增量式脈沖編碼器課件

12023/7/20主要內容概述旋轉變壓器感應同步器直線光柵光電脈沖編碼器22023/7/205.1概述☆分辨率☆閉環(huán)控制☆傳感器組成：位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成的。作用：實時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式，將運動部件現(xiàn)實位置反饋到位置控制單元，以實施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，在設計數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。32023/7/205.1.1檢測裝置的分類數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為位移、速度和電流三種類型。

☆安裝的位置及耦合方式—直接測量和間接測量；

☆測量方法—

增量型和絕對型；

☆檢測信號的類型—

模擬式和數(shù)字式；

☆運動型式—

回轉型和直線型；

☆信號轉換的原理—

光電效應、光柵效應、電磁感應原理、壓電效應、壓阻效應和磁阻效應等。

42023/7/20直接測量和間接測量1.直接測量

直接測量是將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，而構成位置閉環(huán)控制。其優(yōu)點是準確性高、可靠性好，缺點是測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機床上受到一定限制。2.間接測量

它是將旋轉型檢測裝置安裝在驅動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。優(yōu)點是測量方便、無長度限制。缺點是測量信號中增加了由回轉運動轉變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。52023/7/20數(shù)字式測量和模擬式測量1.數(shù)字式測量

它是將被測的量以數(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。2.模擬量測量

它是將被測的量用連續(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。62023/7/20增量式測量和絕對式測量

增量式測量

在輪廓控制數(shù)控機床上多采用這種測量方式，增量式測量只測相對位移量，如測量單位為0.001mm，則每移動0.001mm就發(fā)出一個脈沖信號，其優(yōu)點是測量裝置較簡單，任何一個對中點都可以作為測量的起點，而移距是由測量信號計數(shù)累加所得，但一旦計數(shù)有誤，以后測量所得結果完全錯誤。

2.絕對式測量

絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應的測量值。測量裝置的結構較增量式復雜，如編碼盤中，對應于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數(shù)也愈多，結構就愈復雜。72023/7/20分

類

增

量

式

絕

對

式

位移傳感器

回轉型——脈沖編碼器、自整角機、旋轉變壓器、圓感應同步器、光柵角度傳感器、圓光柵、圓磁柵

多極旋轉變壓器、絕對脈沖編碼器

絕對值式光柵、三速圓感應同步器、磁阻式多極旋轉變壓器

直線型——直線應同步器、光柵尺、磁柵尺、激光干涉儀

霍耳位置傳感器

三速感應同步器、絕對值磁尺、光電編碼尺、磁性編碼器

速度傳感器

交、直流測速發(fā)電機、數(shù)字脈編碼式速度傳感器、霍耳速度傳感器

速度—角度傳感器、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器

電流傳感器

霍耳電流傳感器

數(shù)控機床檢測裝置分類82023/7/205.1.2數(shù)控測量裝置的性能指標及要求傳感器的性能指標包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性，主要如下:

1.精度

符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關系的準確程度稱作精度。高精度和高速實時測量。

2.分辨率

分辯率應適應機床精度和伺服系統(tǒng)的要求。

3.靈敏度靈敏度高、一致。

4.遲滯對某一輸入量，傳感器正行程的輸出量與反行程的輸出量不一致，稱為遲滯。數(shù)控伺服系統(tǒng)傳感器要求遲滯小。

5.測量范圍和量程6.零漂與溫漂傳感器的漂移量其它：可靠，抗干擾性強、使用維護方便、成本低等。

92023/7/205.2旋轉變壓器5.2.1旋轉變壓器的結構和工作原理旋轉變壓器是一種角位移測量裝置。旋轉變壓器簡稱旋變，又稱作解算器或分解器。分類：有電刷集電環(huán)結構和無刷結構單對極元件、多對極元件（或稱多極元件）工作原理：電磁感應定子轉子S1R1S2S3S4R2R3R4102023/7/2018762345

旋轉變壓器結構示意圖

1-轉軸2-軸承3-機殼4-轉子鐵心5-定子鐵心

6-端蓋7-電刷8-集電環(huán)

結構112023/7/20V1=Vmsinωt

V1

V1

E

2=0（α=90°）

E

2=KVmsinωtcosα

E

2=

KVmsinωt（α=0°）

α=90°E

2=0α=0°E

2=KV

msinωt式中:E2—轉子繞組感應電勢；

V1—定子繞組勵磁電壓

V1=Vmsinωt；

Vm—電壓信號幅值；α—定、轉子繞組軸線間夾角；K—變壓比（即繞組匝數(shù)比）122023/7/20

5.2.2旋轉變壓器的應用

數(shù)控系統(tǒng)中旋轉變壓器作為位置檢測和反饋元件，工作在位置控制的相位、幅值工作方式。1.鑒相方式：定子的兩相繞組分別加上幅值相等、頻率相同，而相位相差90度的正弦交變電壓。

Vs=Vmsinωt

Vc=Vmcosωt

E2=KV

m

cosα-KV

msinα=KV

m

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KV

m

sin(ωt-α)132023/7/20VcE2定子兩相繞組勵磁

Vsa轉子輸出信號的相位角(ωt-α)與轉子的偏轉角之間有著嚴格的對應關系。若測出轉子工作繞組輸出電壓的相位角，即可得到轉子相對于定子的空間轉角位置。E2=KVm

cosα-KVm

csinα=KVm

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KVm

sin(ωt-α)142023/7/202.鑒幅方式：定子的兩相繞組加的是相位相同、頻率相同，而幅值分別按正弦、余弦變化的交變電壓。Vs=Vmsinα電sinωt

Vc=Vmcosα電sinωt

E2=KV

m

cosα機-KV

csinα機

=KV

msinωt(sinα電cosα機-cos電sinα機

=KV

msin(α電-α機)sinωt感應電勢（E2）是以ω為角頻率、以Vm

sin(α電

-α機)為幅值的交變電壓信號。若電氣角α電已知，只要測出E2

幅值(利用E2=0)，便可間接的求出機械角α機，從而得出被測角位移。

152023/7/20如果將旋轉變壓器裝在數(shù)控機床的滾珠絲杠上，當角從0°到360°時，絲杠上的螺母帶動工作臺移動了一個導程，間接測量了執(zhí)行部件的直線位移。測量所走過的行程時，可加一個計數(shù)器，累計所轉的轉數(shù)，折算成位移總長度。162023/7/205.3感應同步器

5.3.1感應同步器的結構和類型

絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)節(jié)距（0.5mm）定尺滑尺172023/7/20旋轉式感應同步器直線式感應同步器182023/7/20

5.3.2感應同步器的工作原理

感應同步器是利用勵磁繞組與感應繞組間發(fā)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，感應繞組中的感應電壓隨位移的變化而變化，借以進行位移量的檢測。感應同步器滑尺上的繞組是勵磁繞組，定尺上的繞組是感應繞組。工作原理：利用電磁耦合原理，將位移或轉角變成電信號（極為普遍）。即使滑尺與定尺相互平行，并保持一定的間距。向滑尺通以交流激磁電壓，則在滑尺中產(chǎn)生激磁電流，繞組周圍產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的磁場，由電磁感應，在定尺上感出感應電壓，當滑尺與定尺間產(chǎn)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，使定尺上感應電壓隨位移的變化而變化（相同頻率）。感應同步器的信號處理原理滑尺與定尺相對位移量x的求取：∵2τ:2π=x:θ1∴x=τθ1／π結論：相對位移量x與相位角θ1呈線性關系，只要能測出相位角θ1，就可求得位移量x。192023/7/20

5.3.3感應同步器的應用

按滑尺上兩相繞組通入的勵磁信號，感應同步器分為：

相位工作方式（鑒相型系統(tǒng)）

幅值工作方式（鑒幅型系統(tǒng)）。

●相位工作方式：前提供給滑尺的激磁信號為頻率、幅值相同，相位角相差90°的交流電壓。

●

幅值工作方式：前提給滑尺繞組通入相位相同、頻率相同，但幅值不同的勵磁電壓。202023/7/205.4光柵光柵的分類：物理光柵和計量光柵光柵的運動方式：長光柵和圓光柵光線的走向：透射光柵和反射光柵

一、結構光柵種類較多。根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測精度可達1μm以上。從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測量轉角位移，直線光柵用于檢測直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介紹一種應用比較廣泛的透射式直線光柵。直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長的稱為標尺光柵或長光柵，一般固定在機床移動部件上，要求與行程等長。短的為指示光柵或短光柵，裝在機床固定部件上。兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距，測量時它們相互平行放置，并保持0.05~0.1mm的間隙。212023/7/20222023/7/20232023/7/20

二、工作原理

當指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一小角度放置時，兩光柵尺上線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點附近的小區(qū)域內黑線重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋具有如下特點：1.光強度分布近似于余弦函數(shù)2.放大作用用B（mm）表示莫爾條紋的寬度，W

(mm)表示柵距，θ(rad)為光柵線紋之間的夾角，如圖所示則有

莫爾條紋寬度B與θ角成反比，θ越小，放大倍數(shù)越大。242023/7/20

3.均化誤差作用莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣柵距之間的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。

4.莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例當光柵尺移動一個柵距W時，莫爾條紋也剛好移動了一個條紋寬度B。只要通過光電元件測出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動了多少個柵距，工作臺移動的距離可以計算出來。若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反。252023/7/20光柵測量系統(tǒng)如上圖所示，由光源、聚光鏡、光柵尺、光電元件和驅動線路組成。讀數(shù)頭光源采用普通的燈泡，發(fā)出輻射光線，經(jīng)過聚光鏡后變?yōu)槠叫泄馐?，照射光柵尺。光電元件（常使用硅光電池）接受透過光柵尺光強信號，并將其轉換成相應的電壓信號。由于此信號比較微弱，在長距離傳遞時，很容易被各種干擾信號淹沒，造成傳遞失真，驅動線路的作用就是將電壓信號進行電壓和功率放大。除標尺光柵與工作臺一起移動外，光源、聚光鏡、指示光柵、光電元件和驅動線路均裝在一個殼體內，作成一個單獨部件固定在機床上，這個部件稱為光柵讀數(shù)頭，又叫光電轉換器，其作用把光柵莫爾條紋的光信號變成電信號。262023/7/205.3脈沖編碼器

脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器，能把機械轉角變成電脈沖，是數(shù)控機床上使用很廣泛的位置檢測裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對式兩類。

一、絕對式編碼器絕對式編碼器是一種旋轉式檢測裝置，可直接把被測轉角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其對應的測量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉動角度。絕對式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種。272023/7/20脈沖編碼器282023/7/20二、增量式脈沖編碼器增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應式三種。就精度和可靠性來講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號是用脈沖數(shù)/轉（p/r）來區(qū)分，數(shù)控機床常用2000、2500、3000p/r等，現(xiàn)在已有每轉發(fā)10萬個脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測外，還可以用于速度檢測。光電式脈沖編碼器通常與電機做在一起，或者安裝在電機非軸伸端，電動機可直接與滾珠絲杠相連，或通過減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個脈沖對應機床工作臺移動的距離可用下式計算：式中

—脈沖當量（mm/脈沖）；S—滾珠絲杠的導程（mm）；i—減速齒輪的減速比；M—脈沖編碼器每轉的脈沖數(shù)（p/r）。292023/7/20光電脈沖編碼器的結構1-光源

2-圓光柵

3-指示光柵

4-光電池組

5-機械部件

6-護罩

7-印刷電路板

1234567302023/7/20光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成。光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與工作軸連在一起，光電盤