交流伺服運動控制系統(tǒng)的檢測技術及元件課件

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，傳感器的功能是“感+傳”，即感受被測信息，并傳送出去。由敏感元件、轉換元件、轉換電路三部分組成。敏感元件是能夠靈敏地感受被測量并作出響應的元件；

轉換元件實際上就是將敏感元件感受的被測量轉換成電路參數(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)轉換電路計算機顯示執(zhí)行機構振蕩器

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：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)行機構計算機鎖存器計數(shù)器轉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角內(nèi)測量積累誤差的最大值，如±0.002～0.02mm/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0.001～0.01mm。角位移分辨率為2"作用檢測位置和速度，發(fā)送反饋信號，構成閉環(huán)或半閉環(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1旋轉變壓器

旋轉變壓器的結構

在結構上和兩相繞線式異步電動機相似，由定子和轉于組成。定子繞組為變壓器的一次繞組轉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，轉子繞組產(chǎn)生感應電功勢輸出感應電功勢大小與轉子位置有關旋轉變壓器工作原理特點結構簡單，動作靈敏，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變壓器，其定子由兩組匝數(shù)相等、互相垂直的繞組構成。旋轉變壓器的應用感應同步器是旋轉變壓器演變而來，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子組成，用于測量角位移直線型感應同步器由定子和轉子組成，用于測量直線位移

2感應同步器直線感應同步器的結構利用兩個平面形印刷繞組，其間保持均勻氣隙約為(0.25±0.05)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u＝Umsinωt，那么在定尺繞組產(chǎn)生的感應電勢e為

e＝kUmcosθcosωt根據(jù)疊加原理，定尺繞組上總輸出感應電勢e為

e＝es＋ec

＝kUmcosθcosωt＋kUmsinθsinωt

＝kUmcos(ωt－θ)

＝kUmcos(ωt－2πx/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θ=1.8°，節(jié)距W=2mm，θ=2πx/W=0.01mm光柵檢測裝置基本結構示意圖

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0.1mm2）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（1）分辯率改變一個計數(shù)字所對應的轉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法測速適用的轉速范圍寬，測速精度高

結構

絕對式脈沖編碼器結構與增量式相似，就是在碼盤的每一轉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，當編碼器旋轉超過一周時，讀出準確數(shù)值的解決方法：

在旋轉軸上安裝多個碼盤，其中一些盤是專門用來計量所轉過的圈數(shù)N，而另一部分碼盤是用來檢測一圈以內(nèi)的度數(shù)θ。之后將兩個碼盤所檢測的進行(N×360°＋θ)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（或轉動）并用磁頭讀取(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Φ1。當磁頭靠近磁尺時，磁尺上的磁信號產(chǎn)生的磁通Φ0進入磁頭鐵心，并被高頻勵磁電流產(chǎn)生的磁通Φ1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)；λ—磁尺磁化信號的節(jié)距；x—磁頭相對于磁尺的位移；ω—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1μm/m）；缺點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2～5μm）。

2.5綜合比較

模擬式傳感器的輸出信號需利用模數(shù)轉換器(A/D)進行數(shù)字化處理，而在高分辨率情況下A/D轉換的成本較高，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轉換，易與計算機接口。但隨著測量精度的提高，絕對式編碼器的成本也