《機(jī)電控制技術(shù)》圖文-第九章

機(jī)電控制技術(shù)第九章位置控制技術(shù)9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)目錄9.1常見(jiàn)的位置檢測(cè)元件9.2伺服系統(tǒng)9.3位置控制技術(shù)在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中的應(yīng)用9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)

9.1常見(jiàn)的位置檢測(cè)元件位置檢測(cè)元件是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它起著檢測(cè)各控制軸的位移和速度的作用，把檢測(cè)到的信號(hào)反饋回去，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。

位置檢測(cè)元件按檢測(cè)方式可分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。

（1）直接測(cè)量。（2）間接測(cè)量。是指對(duì)機(jī)床的直線(xiàn)位移采用直線(xiàn)型檢測(cè)元件測(cè)量。直接測(cè)量常用的位置檢測(cè)元件一般包括直線(xiàn)感應(yīng)同步器、光柵和磁尺激光干涉儀。是指對(duì)機(jī)床的直線(xiàn)位移采用回轉(zhuǎn)型檢測(cè)元件測(cè)量。間接測(cè)量常用的檢測(cè)元件一般包括圓感應(yīng)同步器、圓光柵、圓磁柵、光電脈沖編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)位置檢測(cè)元件按測(cè)量裝置編碼方式可分為增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量。（1）增量式測(cè)量。（2）絕對(duì)式測(cè)量。一般在輪廓控制數(shù)控機(jī)床上多采用增量式測(cè)量，這種檢測(cè)方式只對(duì)相對(duì)位移量進(jìn)行測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量裝置較簡(jiǎn)單，任何一個(gè)點(diǎn)都可以作為測(cè)量的起點(diǎn)，而移動(dòng)的距離是由測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)累加所得，一旦計(jì)數(shù)有誤，以后測(cè)量所得結(jié)果就完全錯(cuò)誤。增量式測(cè)量常用的檢測(cè)元件一般包括光柵和增量式光電碼盤(pán)。絕對(duì)式測(cè)量是指被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起，每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值。絕對(duì)式測(cè)量常用的檢測(cè)元件一般包括接觸式碼盤(pán)和絕對(duì)式光電碼盤(pán)。絕對(duì)式測(cè)量較增量式測(cè)量復(fù)雜，如編碼盤(pán)中，對(duì)應(yīng)于編碼盤(pán)的每一個(gè)角度位置就有一組二進(jìn)制位數(shù)。顯然，分辨精度要求越高，量程就越大，所要求的二進(jìn)制位數(shù)也越多，結(jié)構(gòu)也就越復(fù)雜。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)位置檢測(cè)元件按檢測(cè)信號(hào)的類(lèi)型可分為數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量。（1）數(shù)字式測(cè)量。（2）模擬式測(cè)量。數(shù)字式測(cè)量是指將被測(cè)量以數(shù)字形式表示，由于其測(cè)量信號(hào)一般為脈沖信號(hào)，因而可以直接把它送到數(shù)控裝置中進(jìn)行比較和處理。這種檢測(cè)方式抗干擾能力強(qiáng)、處理簡(jiǎn)單。數(shù)字式測(cè)量常用的檢測(cè)元件一般包括光柵、接觸式編碼盤(pán)和電式編碼盤(pán)。模擬式測(cè)量是指將被測(cè)量用連續(xù)變量表示，如電壓變化、相位變化等。這種檢測(cè)方式所采用的信號(hào)處理方法相對(duì)來(lái)說(shuō)較復(fù)雜。模擬式測(cè)量常用的檢測(cè)元件一般包括感應(yīng)同步器、磁柵和旋轉(zhuǎn)變壓器。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)伺服控制系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)元件的要求主要可分為以下幾點(diǎn)：（1）高可靠性和高抗干擾性。（2）滿(mǎn)足精度和速度要求。（3）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境。（4）成本低。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)9.1.1感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器是一種電磁式位置檢測(cè)元件，是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理組成的，它是由旋轉(zhuǎn)變壓器演化而來(lái)的，其極數(shù)(定尺或定子繞組中被滑尺或轉(zhuǎn)子繞組覆蓋的有效導(dǎo)體數(shù))多，通常為360極、720極，最多達(dá)可2000極，在電與磁方面均能對(duì)誤差起補(bǔ)償作用，所以具有很高的精度。感應(yīng)同步器的勵(lì)磁頻率一般為2～10kHz，輸出電壓為幾毫伏。1.感應(yīng)同步器的分類(lèi)

感應(yīng)同步器可用來(lái)測(cè)量直線(xiàn)或轉(zhuǎn)角位移。測(cè)量直線(xiàn)位移的稱(chēng)為直線(xiàn)感應(yīng)同步器，它是由定尺和滑尺組成的，可用于測(cè)量直線(xiàn)位移。測(cè)量轉(zhuǎn)角位移的稱(chēng)為圓感應(yīng)同步器，它是由定子和轉(zhuǎn)子組成的，可用于測(cè)量角位移。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)1）直線(xiàn)感應(yīng)同步器

直線(xiàn)感應(yīng)同步器由長(zhǎng)尺和短尺組成。長(zhǎng)尺又稱(chēng)為定尺。定尺是一個(gè)連續(xù)繞組，表面涂有防切削液，安裝在固定部件上；短尺又稱(chēng)為滑尺，滑尺表面粘貼了一層鋁箔，接地時(shí)可防止靜電感應(yīng)，安裝在兩者平行放置的移動(dòng)部件上，且之間保持0.05~0.25mm的間隙。如圖9-1所示為直線(xiàn)感應(yīng)同步器的外形。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)直線(xiàn)感應(yīng)同步器兩個(gè)單元繞組之間的距離稱(chēng)為節(jié)距，滑尺和定尺的節(jié)距均為2τ，如圖9-2中所示。標(biāo)準(zhǔn)直線(xiàn)感應(yīng)同步器的定尺長(zhǎng)為250mm，滑尺長(zhǎng)為100mm，節(jié)距長(zhǎng)為2mm。定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應(yīng)繞組，滑尺上有兩組繞組，一組為正弦繞組，另一為余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組對(duì)齊時(shí)，余弦繞組與定尺繞組相差1/4節(jié)距，由于定尺繞組是均勻的，因而滑尺上的兩組繞組在空間位置上相差1/4節(jié)距，即π/2相位角。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)當(dāng)給滑尺任意一繞組加勵(lì)磁電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用，在定尺繞組中必然產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小取決于滑尺和定尺的相對(duì)位置。當(dāng)只給滑尺上的正弦繞組加勵(lì)磁電壓時(shí)，定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與定尺和滑尺的相對(duì)位置關(guān)系，如圖9-3所示。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)2）圓感應(yīng)同步器

圓感應(yīng)同步器的定子固定在不動(dòng)體上，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸相連。利用定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)平面形繞組的互感隨位置而變化的電磁感應(yīng)原理，將機(jī)械轉(zhuǎn)角位移精確地轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。如圖9-4所示為圓感應(yīng)同步器的外形。

由于圓感應(yīng)同步器具有精度高、性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐油、耐污，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)、易于維護(hù)和使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而它在機(jī)械加工、測(cè)量?jī)x器、自動(dòng)控制和數(shù)字顯示等系統(tǒng)中得到極其廣泛的應(yīng)用。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)2.感應(yīng)同步器的工作方式

根據(jù)勵(lì)磁繞組中勵(lì)磁供電方式的不同，感應(yīng)同步器可分為鑒相方式和鑒幅方式。

1）鑒相方式

鑒相方式是將正弦繞組和余弦繞組分別通以頻率相同、幅值相同但相位相差π/2的交流勵(lì)磁電壓。

在這種工作方式下，將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位相差90°的交流電壓，如圖9-5所示。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)2）鑒幅方式

鑒幅方式則是將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以相位相同、頻率相同但幅值不同的交流勵(lì)磁電壓。

在這種工作方式下，將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以頻率相同、相位相同，但幅值不同的交流電壓，如圖9-6所示。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)1）精度高

由于感應(yīng)同步器是直接對(duì)機(jī)床位移進(jìn)行測(cè)量，中間不經(jīng)過(guò)任何機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，測(cè)量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面繞組，采用專(zhuān)門(mén)的工藝方法制作精確。再加上它的極對(duì)數(shù)多，定尺繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是多周期的平均效應(yīng)，從而減少了制造繞組局部誤差的影響，所以測(cè)量精度高。目前，直線(xiàn)感應(yīng)同步器的精度可達(dá)±0.001mm，重復(fù)精度可達(dá)0.0002mm。

3.感應(yīng)同步器的使用特點(diǎn)2）可拼接成各種需要的長(zhǎng)度

根據(jù)測(cè)量長(zhǎng)度的要求，采用多塊定尺拼接使用。由于相鄰定尺間的距離可以調(diào)整，因而使拼接后總長(zhǎng)度的精度與單塊定尺的精度相同（或略低于）。定尺間繞組的連接方式有兩種：當(dāng)定尺的數(shù)量少于10個(gè)時(shí)，將定尺的各繞組串聯(lián)；當(dāng)定尺的數(shù)量多于10個(gè)時(shí)，先將定尺的各繞組分成兩組串聯(lián)，再將這兩組并聯(lián)，以不使定尺繞組的阻抗過(guò)高為原則。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)3）對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)

感應(yīng)同步器為非接觸式電磁耦合元件，可選耐溫性能好的非導(dǎo)磁性材料作為保護(hù)層，加強(qiáng)了其抗溫防濕的能力，同時(shí)在繞組的每個(gè)周期的任何時(shí)候都可以給出與絕對(duì)位置相對(duì)應(yīng)的單值電壓信號(hào)，而不受環(huán)境干擾的影響。直線(xiàn)感應(yīng)同步器的金屬基尺與安裝部件的材料的膨脹系數(shù)相近，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，兩者的變化規(guī)律相同，而不影響測(cè)量精度。4）使用壽命長(zhǎng)

由于感應(yīng)同步器的定尺與滑尺之間不直接接觸，因而沒(méi)有磨損，所以壽命長(zhǎng)。但是感應(yīng)同步器大多裝在切屑或切削液容易入侵的部位，所以必須用鋼帶或折罩覆蓋，以免切屑劃傷定尺與滑尺內(nèi)的繞組。

5）注意安裝間隙9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)9.1.2光柵

光柵是一種非接觸式位置檢測(cè)裝置，可以將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖，反饋給CNC裝置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。是數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)常用的位置檢測(cè)元件。它是利用等節(jié)距刻線(xiàn)間隔均勻的光的透射和衍射現(xiàn)象制成的光電位置檢測(cè)元件，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)。光柵的檢測(cè)精度可達(dá)1μm以上。

1.光柵的分類(lèi)

光柵按形狀分可分為圓光柵和長(zhǎng)光柵。圓光柵呈盤(pán)狀，用于角位移的檢測(cè)，圓光柵一般是在具有一定直徑的玻璃圓盤(pán)上，用真空鍍膜的方法鍍上一層不透光的金屬薄膜，再涂上一層均勻的感光材料，然后用精密照相腐蝕工藝，制成沿圓周方向等距的透光部分和不透光部分相間的輻射狀線(xiàn)紋。長(zhǎng)光柵呈尺狀，用于直線(xiàn)位移的檢測(cè)。光柵的分類(lèi)圖如圖9-8所示。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)2.光柵的結(jié)構(gòu)

光柵是由光源、光柵副和光敏元件組成的，如圖9-9所示。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)3.光柵的工作原理

當(dāng)標(biāo)尺光柵與指示光柵平行安裝，兩者間相距一定的距離，指示光柵相對(duì)于標(biāo)尺光柵傾斜一個(gè)很小的角度，并有平行光垂直照射時(shí)，由于光線(xiàn)通過(guò)衍射后發(fā)生干涉，在光柵副的另一面將產(chǎn)生和刻線(xiàn)接近于垂直的明暗相間的條紋，這些明暗相間的條紋稱(chēng)為莫爾條紋。而光電接收元件又將莫爾條紋的光照的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。

1）莫爾條紋的形成

由于兩個(gè)光柵間有微小的傾斜角θ，使其刻線(xiàn)相互交叉，交叉點(diǎn)處刻線(xiàn)重疊，遮光面積小，透光效應(yīng)好，形成亮帶，即明條紋。而在刻線(xiàn)不相交處，刻線(xiàn)重疊少，透光效應(yīng)差，形成暗帶，即暗條紋。由于兩塊光柵的刻線(xiàn)密度相等，即柵距ω相等，而產(chǎn)生的莫爾條紋的方向和光柵刻線(xiàn)方向大致垂直，其幾何關(guān)系如圖9-10所示。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)

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2）莫爾條紋的特點(diǎn)

當(dāng)θ很小時(shí)，莫爾條紋的節(jié)距為

這表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的1／θ倍，當(dāng)標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就沿垂直于光柵移動(dòng)的方向移動(dòng)。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距ω時(shí)，莫爾條紋就相應(yīng)準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)節(jié)距W，因此，只要讀出移過(guò)莫爾條紋的數(shù)目，就可以知道光柵移動(dòng)了多少個(gè)柵距，由于柵距在制造光柵時(shí)是已知的，因而光柵的移動(dòng)距離可以通過(guò)電氣系統(tǒng)自動(dòng)地測(cè)量出來(lái)。

當(dāng)光柵的線(xiàn)紋密度為100條/min，即柵距為0.01mm時(shí)，人們是無(wú)法用肉眼來(lái)分辨的，但是它的莫爾條紋卻清晰可見(jiàn)，所以莫爾條紋是一種簡(jiǎn)單的放大機(jī)構(gòu)。其放大倍數(shù)取決于兩光柵刻線(xiàn)的交角θ，如ω=0.01mm、W=10mm，則其放大倍數(shù)1／θ=W／ω=1000倍，這是莫爾條紋系統(tǒng)的獨(dú)具特點(diǎn)。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)4.光柵讀數(shù)頭

光柵讀數(shù)頭是位置信號(hào)的檢測(cè)裝置，是光柵與電子線(xiàn)路的轉(zhuǎn)接部件，即是位移—光信號(hào)—電信號(hào)的變換器。5.光柵的位移—數(shù)字變換電路

光柵測(cè)量系統(tǒng)的組成如圖9-11所示。光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋由光電元件接收，然后經(jīng)過(guò)位移—數(shù)字變換電路形成順時(shí)針?lè)较虻恼蛎}沖或者逆時(shí)針?lè)较虻姆聪蛎}沖，輸入可逆計(jì)數(shù)器。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)下面介紹這種四倍頻細(xì)分電路的工作原理，如圖9-12所示為四倍頻電路的組成示意圖和波形圖。具體的分析過(guò)程如下：

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)6.光柵的安裝與應(yīng)用

通常，標(biāo)尺光柵固定在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件(如工作臺(tái)或絲杠)上，光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床的固定部件(如機(jī)床底座)上，兩者隨著工作臺(tái)的移動(dòng)而相對(duì)移動(dòng)。在光柵讀數(shù)頭中，安裝著一個(gè)指示光柵，當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上移動(dòng)。如圖9-13所示，粗黑線(xiàn)段標(biāo)記處為光柵安裝部位。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)9.1.3磁柵

磁柵是利用電磁特性，將一定波長(zhǎng)的方波或正弦波信號(hào)用拾磁磁頭記錄在磁性材料制成的磁性標(biāo)尺上，然后根據(jù)與磁性標(biāo)尺相對(duì)移動(dòng)的拾磁磁頭所讀取的信號(hào)，對(duì)位移進(jìn)行檢測(cè)的數(shù)字式傳感器。

磁柵傳感器由磁柵、磁頭和控制電路等組成。如圖9-14所示為磁柵傳感器的示意圖。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)1.磁柵

磁柵是在非導(dǎo)磁材料(如玻璃、不銹鋼、鋼、鋁或其他合成材料)的基體上，鍍一層均勻的磁膜，并錄上間距相等、正負(fù)極性交錯(cuò)的磁信號(hào)柵條而制成的。

磁柵按磁性標(biāo)尺基體的形狀可分為帶狀磁柵、線(xiàn)狀磁柵和圓形磁柵，前二種用于直線(xiàn)位移測(cè)量，后一種用于角位移測(cè)量，如圖9-15所示。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)2.磁頭

磁頭是進(jìn)行磁一電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映位置變化的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸送到控制電路中去。磁頭有動(dòng)態(tài)磁頭(又稱(chēng)為速度響應(yīng)式磁頭)和靜態(tài)磁頭(又稱(chēng)為磁通響應(yīng)式磁頭)兩種形式。

根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，必須在低速運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)也能進(jìn)行位置檢測(cè)，故采用靜態(tài)磁頭。如圖9-16所示為靜態(tài)磁頭的結(jié)構(gòu)示意圖。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)根據(jù)檢測(cè)方法不同，控制電路分為鑒幅檢測(cè)電路和鑒相檢測(cè)電路。鑒相檢測(cè)電路如圖9-17所示9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)9.1.4光電脈沖編碼器

光電脈沖編碼器是一種光學(xué)旋轉(zhuǎn)式角位移檢測(cè)元件，光電脈沖編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光電脈沖編碼器的優(yōu)點(diǎn)是非接觸式的、無(wú)摩擦和磨損、驅(qū)動(dòng)力矩小、響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是抗污染能力差、容易損壞。光電脈沖編碼器按編碼化方式可分為增量式光電脈沖編碼器和絕對(duì)式光電脈沖編碼器。

1.增量式光電脈沖編碼器

增量式光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)如圖9-20所示。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)2.絕對(duì)式光電脈沖編碼器

絕對(duì)式光電脈沖編碼器是把被測(cè)轉(zhuǎn)角通過(guò)讀取編碼盤(pán)上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的位置檢測(cè)元件。絕對(duì)式光電脈沖編碼器的編碼盤(pán)可分為光電式編碼盤(pán)、接觸式編碼盤(pán)和電磁式編碼盤(pán)三種。

光電式編碼盤(pán)是目前應(yīng)用較多的一種，它是在透明材料的圓盤(pán)上精確地印制上二進(jìn)制編碼。如圖9-21所示為四位二進(jìn)制光電式編碼盤(pán)。圖中四位二進(jìn)制光電式編碼盤(pán)上各圈圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字編碼道，在同一個(gè)編碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼。黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”。在該四位二進(jìn)制光電式編碼盤(pán)上，有四圈數(shù)字編碼道，每一圈數(shù)字編碼道表示二進(jìn)制編碼中的一位，里側(cè)為高位，外側(cè)為低位，顯然，該四位二進(jìn)制光電式編碼盤(pán)在360°范圍內(nèi)可編碼24=16個(gè)。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)3.光電脈沖編碼器的應(yīng)用

1）光電脈沖編碼器在直線(xiàn)位移測(cè)量中的應(yīng)用

在半閉環(huán)系統(tǒng)中，將增量式光電脈沖編碼器安裝在進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的非輸出軸端，根據(jù)該增量式光電脈沖編碼器反饋的脈沖數(shù)量(對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)軸的角位移)、傳動(dòng)比及滾珠絲杠的導(dǎo)程(單頭螺紋即為螺距)就可以計(jì)算出移動(dòng)部件的直線(xiàn)位移量。

2）光電脈沖編碼器在螺紋加工控制中的應(yīng)用

為了加工螺紋，在數(shù)控機(jī)床的主軸上應(yīng)安裝光電脈沖編碼器。通常安裝在主軸上的光電編碼器與主軸間的傳動(dòng)比為1，利用該光電脈沖編碼器可以保證在切削螺紋時(shí)，同步控制主軸旋轉(zhuǎn)與坐標(biāo)軸的進(jìn)給，即主軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，刀具準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)螺紋的導(dǎo)程，從而保證被加工螺紋螺距的準(zhǔn)確性。3）光電脈沖編碼器在永磁式交流同步伺服電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)9.2伺服系統(tǒng)1.伺服控制系統(tǒng)的基本要求

按照數(shù)控機(jī)床加工的運(yùn)動(dòng)方式分可分為點(diǎn)位控制、點(diǎn)位直線(xiàn)控制和輪廓控制。下面從對(duì)伺服系統(tǒng)要求的角度，分析點(diǎn)位控制和輪廓控制。1）點(diǎn)位控制

點(diǎn)位控制使機(jī)床只能夠?qū)崿F(xiàn)由一個(gè)位置點(diǎn)到另一個(gè)位置點(diǎn)的精確移動(dòng)，在移動(dòng)和定位的過(guò)程中不進(jìn)行任何加工。工件的運(yùn)動(dòng)軌跡并不影響加工的孔距精度，如坐標(biāo)鉆床、坐標(biāo)鏜床以及沖床等就是采用點(diǎn)位控制。點(diǎn)位控制只控制行程終點(diǎn)的坐標(biāo)值，而不控制點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此，幾個(gè)坐標(biāo)軸之間的運(yùn)動(dòng)不需要有任何聯(lián)系。在點(diǎn)位控制的結(jié)構(gòu)中，不需要加工軌跡的計(jì)算裝置。為了盡可能地減少機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和定位時(shí)間，通常在快速移動(dòng)后，采用三級(jí)減速，以減少定位誤差，保證良好的定位精度。

點(diǎn)位控制對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求是保證實(shí)現(xiàn)高的定位精度和快的定位效率。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)2）輪廓控制

數(shù)控車(chē)床、銑床和加工中心的數(shù)控系統(tǒng)，要求刀具在相對(duì)工件移動(dòng)的過(guò)程中，一邊進(jìn)給一邊進(jìn)行切削加工，進(jìn)給控制的過(guò)程也是工件切削加工的過(guò)程。伺服系統(tǒng)控制工作臺(tái)行進(jìn)的軌跡，就是工件要求加工的輪廓，因此，稱(chēng)為輪廓控制。

輪廓控制對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求除了要保證精確定位外，還必須隨時(shí)控制進(jìn)給軸伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，以保證數(shù)控加工軌跡能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)指令的要求。同時(shí)由于輪廓控制中伺服系統(tǒng)可能頻繁地處于過(guò)渡過(guò)程，因而動(dòng)態(tài)誤差將上升，從而影響加工精度。特別在圓弧切削加工中，由于實(shí)際進(jìn)給過(guò)程速度的跟隨誤差，將直接造成輪廓形狀與尺寸的誤差。對(duì)于兩軸及兩軸以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)，不僅要求每個(gè)驅(qū)動(dòng)軸要盡可能增大系統(tǒng)速度增益以減少速度跟隨誤差，而且必須使各軸的速度增益接近，才能保證兩軸以上聯(lián)動(dòng)時(shí)的加工精度。在速度增益較小時(shí)，這個(gè)要求更為嚴(yán)格。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)工作頻率是指伺服系統(tǒng)允許輸入信號(hào)的頻率范圍。響應(yīng)特性是指伺服系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入指令變化的反應(yīng)速度。它決定了伺服系統(tǒng)的工作效率。響應(yīng)速度與許多因素有關(guān)，如計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的阻尼、質(zhì)量等。穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在伺服系統(tǒng)上的干擾消失以后，伺服系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或當(dāng)給伺服系統(tǒng)輸入一個(gè)新的指令后，其再次達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。系統(tǒng)精度是指伺服系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)要求的精確程度。該精度是以誤差的形式表現(xiàn)的，即動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。1）系統(tǒng)精度2）穩(wěn)定性3）響應(yīng)特性4）工作頻率2.伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求

伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求包含以下四項(xiàng)：

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)3.伺服系統(tǒng)常見(jiàn)的控制方式

伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1）開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)是無(wú)位置反饋的系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)元件主要是功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或液壓脈沖馬達(dá)。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)組成如圖9-23所示。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)

由于開(kāi)環(huán)控制的精度不能很好地滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)的要求，為了提高伺服系統(tǒng)的控制精度，最根本的辦法是采用閉環(huán)控制。閉環(huán)伺服系統(tǒng)是誤差控制隨動(dòng)系統(tǒng)。在閉環(huán)控制中，對(duì)工件的移動(dòng)用位置檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)并將測(cè)量結(jié)果反饋到輸入端與指令信號(hào)進(jìn)行比較。如果兩者存在偏差，將此偏差信號(hào)進(jìn)行放大，控制伺服電動(dòng)機(jī)工件向指令位置進(jìn)給，只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)所要求的控制精度。如圖9-24所示為閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)，合理的設(shè)計(jì)可以得到可靠的穩(wěn)定性和很高的精度，但是直接測(cè)量工作臺(tái)的位置信號(hào)需要用直線(xiàn)感應(yīng)同步器、光柵或磁柵等安裝、維護(hù)要求較高的位置檢測(cè)元件。相比之下若采用旋轉(zhuǎn)變壓器、光電脈沖編碼器、圓感應(yīng)同步器等位置檢測(cè)元件測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸或絲杠轉(zhuǎn)角，則容易得多。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸或絲杠轉(zhuǎn)角位移的測(cè)量，可間接地獲得位置輸出量的等效反饋信號(hào)。由于由等效反饋信號(hào)構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)中不包含從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸到工作臺(tái)之間的傳動(dòng)鏈，因而這部分傳動(dòng)引起的誤差不能被閉環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償，所以將這種由等效反饋信號(hào)構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱(chēng)為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，這種控制方式稱(chēng)為半閉環(huán)控制方式。如圖9-25所示為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)9.2.2伺服系統(tǒng)的分類(lèi)

伺服系統(tǒng)按指令信號(hào)分可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)。

1.脈沖比較伺服系統(tǒng)

在數(shù)控機(jī)床中，插補(bǔ)器給出的指令信號(hào)是數(shù)字脈沖。如果選擇光柵、磁柵和光電脈沖編碼器等位置檢測(cè)元件作為檢測(cè)工件位移量的裝置，則輸出的位置反饋信號(hào)也是數(shù)字脈沖。這樣給定量與反饋量的比較就是直接的脈沖比較，由此構(gòu)成的伺服系統(tǒng)稱(chēng)為脈沖比較伺服系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為脈沖比較系統(tǒng)。

1）脈沖比較伺服系統(tǒng)的組成原理

脈沖比較伺服系統(tǒng)的組成如圖9-26所示。由圖9-26可知，該系統(tǒng)由位置檢測(cè)元件透射光柵產(chǎn)生的負(fù)反饋脈沖Pf與指令脈沖F相比較，得到位置偏差e，從而實(shí)現(xiàn)位置偏差的閉環(huán)控制?，F(xiàn)假設(shè)指令脈沖F=0，且工作臺(tái)原來(lái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，由于這時(shí)負(fù)反饋脈沖P也為零，經(jīng)比較環(huán)節(jié)可得位置偏差e=F－Pf=0，因而伺服系統(tǒng)的輸入為零時(shí)，工作臺(tái)保持靜止不動(dòng)。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)2）脈沖比較和分離電路

在脈沖比較伺服系統(tǒng)中，完成指令脈沖F和負(fù)反饋脈沖Pf，比較用的是二進(jìn)制雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器。如果把工作臺(tái)運(yùn)行的方向用正負(fù)來(lái)區(qū)分的話(huà)，則指令脈沖F和負(fù)反饋脈沖Pf，可分別用F+、F－，Pf+、Pf－來(lái)表示。當(dāng)輸入指令脈沖為F+或負(fù)反饋脈沖為Pf+時(shí)，二進(jìn)制雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù)；當(dāng)輸入指令脈沖為F－或負(fù)反饋脈沖為Pf－時(shí)，二進(jìn)制雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器做減法計(jì)數(shù)。

在使用二進(jìn)制雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行脈沖比較時(shí)應(yīng)注意的是，指令脈沖F和負(fù)反饋脈沖Pf到來(lái)的時(shí)刻可能錯(cuò)開(kāi)或重疊。當(dāng)兩路計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)先后到來(lái)并有一定時(shí)間間隔時(shí)，二進(jìn)制雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器無(wú)論先加后減或先減后加都能可靠地工作。但是如果兩者同時(shí)進(jìn)入二進(jìn)制雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器，則會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生誤操作，因此，不允許這樣的情況出現(xiàn)，必須在指令脈沖F和負(fù)反饋脈沖Pf進(jìn)入二進(jìn)制雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器之前先進(jìn)行脈沖分離處理，如圖9-27所示。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)2.相位比較伺服系統(tǒng)

在高精度的數(shù)控伺服系統(tǒng)中，感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用廣泛的位置檢測(cè)元件。如果采用這種位置檢測(cè)元件，在伺服控制系統(tǒng)中就要把指令信號(hào)與反饋信號(hào)都變成某個(gè)載波的相位，然后通過(guò)兩者相位的比較，得到實(shí)際位置與指令位置的偏差。

1）相位比較伺服系統(tǒng)的組成原理

如圖9-29所示為采用感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)元件的相位比較伺服系統(tǒng)的組成。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)2）脈沖調(diào)相器

脈沖調(diào)相器又稱(chēng)為數(shù)字調(diào)相器，是一種把脈沖數(shù)變換成相位位移的變換器。它由兩個(gè)分頻器和一個(gè)脈沖加減器組成。如圖9-30所示為脈沖調(diào)相器的組成。9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)3）鑒相器

鑒相器又稱(chēng)為相位比較器。它的作用是鑒別指令信號(hào)與反饋信號(hào)的相位，判別兩者之間相位差的大小，以及相位的超前與滯后變化，把它變成一個(gè)帶極性的誤差電壓信號(hào)。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種簡(jiǎn)單的矩形波鑒相器，如圖9-31所示。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)3.幅值比較伺服系統(tǒng)

幅值比較伺服系統(tǒng)中感應(yīng)同步器采用的是幅值工作方式，輸出的是模擬信號(hào)，其特點(diǎn)是幅值大小與機(jī)械位移量成正比。將此信號(hào)作為位置反饋信號(hào)與指令信號(hào)的比較而構(gòu)成的閉環(huán)伺服系統(tǒng)稱(chēng)為幅值比較伺服系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為幅值伺服系統(tǒng)。

顯然，在幅值比較伺服系統(tǒng)中，必須把反饋通道的模擬量變換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，才可以完成與指令脈沖的比較。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的過(guò)程與相應(yīng)伺服系統(tǒng)有許多相似之處。

如圖9-32所示為幅值比較伺服系統(tǒng)的組成。當(dāng)感應(yīng)同步器在幅值工作方式時(shí)，在滑尺的正余弦兩個(gè)繞組上分別施加頻率相同、幅值不同的正弦電壓。這兩個(gè)正弦電壓的幅值又分別與相角成正余弦的關(guān)系。

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)

9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)如圖9-33所示為數(shù)控銑床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的示意圖。它的進(jìn)給、分度轉(zhuǎn)位和定位鎖緊都是由給定的指令進(jìn)行控制的。9.3位置控制技術(shù)在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中的應(yīng)用9/30/2024機(jī)電控制技術(shù)9.3.1數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的介紹

1.數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的用途