現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng) 課件 第5章 交流伺服系統(tǒng)常用傳感器

第5章交流伺服系統(tǒng)常用傳感器內(nèi)容提要5.1概述5.2光電編碼器5.3旋轉(zhuǎn)變壓器5.4光柵5.5壓阻式加速度傳感器5.6電流傳感器交流伺服系統(tǒng)常用傳感器15.1概述交流伺服系統(tǒng)常用的傳感器有系統(tǒng)位置、速度傳感器和磁極位置傳感器。傳感器的分類1）按安裝傳感器位置分為直接檢測和間接檢測；2）按檢測位移的計算方法分為增量式和絕對式；3）按檢測信號的類型分為模擬式和數(shù)字式；4）按運動形式分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。2分類方式特點優(yōu)點缺點安裝位置直接檢測安裝在平移運動機(jī)構(gòu)上檢測精度主要取決于檢測傳感器的精度檢測裝置與被檢測裝置的行程等長，限制了伺服的距離，安裝復(fù)雜間接檢測安裝在電動機(jī)軸的非負(fù)載側(cè)簡單可靠，無檢測長度的限制旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動存在誤差，影響檢測精度檢測位移計算方法增量式只測量位移增量裝置簡單易出現(xiàn)計數(shù)錯誤，沒有記憶能力絕對式測量相對位置有記憶能力存在延時檢測信號類型模擬式被檢測量直接輸出小量程內(nèi)可以實現(xiàn)高精度檢測——數(shù)字式被檢測量量化后，轉(zhuǎn)化為脈沖個數(shù)檢測裝置簡單，數(shù)字信號抗干擾能力強——運動形式旋轉(zhuǎn)型傳感器做旋轉(zhuǎn)運動————直線型傳感器做直線運動————表5-1傳感器分類方法5.1概述3表5-2位置和速度傳感器的分類分類增量式絕對式位

移傳感器旋轉(zhuǎn)型脈沖編碼器，自整角機(jī)，旋轉(zhuǎn)變壓器，圓感應(yīng)同步器，光柵角度傳感器，圓光柵，圓磁柵多極旋轉(zhuǎn)變壓器，絕對脈沖編碼器，絕對值式光柵，三速圓感應(yīng)同步器，磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器直線型直線感應(yīng)同步器，光柵尺，磁柵尺，激光干涉儀，霍爾位置傳感器三速感應(yīng)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(jī)，數(shù)字脈沖編碼式速度傳感器，霍爾速度傳感器速度-角度傳感器，數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器加速度傳感器壓阻式，壓電式

電

流傳感器霍爾元件電流傳感器，電流檢測IC5.1概述45.2光電編碼器隨著光電子學(xué)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，光電編碼器廣泛用于交流伺服電動機(jī)的速度和位置檢測中。光電編碼器的分類1）按脈沖對應(yīng)位置的關(guān)系分為增量式光電編碼器，絕對式光電編碼器以及混合式光電編碼器；2）按編碼器的運動方式分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。光電編碼器的特點直線式：交流伺服電動機(jī)為旋轉(zhuǎn)運動，可以借助機(jī)械連接變換成直線運動形式。直線式光電編碼器用得較少，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運動方式都有利于專用直線式光電編碼器的場合才被采用。旋轉(zhuǎn)式：旋轉(zhuǎn)型光電編碼器容易做成全封閉型，實現(xiàn)小型化，傳感長度不受限制，因而在實際中獲得廣泛應(yīng)用。55.2.1增量式光電編碼器增量式光電編碼器的特點每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應(yīng)一個增量位移角，編碼器能產(chǎn)生與軸位移角增量等值的電脈沖。增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)如圖5-1所示，增量式光電編碼器由以下4個基本部分組成：光源、轉(zhuǎn)盤（動光柵）、遮光板（定光柵）和光敏元件。增量式光電編碼器的原理轉(zhuǎn)盤上刻有許多的均勻透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期。遮光板上刻有與轉(zhuǎn)盤相應(yīng)的透光縫隙，用來通過或阻擋光線。圖5-1增量式光電編碼器的構(gòu)造A相、B相、Z相－遮光板縫隙A、B、Z－受光元件1－旋轉(zhuǎn)圓盤2－轉(zhuǎn)盤縫隙3－遮光板6表5-3增量式光電編碼器的性能性能參數(shù)概念特點影響因素分辨率編碼器軸轉(zhuǎn)動一周所產(chǎn)生的輸出信號基本周期數(shù)光柵盤上的槽或窗口數(shù)目等于編碼器的分辨率與檢測元件本身和測量線路有關(guān)精度度量在所選定的分辨率范圍內(nèi)，確定任一脈沖相對另一脈沖位置的能力用度、分、秒來表示與轉(zhuǎn)盤的加工質(zhì)量、轉(zhuǎn)盤的機(jī)械旋轉(zhuǎn)和安裝技術(shù)有關(guān)穩(wěn)定性在實際運行條件下，保持規(guī)定精度的能力——與溫度、外加于編碼器的變形力和光源特性的變化有關(guān)響應(yīng)頻率準(zhǔn)確反映軸的轉(zhuǎn)角位移的能力響應(yīng)頻率受分辨率限制與光敏元件和電子處理線路的響應(yīng)能力有關(guān)編碼器內(nèi)輸出信號的處理在編碼器內(nèi)將輸入信號放大與整形經(jīng)過處理后的信號輸出近似正弦波或矩形波——5.2.1增量式光電編碼器75.2.1增量式光電編碼器增量式光電編碼器的輸出信號編碼器的輸出信號一般是近似正弦波或矩形波信號。由于容易對矩形波輸出信號進(jìn)行數(shù)字處理，所以這種輸出信號在定位控制中的應(yīng)用十分廣泛。正弦波輸出信號的優(yōu)點1）在定位停止時沒有振蕩現(xiàn)象；2）把輸出的近似正弦波和余弦波信號微分合成，可以得到模擬速度信號；3）可以進(jìn)行電子內(nèi)插，以低成本得到高分辨率。正弦波輸出信號的應(yīng)用應(yīng)用在打印機(jī)和磁盤磁頭定位中。圖5-3矩形波輸出信號圖5-2近似正弦波輸出信號的構(gòu)成8正反方向可逆運行的原理在許多實際應(yīng)用中，要求交流伺服電動機(jī)在正反兩個方向上能實現(xiàn)可逆運行;編碼器輸出兩路正交信號，對應(yīng)編碼器的某一旋轉(zhuǎn)方向，兩個信號明確而單值表示從“0”到“1”和從“1”到“0”的邏輯躍變;這兩個躍變邏輯信號與某相靜態(tài)邏輯信號進(jìn)行“編碼”，可以設(shè)計出正反方向的判別電路。圖5-5方向判別電路的輸出波形圖5-4旋轉(zhuǎn)方向判別電路框圖5.2.1增量式光電編碼器95.2.2絕對式光電編碼器（1）絕對式光電編碼器的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)絕對式編碼器用不同的數(shù)碼分別指示不同的增量小位置。在旋轉(zhuǎn)碼盤上制成8~12個碼道，零點固定，輸出為矩形波的二進(jìn)制碼。單轉(zhuǎn)絕對式光電編碼器的特點測量軸角的范圍為0°~360°，不具有多轉(zhuǎn)檢測能力，具有時間延遲。圖5-6絕對式光電編碼器的碼盤構(gòu)造圖5-7絕對式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖1-縫隙；2-固定縫隙板；3-旋轉(zhuǎn)圓盤10（2）多轉(zhuǎn)絕對式光電編碼器基本結(jié)構(gòu)如圖5-8所示，由一個單轉(zhuǎn)絕對式光電編碼器和一個增量式磁性編碼器組成。特點克服了單轉(zhuǎn)絕對式光電編碼器存在的問題，適應(yīng)多轉(zhuǎn)數(shù)運動控制系統(tǒng)位置檢測的需要。圖5-8多轉(zhuǎn)數(shù)絕對位置光電編碼器的電路結(jié)構(gòu)1-圓盤2-固定縫隙3-光敏二極管4-磁性圓盤5.2.2絕對式光電編碼器115.2.3混合式光電編碼器

125.2.3混合式光電編碼器圖5-9混合式光電編碼器的結(jié)構(gòu)與輸出信號波形a）

交流伺服電動機(jī)用光電編碼器組成b）

編碼器的輸出波形a）b）135.3旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的基本結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器是由定子鐵心和線圈、轉(zhuǎn)子鐵心與線圈以及轉(zhuǎn)子輸出變壓器所組成。旋轉(zhuǎn)變壓器的特點它具有結(jié)構(gòu)堅固耐用等特點，在可靠性要求高的場合，有十分重要的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)變壓器的原理定子鐵心上的兩相繞組軸線在空間上正交，并以相位差90°正弦和余弦電流進(jìn)行激勵；轉(zhuǎn)子鐵心上繞有一個轉(zhuǎn)子繞組，把轉(zhuǎn)子輸出變壓器的一次線圈接到轉(zhuǎn)子繞組的輸出端，取代了傳統(tǒng)的集電環(huán)和電刷。圖5-10旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖a）定子b）轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子輸出變壓器145.3旋轉(zhuǎn)變壓器

155.3旋轉(zhuǎn)變壓器

圖5-11旋轉(zhuǎn)變壓器定子的勵磁信號與輸出信號的相位關(guān)系165.3旋轉(zhuǎn)變壓器

175.3旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器常用電路在使用旋轉(zhuǎn)變壓器的情況下，常用一種旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路。下面介紹一款由正弦波振蕩器AD2S99及旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S80A組成的位置檢測系統(tǒng)。正弦波振蕩器AD2S99AD2S99的內(nèi)部構(gòu)造如圖5-12所示。它將輸出的正弦激勵信號送入旋轉(zhuǎn)變壓器中的一次側(cè)。從旋轉(zhuǎn)變壓器的二次側(cè)輸出兩個正交信號。圖5-12AD2S99內(nèi)部功能框圖185.3旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S80AAD2S80A的內(nèi)部功能如圖5-13所示，A3和A4構(gòu)成兩個積分環(huán)節(jié)，AD2S80A運行于II型伺服環(huán)的跟蹤方式。輸出將自動跟蹤輸入，并且速度逐步上升到最大跟蹤速度。圖5-13AD2S80A內(nèi)部原理框圖及外圍電路195.3旋轉(zhuǎn)變壓器RDC電路以AD2S99和AD2S80A組成的位置測試系統(tǒng)與DSP的接口示意如圖5-14所示。旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組由AD2S99激勵，其定子輸出分別接到AD2S99和AD2S80A的相關(guān)引腳，而AD2S99向AD2S80A提供參考基礎(chǔ)信號。圖5-14采用RDC的變換電路205.4光柵光柵的原理光柵是利用光的發(fā)射、透射和干涉現(xiàn)象制成的一種光電檢測裝置。光柵的基本結(jié)構(gòu)光柵檢測裝置由光源、長光柵（標(biāo)尺光柵）、短光柵（指示光柵）和光電元件組成。光柵的分類有物理光柵和計量光柵兩大類。按照不同的分類方法，計量光柵可分為直線光柵和圓形光柵，透射光柵和反射光柵，增量式光柵和絕對式光柵等。根據(jù)光柵的工作原理，將光柵分為直線式透射光柵和莫爾條紋式光柵兩類。圖5-15光柵位置檢測裝置215.4.1直線式透射光柵透射光柵特點在玻璃表面刻上透明和不透明的間隔相等的線紋，稱為透射光柵，只能透過單個透明間隔，光強度較弱，脈沖信號不強，往往在光柵線較粗的地方使用。透射光柵原理光電元件把兩塊光柵移動時的明暗變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?。在?biāo)尺光柵的移動過程中，光電元件接受的光通量忽大忽小，產(chǎn)生了近似正弦波的電流。圖5-16透射直線式光柵原理圖a）結(jié)構(gòu)圖b）輸出波形225.4.2莫爾條紋式光柵莫爾條紋的定義使兩片光柵靠近并稍有傾斜，在和光柵垂直的方向上，可以看到非常粗大的條紋，這就叫莫爾條紋。莫爾條紋的性質(zhì)1）平均效應(yīng)莫爾條紋對光柵的線紋誤差有平均作用；2）光柵移動一個柵距??，莫爾條紋也移動一個柵距??；3）如果兩塊光柵夾角??很小，則莫爾條紋之間的距離??將遠(yuǎn)大于光柵的柵距??，莫爾條紋起到了放大作用，方便讀數(shù)。圖5-17莫爾條紋235.4.2莫爾條紋式光柵

（2）光電轉(zhuǎn)換光柵檢測系統(tǒng)的光柵轉(zhuǎn)換由光柵讀數(shù)頭來完成。最基本的光柵讀數(shù)由光源、聚光鏡、指示光柵和硅光電池組成。圖5-18光柵檢測系統(tǒng)的組成245.4.2莫爾條紋式光柵莫爾條紋式光柵的信號輸出當(dāng)兩塊光柵的刻度重合時，透光最多，光電池輸出的電壓信號最大；當(dāng)兩塊光柵的暗線紋將明線紋遮住，透光近似為0，光電池輸出最小；光電池的輸出電壓波形近似于三角形；在實際應(yīng)用過程中，兩塊光柵間必定有間隙，光電池的輸出近似為正弦波形和一直流分量的疊加。

255.4.3光柵檢測裝置

圖5-20垂直入射讀數(shù)頭圖5-19分光讀數(shù)頭265.4.3光柵檢測裝置（2）辨向方法辨向的基本結(jié)構(gòu)如圖5-21所示，安置兩只光電元件，讓光線透過它們，分別被兩個光電元件接收，兩個狹縫S1與S2彼此相距1/4節(jié)距。辨向的原理當(dāng)光柵移動時，從兩只光電元件分別得到正弦和余弦的電流波形。由于莫爾條紋通過光電元件的時間不同，兩信號將有90°或1/4周期的相位差。而信號的超前與落后取決于光柵的移動方向，從而判別機(jī)床運動方向。a)b)圖5-21光電元件的安裝及其所產(chǎn)生的電流波形a)安裝圖b)波形圖275.4.3光柵檢測裝置（3）分辨率的提高基本結(jié)構(gòu)一種光柵測量裝置的邏輯框圖如圖5-22所示。為了提高分辨率，線路采用4倍頻方法。在一個莫爾條紋節(jié)距內(nèi)，安裝4只光電元件（如硅光電池），每相鄰兩只的距離為1/4節(jié)距。圖5-22光柵信號4倍頻電路285.4.3光柵檢測裝置信號輸出類型光柵輸出給數(shù)控裝置的信號有兩種，方波信號和正弦波信號；對方波信號可進(jìn)行二倍頻和四倍頻處理，但最高為四倍頻；對連續(xù)變化的正弦波信號，可采用相位跟蹤細(xì)分，以進(jìn)一步提高分辨率。分辨率提高的原理將輸出信號與相對相位基準(zhǔn)信號相比較，當(dāng)相位差超過一定門檻時，移相脈沖門輸出移相脈沖，同時使相對相位基準(zhǔn)信號跟蹤測量信號的變化。這樣每一移相脈沖相對相位基準(zhǔn)移相360°/n，即可實現(xiàn)n倍細(xì)分。圖5-23光柵信號四倍頻波形295.5壓阻式加速度傳感器（1）壓阻式加速度傳感器的原理與結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)壓阻式加速度傳感器是利用應(yīng)變電阻作為加速度傳感元件。特點在應(yīng)變電阻不受力時，是對稱平衡的，沒有信號輸出。當(dāng)應(yīng)變電阻受力時，其阻值發(fā)生變化，有信號輸出，其輸出信號與受力大小成正比。a）b）圖5-24壓阻式加速度傳感器的集成塊截面及芯片電橋a）集成塊截面b）芯片電橋1-由電橋組成的懸臂梁2-附加垂塊3-制動塊4-底座5-芯片6-蓋板7-檢測端8-引線端30原理壓阻式加速度傳感器由傳感元件及信號調(diào)節(jié)兩部分組成；當(dāng)加速度傳感器承受加速度時，傳感元件和附加垂塊上移或下降，使電橋臂的電阻變化；信號調(diào)節(jié)器用來放大傳感元件的輸出，并校正靈敏度和補償隨溫度變化而產(chǎn)生的漂移。圖5-25壓阻式加速度傳感器的簡化電路原理315.5壓阻式加速度傳感器（2）壓阻式加速度傳感器的性能和參數(shù)：1）靈敏度：指單位加速度的輸出電壓。較典型的產(chǎn)品靈敏度為0.1~50mV/g；2）頻率響應(yīng)：指加速度傳感器在規(guī)定的加速度極限內(nèi)工作時，輸入加速度交變頻率的允許限度。通常頻率響應(yīng)在0~5000Hz范圍內(nèi)；3）精度誤差：包括輸出電壓非線性誤差和溫度變化誤差兩種。一般非線性誤差±1.0%，溫度誤差±2.0%；4）電源：通常采用5V電源作為輸入電源。規(guī)定電源電壓不得超過±10%。325.5壓阻式加速度傳感器（3）壓阻式加速度傳感器的應(yīng)用：它的應(yīng)用可分為用在控制系統(tǒng)中作為反饋檢測和用于導(dǎo)航儀器中。系統(tǒng)反饋中的應(yīng)用系統(tǒng)反饋應(yīng)用的典型是高速運動的繪圖機(jī)。永磁感應(yīng)直線步進(jìn)電動機(jī)x軸或y軸直線驅(qū)動的加速度閉環(huán)控制中，它可使電動機(jī)動子高速平穩(wěn)精準(zhǔn)地帶動繪圖機(jī)工具繪