運動控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試（第2版）課件 2.3.3速度檢測模塊簡介 b2

運動控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試主講：南工機(jī)電教學(xué)團(tuán)隊高等教育出版社2.3.1閉環(huán)控制方案設(shè)計增量式光電編碼器1增量式光電碼盤是自動控制統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的編碼式數(shù)字傳感器，主要用于角位移、角速度等的檢測。如圖采用增量式光電編碼盤作為速度檢測模塊，來準(zhǔn)確地檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)速并形成反饋信號。

2.3.1閉環(huán)控制方案設(shè)計增量式編碼器由碼盤基片、光柵板、光學(xué)系統(tǒng)和光敏元件等組成。碼盤基片周邊上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄縫，形成均勻分布的透明區(qū)和不透明區(qū)。圖中下部兩個光柵板與碼盤基片平行，并分別刻有a、b透明檢測窄縫，它們彼此錯開1/4節(jié)距，以使a、b對應(yīng)的兩個光敏元件的輸出信號在相位上相差90°。工作時，光柵板靜止不動，碼盤基片與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，光源發(fā)出的光投射到碼盤基片與光柵板上。2.3.1閉環(huán)控制方案設(shè)計

當(dāng)碼盤基片上的不透明區(qū)正好與光柵板上的透明窄縫對齊時，光線被全部遮住，光敏元件輸出電壓為最?。划?dāng)碼盤基片上的透明區(qū)正好與光柵板上的透明窄縫對齊時，光線全部通過，光敏元件輸出電壓為最大。

圖中上部還有一個與碼盤基片平行的光柵板，刻有z透明檢測窄縫，用來表示碼盤的零位和計量碼盤基片旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。2.3.1閉環(huán)控制方案設(shè)計

當(dāng)碼盤基片轉(zhuǎn)動時，每個和a、b、z光柵板對應(yīng)的光敏元件將有一系列脈沖輸出。如圖2-44下部分圖所示。左邊B信號超前A信號，碼盤逆時針旋轉(zhuǎn)；右邊A信號超前B信號，碼盤順時針旋轉(zhuǎn)。2.3.1閉環(huán)控制方案設(shè)計當(dāng)規(guī)格為

n線/轉(zhuǎn)，即分辨率（分辨角）α，其計算方法為現(xiàn)在市場上提供的增量式光電編碼盤規(guī)格從36線/轉(zhuǎn)（P/r）到10萬線/轉(zhuǎn)都有。選擇時應(yīng)考慮：（1）伺服系統(tǒng)要求的分辨率；（2）考慮機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。增量式編碼器的缺點：（1）有可能產(chǎn)生計數(shù)錯誤（由于噪聲或其它外界干擾）；（2）若因停電、刀具破損而停機(jī)，事故排除后不能找到事故前執(zhí)行部件的正確位置。2.3.3速度檢測模塊簡介絕對式光電編碼器2鑒于增量式編碼器的缺點，人們發(fā)明了絕對脈沖式編碼器。它是在透明材料的圓盤上精確地印制上代表二進(jìn)制編碼的黑白刻線圖是四位二進(jìn)制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，對應(yīng)每圈都有光電傳感器。在同一個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)和自色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”。在一個四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進(jìn)制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360°范圍內(nèi)可編數(shù)碼為24=16個。每個碼道都對應(yīng)有一個光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接收光信號，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)的數(shù)碼信號。但由于制造和安裝精度的影響，當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段交替過程中，會產(chǎn)生讀數(shù)誤差。例如，當(dāng)碼盤順時針方向旋轉(zhuǎn)、由位置“0111”變?yōu)椤?000”時，這四位數(shù)必須耍同時變化，很可能將數(shù)碼誤讀成16種代碼中的任意一種，如讀成1011、0001等，從而產(chǎn)生無法估計的很大的數(shù)值誤差，這種誤差稱為非單值性誤差。為了消除非單值性誤差，可采用以下方法。2.3.3速度檢測模塊簡介（1）循環(huán)碼盤

循環(huán)碼又稱為格雷碼，它也是一種二進(jìn)制編碼。

2.3.3速度檢測模塊簡介它是一種二進(jìn)制形式編碼。這種編碼的特點是任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，從“0”變?yōu)椤?”或“1”變?yōu)椤?”。因此，在兩數(shù)變換過程中，所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差最多不超過“1”，只可能讀成相鄰兩個數(shù)中的一個數(shù)。與二進(jìn)制數(shù)的比較如表（1）循環(huán)碼盤圖2-47所示為四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤。這種編碼的特點是任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，從“0”變?yōu)椤?”或“1”變?yōu)椤?”。

因此，在兩數(shù)變換過程中，所生的讀數(shù)誤差最多不超過“1”，只可能讀成相鄰兩個數(shù)中的一個數(shù)。所以，它是消除非單值性誤差的一種有效方法

碼盤由外至內(nèi)表征的數(shù)制的權(quán)位分別是20、21、22、23，其表述的數(shù)值是0-15或者十六進(jìn)制的0-F。2.3.3速度檢測模塊簡介（2）帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤這種碼盤是在四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤的最外圈再增加一圈信號位。如圖2-48所示，該碼盤最外圈的信號位上正好與狀態(tài)交線錯開，只有當(dāng)信號位所處的光電元件有信號時才讀數(shù)，這樣就不會產(chǎn)生非單值性誤差。當(dāng)規(guī)格為n道，分辨率（分辨角）為α，其計算方法為：絕對式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù)n有關(guān)，現(xiàn)在市場上提供從4道到21道都有。選擇時應(yīng)考慮：（1）伺服系統(tǒng)要求的分辨率；（2）考慮機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。2.3.3速度檢測模塊簡介旋轉(zhuǎn)變壓器2（1）旋轉(zhuǎn)變壓器定義旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver）又稱回轉(zhuǎn)變壓器、同步分解器，是一種將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變換成與之呈某函數(shù)關(guān)系的電信號的元件，是一種精度很高、結(jié)構(gòu)和工藝要求十分嚴(yán)格和精細(xì)的控制微發(fā)電機(jī)。特點：其結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。2.3.3速度檢測模塊簡介（2）旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結(jié)構(gòu)形式。

兩極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極;

四極繞組則各有兩對磁極，主要用于高精度的檢測系統(tǒng)中。

除此之外，還有多極旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精度絕對式檢測系統(tǒng)。如右圖2.3.3速度檢測模塊簡介

兩極繞組的：在定子上有勵磁繞組和輔助繞組，它們的軸線互成90度，在轉(zhuǎn)子上有兩個輸出繞組一正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成90度。如圖2-50所示。一般將其中一個繞組（如Z1、Z2）短接2.3.3速度檢測模塊簡介3）旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

定子繞組Dl-D2接交流電源勵磁，如圖2-51所示

繞組中將產(chǎn)生磁通Φ1；轉(zhuǎn)子繞組Zl-Z2接負(fù)載ZL，當(dāng)主軸帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過θ角時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組中磁通Φ2，產(chǎn)生感應(yīng)電壓ur，其計算如下：式中，k1為定轉(zhuǎn)子繞組有效匝數(shù)比（變比）。ur可以測量出來，僅有θ一個未知數(shù)。若用轉(zhuǎn)子繞組勵磁，則定子繞組輸出時表達(dá)式相同（只是k值不同）。采用不同接線方式或不同的繞組結(jié)構(gòu)，可以獲得與轉(zhuǎn)角成不同函數(shù)關(guān)系的輸出電壓。2.3.3速度檢測模塊簡介（4）旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)變壓器適用于所有使用光電編碼器的場合，特別是高溫、嚴(yán)寒、