檢測(cè)系統(tǒng)。

91常見的旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四級(jí)繞組兩種結(jié)構(gòu)2、旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了定子與轉(zhuǎn)子之間空氣間隙的磁通按正弦規(guī)律分布，當(dāng)定子繞組加上400Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz或5000Hz交流勵(lì)磁電壓時(shí)，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組的軸線在空間的相對(duì)位置。922、旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了V1=Vmsinωt

E2=nVmsinωt

（θ=90°）

E2=nVmsinωtsinθ

E2=0（θ=0°）

E2=nV1sinθ=nVmsinωtsinθ

θ=0°E

2=0

θ=90°E

2=nVmsinωt式中:E2—轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢(shì)；V1—定子繞組勵(lì)磁電壓，V1=Vmsinωt；Vm—電壓信號(hào)幅值；θ—定子繞組軸線的垂線與轉(zhuǎn)子繞組軸線間夾角；

n—變壓比（即兩個(gè)繞組匝數(shù)比）V1=Vmsinωt

V1=Vmsinωt

θ1定子轉(zhuǎn)子93V1=VmsinωtE2=nVmsinωt（θ=90

實(shí)際使用中常采用正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有一對(duì)互相垂直的繞組，如圖所示。當(dāng)兩個(gè)定子繞組分別加上兩個(gè)相位相差90度的勵(lì)磁電壓，即：

V1=Vmsinωt；V2=Vmcosωt應(yīng)用疊加原理，可求出轉(zhuǎn)子繞組中一個(gè)繞組的感應(yīng)磁通為：(使用時(shí)另一個(gè)繞組接高阻抗，不作為旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出，主要起平衡磁場(chǎng)的作用，目的在于提高測(cè)量精度)V2產(chǎn)生的磁通V1產(chǎn)生的磁通作用于轉(zhuǎn)子部分的磁通分量11’22’3’3輸出電動(dòng)勢(shì)：94實(shí)際使用中常采用正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子繞組中若將轉(zhuǎn)子與數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給絲杠同軸安裝，定子安裝在機(jī)床的相對(duì)固定部分，則θ角為絲杠轉(zhuǎn)過的角度，即間接地反映了機(jī)床工作臺(tái)的移動(dòng)距離。從上式可知，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位嚴(yán)格地按轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角θ1的正弦規(guī)律變化，其頻率和勵(lì)磁電壓的頻率相同。

因此，可采用測(cè)量旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位的方法，來測(cè)量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ的變化。95若將轉(zhuǎn)子與數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給絲杠同軸安裝，定子安裝在機(jī)床3、旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)處理

根據(jù)工作要求和精度的不同，旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)處理有鑒相型和鑒幅型兩種方式。

1）鑒相型工作方式(同前面)

在鑒相型工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器的兩相正交定子繞組分別加上幅值相等、頻率相同而相位相差90度的正弦勵(lì)磁電壓，即：

V1=VmsinωtV2=Vmcosωt式中：Vm—?jiǎng)?lì)磁電壓的幅值；

ω—?jiǎng)?lì)磁角頻率。這兩相勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：963、旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)處理根據(jù)工作要求和精度的

由上式可知，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位嚴(yán)格地按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ1的正弦(或余弦)規(guī)律變化，其頻率和勵(lì)磁電壓頻率相同（幅值不變）。因此，可利用鑒相器線路檢測(cè)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位來測(cè)量出轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)角θ1，即被測(cè)位移的大小。

但是，因?yàn)閡3是關(guān)于θ1的周期函數(shù)，故轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，u3將周期性的變化一次，因此，實(shí)際應(yīng)用中，不但要測(cè)u3的大?。榱藴y(cè)相位），還要測(cè)其周期性變化的次數(shù)；或者將被測(cè)角位移限制在180°以內(nèi)。

97由上式可知，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位嚴(yán)格地按2）鑒幅型工作方式在鑒幅型工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器的兩相正交定子繞組分別加上相位相等、頻率相同而幅值不同的勵(lì)磁電壓，即：V1=-V1msinωtV2=V2msinωtV1m=VmcosV2m=Vmsin式中：V1m,V2m—為勵(lì)磁電壓的幅值?！D(zhuǎn)變壓器的電相角。這兩相勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

可見，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值嚴(yán)格地按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ的變化而變化。若θ=，則E2＝0。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小(即勵(lì)磁幅值)，不斷修改定子繞組勵(lì)磁信號(hào)的，使其跟蹤θ的變化，以測(cè)量角位移θ。982）鑒幅型工作方式在鑒幅型工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器的兩相正交定三、位置檢測(cè)

在伺服系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件的位置檢測(cè)分角位移和直線位移檢測(cè)。前面介紹的角位移傳感器一般用于小角位移（速度）檢測(cè)。而大角位移檢測(cè)或直線位移檢測(cè)，常用感應(yīng)同步器、光柵、磁尺等。99三、位置檢測(cè)在伺服系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件的位置檢測(cè)分(一)感應(yīng)同步器

1.基本原理：

感應(yīng)同步器是一種檢測(cè)機(jī)械角位移或直線位移的精密傳感器。分旋轉(zhuǎn)式（圓盤式）和直線式（較多使用）兩種，在伺服系統(tǒng)中，分別用于測(cè)量角度和長度。

直線式由定尺和滑尺組成；圓盤式由轉(zhuǎn)子和定子組成。

前者用于直線位移的測(cè)量，后者用于角位移的測(cè)量。工作時(shí)，當(dāng)滑尺（定尺）繞組加上一定頻率的勵(lì)磁電壓后，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在定尺（滑尺）繞組上將感應(yīng)出相同頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)同步器對(duì)環(huán)境要求低，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)簡單，壽命長，價(jià)格低，同時(shí)具有一定的精度，所以應(yīng)用廣泛。廣泛用于數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)天線定位跟蹤等。但相對(duì)于旋轉(zhuǎn)變壓器安裝稍麻煩。

100(一)感應(yīng)同步器1.基本原理：39定子轉(zhuǎn)子分段繞組分為兩組，布置成空間相差90°相角，即1/4節(jié)距（一節(jié)距相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器一轉(zhuǎn)，360°電角度），又稱為正、余弦繞組1)圓盤式（旋轉(zhuǎn)）感應(yīng)同步器2)直線式感應(yīng)同步器2.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)101定子轉(zhuǎn)子分段繞組分為兩組，布置成直線式感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個(gè)展開式的旋轉(zhuǎn)變壓器，定尺和滑尺的基板由與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相似的鋼板或鑄鐵做成、鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并做成印制繞組。定尺上是連續(xù)繞組，滑尺上是分段繞組(又稱正、余弦繞組)。

(a)定尺繞組(b)W形滑尺繞組(c)U形滑尺繞組印制電路繞組：用絕緣粘貼劑把銅箔粘牢在金屬（或玻璃）基板上，然后按設(shè)計(jì)要求腐蝕成不同曲折形狀的平面繞組。這種繞組稱為印制電路繞組。

節(jié)距102直線式感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個(gè)展開式的旋轉(zhuǎn)變壓器，定尺和3.測(cè)量原理上圖所示為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與繞組位置的關(guān)系（在滑尺S、C上加勵(lì)磁信號(hào)）A點(diǎn):當(dāng)滑尺上的正弦繞組S和定尺繞組重合時(shí)，耦合磁通最大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也最大；B點(diǎn):滑尺繼續(xù)移動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)逐漸減小，當(dāng)移動(dòng)到1/4節(jié)距位置處（磁通垂直關(guān)系），感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零；C點(diǎn)：繼續(xù)移動(dòng)到半個(gè)節(jié)距點(diǎn)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)的最大值；D點(diǎn)：在3/4節(jié)距處又變?yōu)榱悖籈點(diǎn)：移動(dòng)到一個(gè)節(jié)距處，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又為正的最大值。從上可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著滑尺相對(duì)于定尺的移動(dòng)而周期性地變化。加大勵(lì)磁電壓將獲得較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但過大的勵(lì)磁電壓將引起過大的勵(lì)磁電流，致使溫升過高而無法正常工作，所以，一般勵(lì)磁電壓為1～2V。1033.測(cè)量原理上圖所示為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與繞組位置的關(guān)系（在滑4、感應(yīng)同步器的信號(hào)處理同樣有鑒相型和鑒幅型兩種工作方式1）鑒相型工作方式根據(jù)定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位變化來鑒別滑尺相對(duì)于定尺的位移量。當(dāng)滑尺上兩個(gè)互相錯(cuò)開1/4節(jié)距的繞組分別加上幅值、頻率相同，而相位相差90°的勵(lì)磁電壓Us=Umcosωt和Uc=Umsinωt時(shí)，它們?cè)诙ǔ呃@組上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為：這時(shí)定尺繞組總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

1044、感應(yīng)同步器的信號(hào)處理同樣有鑒相型和鑒幅型兩種工作方式1nq—電磁耦合系數(shù)—的幅值—反映的是定尺和滑尺的相對(duì)移動(dòng)的距離x。SUmU

當(dāng)滑尺移動(dòng)的距離為x時(shí)，檢測(cè)周期是2τ，則對(duì)應(yīng)于感應(yīng)電勢(shì)以余弦函數(shù)將變化θ角：

即：定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位(ωt+θ)反映了感應(yīng)同步器定滑兩尺的相對(duì)位移x。因此，可通過測(cè)量定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位變化來測(cè)量感應(yīng)同步器兩尺的相對(duì)位移量。105nq—電磁耦合系數(shù)—的幅值—反映的是定尺和滑尺的相對(duì)移動(dòng)的距鑒幅型工作方式是根據(jù)定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值變化來鑒別滑尺相對(duì)于定尺的位移量。當(dāng)滑尺上兩個(gè)互相錯(cuò)開1/4節(jié)距的繞組分別加上相位、頻率相同，而幅值不同的勵(lì)磁電壓Us＝-Usmsinωt，Uc＝Ucmsinωt時(shí)，式中勵(lì)磁電壓的幅值Usm＝Umcos，Ucm＝Umsin，為給定的電相角。它們?cè)诙ǔ呃@組上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為：2）鑒幅型工作方式這時(shí)定尺繞組總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：這里，定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值nUmsin(-θ)反映了感應(yīng)同步器兩尺的相對(duì)位移x。因此，可通過測(cè)量定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值變化來測(cè)量感應(yīng)同步器兩尺的相對(duì)位移量。106鑒幅型工作方式是根據(jù)定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值變化來鑒別滑尺5、感應(yīng)同步器數(shù)字位置測(cè)量系統(tǒng)

圖2-52鑒相型控制原理圖常把感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)元件。1075、感應(yīng)同步器數(shù)字位置測(cè)量系統(tǒng)圖2-52鑒相型控制原理圖10847

圖2-53感應(yīng)同步器閉環(huán)系統(tǒng)109圖2-53感應(yīng)同步器閉環(huán)系統(tǒng)48定尺不夠用時(shí)，可進(jìn)行拼接，需根據(jù)電信號(hào)調(diào)整兩根定尺接縫的大小，使其零位誤差曲線在拼接時(shí)平滑過渡。10根以內(nèi)的定尺接長時(shí)，可將定尺繞組串聯(lián)；10根以上的定尺接長時(shí)，為使線圈電阻和電感不致太大，可將定尺分成數(shù)量相同的幾組，每組定尺繞組串聯(lián)后，再并聯(lián)起來，如圖，可以不降低信噪比。

(a)串聯(lián)方式

(b)串、并聯(lián)方式6.感應(yīng)同步器的拼接110定尺不夠用時(shí)，可進(jìn)行拼接，需根據(jù)電信號(hào)調(diào)整兩根定尺接縫的大?。ǘ┕鈻?/p>

光柵是一種運(yùn)用光的透射和衍射來測(cè)量直線位移或角位移的光學(xué)傳感器。它具有檢測(cè)范圍大、測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。1.光柵的分類光柵按其功能可分為長光柵和圓光柵：長光柵：呈尺狀，用于測(cè)量直線位移；圓光柵：呈盤狀，用于測(cè)量角位移。光柵按對(duì)入射光波的調(diào)制方式又可分為振幅光柵和相位光