第2章 伺服控制基礎(chǔ)知識

1、1第二章第二章 伺服控制基礎(chǔ)知識伺服控制基礎(chǔ)知識 2內(nèi)容提要內(nèi)容提要第第1 1節(jié)節(jié) 電力電子器件的應(yīng)用電力電子器件的應(yīng)用第第2 2節(jié)節(jié) 檢測元件檢測元件3第第2 2節(jié)節(jié) 檢測元件檢測元件 速度檢測速度檢測 角度（角位移）檢測角度（角位移）檢測 位置檢測位置檢測 4 數(shù)控機(jī)床對位置檢測元件的要求數(shù)控機(jī)床對位置檢測元件的要求1 1具有高可靠性和高抗干擾能力；具有高可靠性和高抗干擾能力；2 2可滿足數(shù)控機(jī)床精度和速度的要求；可滿足數(shù)控機(jī)床精度和速度的要求；3 3能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的工作環(huán)境，使用、維護(hù)方便；能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的工作環(huán)境，使用、維護(hù)方便；4 4價格低，壽命長；價格低，壽命長；5 5便于與數(shù)控機(jī)

2、床安裝、連接。便于與數(shù)控機(jī)床安裝、連接。5 位量檢測元件的分類和特點位量檢測元件的分類和特點 經(jīng)常用于數(shù)控機(jī)床的位置檢測元件有經(jīng)常用于數(shù)控機(jī)床的位置檢測元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼盤、光柵和磁尺等應(yīng)同步器、編碼盤、光柵和磁尺等。 安裝的位置及耦合方式安裝的位置及耦合方式直接測量直接測量和和間接測量間接測量； 測量方法測量方法 增量型增量型和和絕對型絕對型; ; 檢測信號的類型檢測信號的類型 模擬式模擬式和和數(shù)字式數(shù)字式； 運(yùn)動型式運(yùn)動型式 回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型和和直線型直線型； 信號轉(zhuǎn)換的原理信號轉(zhuǎn)換的原理 光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、 壓電

3、效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等。等。分類：分類：6一、速度檢測速度檢測 在伺服系統(tǒng)中，機(jī)械的在伺服系統(tǒng)中，機(jī)械的運(yùn)動速度控制是最基本的控制內(nèi)容運(yùn)動速度控制是最基本的控制內(nèi)容，當(dāng)對速，當(dāng)對速度的穩(wěn)定精度提出較高要求時，就要求對驅(qū)動電動機(jī)能夠?qū)嵭兴俣鹊亩鹊姆€(wěn)定精度提出較高要求時，就要求對驅(qū)動電動機(jī)能夠?qū)嵭兴俣鹊拈]環(huán)控制。閉環(huán)控制。 速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，常用的速度檢測元件一般分為二類，即：速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，常用的速度檢測元件一般分為二類，即：模擬速度檢測元件模擬速度檢測元件和和數(shù)字速度檢測元件數(shù)字速度檢測元件。測速發(fā)電機(jī)就是一種模擬速。測速發(fā)電機(jī)就是一種模擬速度檢測元件。由

4、測速發(fā)電機(jī)構(gòu)成的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其精度控制在度檢測元件。由測速發(fā)電機(jī)構(gòu)成的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其精度控制在 3之內(nèi)已屬不易。之內(nèi)已屬不易。 測速發(fā)電機(jī)是一種微型發(fā)電機(jī)，它的作用是將轉(zhuǎn)速變?yōu)殡妷盒盘?，測速發(fā)電機(jī)是一種微型發(fā)電機(jī)，它的作用是將轉(zhuǎn)速變?yōu)殡妷盒盘?，在理想狀態(tài)下，測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓在理想狀態(tài)下，測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓UoUo可以用下式表示：可以用下式表示： UoUoK K* *n nKK(d/dt) KK(d/dt) (2-1) (2-1) 式中式中 KK - KK -比例常數(shù)比例常數(shù)( (即輸出特性的斜率即輸出特性的斜率) )； n n及及-測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)角度。測速發(fā)電

5、機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)角度。7 可見，測速發(fā)電機(jī)主要有兩種用途可見，測速發(fā)電機(jī)主要有兩種用途： 1. 1. 其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，故可用于測速度；其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，故可用于測速度； 2. 2. 如果以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為參數(shù)變量，則可作為機(jī)電微分、積分器。如果以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為參數(shù)變量，則可作為機(jī)電微分、積分器。 因此測速發(fā)電機(jī)廣泛用于因此測速發(fā)電機(jī)廣泛用于速度速度和和位置位置控制系統(tǒng)中?？刂葡到y(tǒng)中。 根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，測速發(fā)電機(jī)分為根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，測速發(fā)電機(jī)分為直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)、交流交流測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)。 交流測速發(fā)電機(jī)分交流測速發(fā)電機(jī)分交流同步測速發(fā)電機(jī)交

6、流同步測速發(fā)電機(jī)和和交流異步測速發(fā)電機(jī)交流異步測速發(fā)電機(jī)。u交流同步測速發(fā)電機(jī)：交流同步測速發(fā)電機(jī)：其輸出電壓，不僅其幅值與轉(zhuǎn)速有關(guān)，其頻率也其輸出電壓，不僅其幅值與轉(zhuǎn)速有關(guān)，其頻率也與轉(zhuǎn)速有關(guān)，致使電機(jī)本身的阻抗與負(fù)載阻抗也與轉(zhuǎn)速有關(guān)。這樣，與轉(zhuǎn)速有關(guān)，致使電機(jī)本身的阻抗與負(fù)載阻抗也與轉(zhuǎn)速有關(guān)。這樣，輸出輸出電壓與轉(zhuǎn)速呈非線性關(guān)系，電壓與轉(zhuǎn)速呈非線性關(guān)系，因此，同步測速發(fā)電機(jī)不宜用于自動控制系統(tǒng)。因此，同步測速發(fā)電機(jī)不宜用于自動控制系統(tǒng)。u交流異步測速發(fā)電機(jī)交流異步測速發(fā)電機(jī)：其其輸出電壓與轉(zhuǎn)速有嚴(yán)格的線性關(guān)系輸出電壓與轉(zhuǎn)速有嚴(yán)格的線性關(guān)系，廣泛用于，廣泛用于自動控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)。8同

7、步電機(jī)和異步電機(jī)的區(qū)別同步電機(jī)和異步電機(jī)的區(qū)別：三相交流電通過一定結(jié)構(gòu)的三相交流電通過一定結(jié)構(gòu)的定子定子繞組時繞組時, ,要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場. .在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下, ,轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)。如果轉(zhuǎn)如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速同旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速完全一致子的轉(zhuǎn)速同旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速完全一致, ,就是同步電機(jī)就是同步電機(jī); ;如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于磁場轉(zhuǎn)速小于磁場轉(zhuǎn)速, ,也就是說兩者不同步也就是說兩者不同步, ,就是異步電機(jī)就是異步電機(jī)。 異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單, ,應(yīng)用廣泛應(yīng)用廣泛；同步電機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場磁場

8、( (用永磁鐵或直流電流產(chǎn)生用永磁鐵或直流電流產(chǎn)生),),定子旋轉(zhuǎn)磁場定子旋轉(zhuǎn)磁場 拖著拖著 轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)子磁場( (轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子) )轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動, ,因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速。9( (一一) )異步異步( (交流交流) )測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)-模擬測量方模擬測量方式式 異步測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)相似，其原理電異步測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機(jī)相似，其原理電路圖如圖所示。路圖如圖所示。 空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖所示結(jié)構(gòu)原理如圖所示：1.1.有兩個定子，外定子和內(nèi)定子，外定子鐵芯槽內(nèi)安放有勵磁繞組和輸有兩個定

9、子，外定子和內(nèi)定子，外定子鐵芯槽內(nèi)安放有勵磁繞組和輸出繞組，彼此在空間相差出繞組，彼此在空間相差9090電角度電角度；而內(nèi)定子一般不放繞組，僅作磁而內(nèi)定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分；路的一部分；2.2.空心杯轉(zhuǎn)子位于內(nèi)外繞組之間，通常用非磁性材空心杯轉(zhuǎn)子位于內(nèi)外繞組之間，通常用非磁性材料料（如銅、鋁或鋁合（如銅、鋁或鋁合金）。金）。10 當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時，勵磁后由杯形轉(zhuǎn)子中的，勵磁后由杯形轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)感應(yīng)電流（包括渦流）產(chǎn)生的電流（包括渦流）產(chǎn)生的磁場與輸出繞組軸線磁場與輸出繞組軸線垂直垂直，輸出繞組不感應(yīng)電動勢；，輸出繞組不感應(yīng)電動勢； 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，由杯形轉(zhuǎn)子，由杯

10、形轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與輸出繞組軸線產(chǎn)生的磁場與輸出繞組軸線重合重合，在在輸出繞組中感應(yīng)的電動勢大小正比于杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而頻率和勵磁電輸出繞組中感應(yīng)的電動勢大小正比于杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而頻率和勵磁電壓頻率相同壓頻率相同。反轉(zhuǎn)時輸出電壓相位也相反反轉(zhuǎn)時輸出電壓相位也相反。（p33p33）勵磁繞組勵磁繞組輸出繞組輸出繞組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子內(nèi)定子內(nèi)定子測量儀器測量儀器11( (二二) )直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)-模擬測量方式模擬測量方式 直流測速發(fā)電機(jī)是一種用來直流測速發(fā)電機(jī)是一種用來測量轉(zhuǎn)速的小型他勵直流發(fā)電機(jī)，測量轉(zhuǎn)速的小型他勵直流發(fā)電機(jī)，其工作原理見圖其工作原理見圖2-442-44。 nC

11、EUeao 空載時：空載時：負(fù)載時：負(fù)載時：aaaRRUnCRIEULe LRRCUae1n 只要只要CeCe（與磁通有關(guān)）與（與磁通有關(guān)）與RaRa、RLRL保持不變，則保持不變，則輸出電壓輸出電壓U U與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速n n成成正比正比。改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向，則電勢極性改變，輸出電壓的極性也改變。因。改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向，則電勢極性改變，輸出電壓的極性也改變。因此，直流測速發(fā)電機(jī)便將轉(zhuǎn)速信號變換成電壓信號，達(dá)到測速的目的。此，直流測速發(fā)電機(jī)便將轉(zhuǎn)速信號變換成電壓信號，達(dá)到測速的目的。12異步測速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點是異步測速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點是：不需要電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)簡單，維不需要電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)簡

12、單，維護(hù)容易，慣量小，無滑動接觸，輸出特性穩(wěn)定，精度高，摩擦轉(zhuǎn)矩小，不護(hù)容易，慣量小，無滑動接觸，輸出特性穩(wěn)定，精度高，摩擦轉(zhuǎn)矩小，不產(chǎn)生無線電干擾，工作可靠，正、反向旋轉(zhuǎn)時輸出特性對稱。產(chǎn)生無線電干擾，工作可靠，正、反向旋轉(zhuǎn)時輸出特性對稱。 其主要缺點是：其主要缺點是：存在剩余電壓和相位誤差，且負(fù)載的大小和性質(zhì)會影響輸存在剩余電壓和相位誤差，且負(fù)載的大小和性質(zhì)會影響輸出電壓的幅值和相位。出電壓的幅值和相位。直流測速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點是直流測速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點是：沒有相位波動，沒有剩余電壓，輸出特性沒有相位波動，沒有剩余電壓，輸出特性的斜率比異步測速發(fā)電機(jī)的大（即測量值變化明顯）。的斜率比異步測

13、速發(fā)電機(jī)的大（即測量值變化明顯）。 其主要缺點是：其主要缺點是：由于有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不便，摩擦轉(zhuǎn)由于有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不便，摩擦轉(zhuǎn)矩大，有換向火花，產(chǎn)生無線電干擾信號，輸出特性不穩(wěn)定，且正、反向矩大，有換向火花，產(chǎn)生無線電干擾信號，輸出特性不穩(wěn)定，且正、反向旋轉(zhuǎn)時，輸出特性不對稱。旋轉(zhuǎn)時，輸出特性不對稱。直流測速發(fā)電機(jī)與異步測速發(fā)電機(jī)的性能比較直流測速發(fā)電機(jī)與異步測速發(fā)電機(jī)的性能比較：13 ( (三三) )光電測速盤（光電編碼器）光電測速盤（光電編碼器）-數(shù)字測量方式數(shù)字測量方式 1.1.光電測速原理光電測速原理 2.2.電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別

14、3.3.數(shù)字測速方法數(shù)字測速方法 14光源光源光敏元件光敏元件脈沖頻率：脈沖頻率：fc=Nn/60 N-圓盤的小孔數(shù)，受限于圓盤的大小。圓盤的小孔數(shù)，受限于圓盤的大小。 n-電動機(jī)轉(zhuǎn)速電動機(jī)轉(zhuǎn)速可見：輸出頻率可見：輸出頻率fc與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速n呈正比。呈正比。這種測量精度比測速機(jī)的精度高出幾個數(shù)量級。這種測量精度比測速機(jī)的精度高出幾個數(shù)量級。增量式光電測速原理增量式光電測速原理15電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別：電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向辨別： 設(shè)置一對光電傳感器，并使彼此測得信號相差設(shè)置一對光電傳感器，并使彼此測得信號相差90相位角，根據(jù)測得相位角，根據(jù)測得脈沖的超前、滯后情況加以判斷。脈沖的超前、滯后情況加以判斷。1

15、6絕對式脈沖編碼器絕對式脈沖編碼器 絕對式脈沖編碼器不需要基數(shù)，它在任意位置都給出與其對應(yīng)的一絕對式脈沖編碼器不需要基數(shù)，它在任意位置都給出與其對應(yīng)的一個固定數(shù)字碼輸出。個固定數(shù)字碼輸出。 常用的絕對式脈沖編碼器有常用的絕對式脈沖編碼器有接觸式碼盤、光學(xué)碼盤和磁性碼盤接觸式碼盤、光學(xué)碼盤和磁性碼盤。 例如：例如：接觸式碼盤接觸式碼盤，敏感元件電刷與碼盤上導(dǎo)電區(qū)直接接觸，以檢測敏感元件電刷與碼盤上導(dǎo)電區(qū)直接接觸，以檢測出碼盤的位置。出碼盤的位置。 碼盤基體是絕緣體，碼道是一組同心圓導(dǎo)體，碼道的數(shù)目根據(jù)分辨率來碼盤基體是絕緣體，碼道是一組同心圓導(dǎo)體，碼道的數(shù)目根據(jù)分辨率來決定決定； 同心圓的徑向距

16、離是碼道的寬度。若碼道數(shù)為同心圓的徑向距離是碼道的寬度。若碼道數(shù)為n n，則每周測量的分辨率，則每周測量的分辨率為為360360/2/2n n。以這個角度為間隔，在一周內(nèi)劃出。以這個角度為間隔，在一周內(nèi)劃出2 2n n個扇區(qū)，如下圖所示。個扇區(qū)，如下圖所示。 其中陰影部分為導(dǎo)電區(qū)，邏輯電平為其中陰影部分為導(dǎo)電區(qū)，邏輯電平為“1”“1”，白色部分為絕緣區(qū)，邏輯，白色部分為絕緣區(qū)，邏輯電平為電平為“0”“0”。每個碼道上裝有一個電刷，。每個碼道上裝有一個電刷，每個電刷和一根單獨電線相連，每個電刷和一根單獨電線相連，作為某一位邏輯電平作為某一位邏輯電平“1”“1”或或“0”“0”的輸出的輸出。這樣一

17、組扇形區(qū)對應(yīng)于一個。這樣一組扇形區(qū)對應(yīng)于一個二進(jìn)制數(shù)。一般外軌道為低位，內(nèi)軌道為高位，這樣就可用二進(jìn)制數(shù)來二進(jìn)制數(shù)。一般外軌道為低位，內(nèi)軌道為高位，這樣就可用二進(jìn)制數(shù)來表示碼盤轉(zhuǎn)過的角度。表示碼盤轉(zhuǎn)過的角度。17絕對脈沖發(fā)生器碼盤絕對脈沖發(fā)生器碼盤 18十位絕對式編碼器十位絕對式編碼器19旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器 400400線（線（400400脈沖脈沖/ /周）周）型號：型號：增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，AB兩相。通過旋轉(zhuǎn)的光柵盤和光耦產(chǎn)生可識別方向的計數(shù)脈沖信號。性能：性能：400P/R-400脈沖每轉(zhuǎn)。DC12-24V供電，最小5V供電。最大機(jī)械轉(zhuǎn)速10000轉(zhuǎn)/分，響應(yīng)頻率：0-20KHz；用途：用

18、途：用于測量物體的旋轉(zhuǎn)速度、角度、加速度及長度測量。使用范圍：使用范圍：適用于各種位移變化智能控制、鋼筋定長裁剪控制器、民用的測身高人體秤、大學(xué)生比賽用機(jī)器人等。特點：特點：具有體積小、重量輕，安裝方便，性價比極高的顯著優(yōu)點。接線輸出：接線輸出：A相，B相，Vcc正電源，V0地，屏蔽線。接線顏色產(chǎn)品銘牌上有明確標(biāo)注。20數(shù)字測速方法數(shù)字測速方法 在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計數(shù)來測在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計數(shù)來測量轉(zhuǎn)速的方法有量轉(zhuǎn)速的方法有M M法測速法測速T T法測速法測速和和M/TM/T法測速法測速三種：三種： M M法測速是指法測速是指：在規(guī)定時間間隔：在規(guī)定時間間隔TgTg內(nèi)，

19、測量所產(chǎn)內(nèi)，測量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來獲得被測速度值；生的脈沖數(shù)來獲得被測速度值； T T法測速是指法測速是指：測量相鄰兩個脈沖的時間間隔：測量相鄰兩個脈沖的時間間隔T Ttachtach來確定被測速度值；來確定被測速度值；M/TM/T法測速是指法測速是指：同時測量檢測時間和在此檢測：同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來確定被測速度時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來確定被測速度值。值。 21二、角度（角位移）檢測二、角度（角位移）檢測 在伺服系統(tǒng)中測角度（角位移）的方法很多，常用的有電位計、差動在伺服系統(tǒng)中測角度（角位移）的方法很多，常用的有電位計、差動變壓器、微動同步器、自整角機(jī)、

20、旋轉(zhuǎn)變壓器等，這里介紹部分測量元件。變壓器、微動同步器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器等，這里介紹部分測量元件。-測小角位移測小角位移 ( (一一) )差動變壓器和微同步器差動變壓器和微同步器 1.差動變壓器差動變壓器直線位移式直線位移式轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)角式勵磁勵磁輸出輸出22差動變壓器差動變壓器232.2.微動同步器微動同步器 微動同步器由四極定子和兩極轉(zhuǎn)子組成。在微動同步器由四極定子和兩極轉(zhuǎn)子組成。在定子每個極上定子每個極上繞有兩個繞有兩個線圈線圈（初級在里側(cè)，次級在外側(cè)）（初級在里側(cè)，次級在外側(cè)）。用各極中的一個線圈串聯(lián)成初級激。用各極中的一個線圈串聯(lián)成初級激磁回路，各極中的另一線圈則串聯(lián)成次級感應(yīng)回路。

21、磁回路，各極中的另一線圈則串聯(lián)成次級感應(yīng)回路。 信號型的微動同步器實際上是一種高精確度的信號型的微動同步器實際上是一種高精確度的變磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器變磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器。對于一定的勵磁電壓和頻率來說，在一定的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角范圍對于一定的勵磁電壓和頻率來說，在一定的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角范圍( (一般為一般為1010度度或或1212度度) )內(nèi)，它的內(nèi)，它的輸出電壓正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角輸出電壓正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。 24 激磁回路的連接原則是激磁回路的連接原則是：當(dāng)將等幅交流電壓加于其上時，在激磁電流：當(dāng)將等幅交流電壓加于其上時，在激磁電流的某半周期內(nèi)，各極上的磁通方向如圖中箭頭所示；的某半周期內(nèi)，各極上的磁通方向如圖中箭頭所示；

22、次級感應(yīng)回路的連接次級感應(yīng)回路的連接原則是：原則是：使總的輸出電壓是使總的輸出電壓是 、極和極和I I 、極上感應(yīng)電壓之差。極上感應(yīng)電壓之差。 當(dāng)轉(zhuǎn)子如圖處于對稱于定子的位置時，定子和轉(zhuǎn)子之間的四個氣隙幾當(dāng)轉(zhuǎn)子如圖處于對稱于定子的位置時，定子和轉(zhuǎn)子之間的四個氣隙幾何形狀完全相同，各極的磁通相等，從而使得何形狀完全相同，各極的磁通相等，從而使得 、極上的感應(yīng)電壓與極上的感應(yīng)電壓與I I 、IVIV極上的感應(yīng)電壓相等，總的輸出電壓為零，轉(zhuǎn)子被看成處于零位。若轉(zhuǎn)極上的感應(yīng)電壓相等，總的輸出電壓為零，轉(zhuǎn)子被看成處于零位。若轉(zhuǎn)子偏離零位一個角度，則四個氣隙不再相同，造成了各極磁通量的變化，子偏離零位一個

23、角度，則四個氣隙不再相同，造成了各極磁通量的變化，其中一對磁極的磁通減小，另一對滋極的磁通增大，這樣，次級就有一個其中一對磁極的磁通減小，另一對滋極的磁通增大，這樣，次級就有一個正比于轉(zhuǎn)子角位移的電壓輸出。正比于轉(zhuǎn)子角位移的電壓輸出。 當(dāng)轉(zhuǎn)動方向改變時，輸出電壓有當(dāng)轉(zhuǎn)動方向改變時，輸出電壓有180180的相位躍變的相位躍變，微動同步器的輸出，微動同步器的輸出電壓的頻率等同勵磁電源頻率（通常采用的勵磁電壓為電壓的頻率等同勵磁電源頻率（通常采用的勵磁電壓為60605050HzHz，5 5 50V50V）。微動同步器的靈敏度大約為每度）。微動同步器的靈敏度大約為每度0.20.25V5V，非線性度，非

24、線性度0.10.11.01.0。25( (二二) )旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 簡稱旋變，是一種簡稱旋變，是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號元件變化的信號元件。當(dāng)勵磁繞組以一定頻率的交。當(dāng)勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組（轉(zhuǎn)子繞組）的流電壓勵磁時，輸出繞組（轉(zhuǎn)子繞組）的電壓電壓幅值（或相位）幅值（或相位）與與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成成正余弦函數(shù)關(guān)系正余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一或保持某一比例關(guān)系比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)成成線性關(guān)系線性關(guān)系。 旋轉(zhuǎn)變壓器常用于數(shù)控機(jī)床中旋轉(zhuǎn)變壓器常用于數(shù)控機(jī)床中角位移角位移的檢測。它具有結(jié)構(gòu)的檢測。它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、

25、信號輸出幅值大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點；簡單、工作可靠、信號輸出幅值大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點； 但其但其測量精度低測量精度低。一般用于精度要求不高的數(shù)控機(jī)床或大一般用于精度要求不高的數(shù)控機(jī)床或大型數(shù)控機(jī)床的粗測及中測系統(tǒng)型數(shù)控機(jī)床的粗測及中測系統(tǒng)。261 1、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器( (又稱又稱同步分解器同步分解器) )微微特電機(jī)的一種，和兩相繞線式異步電特電機(jī)的一種，和兩相繞線式異步電機(jī)結(jié)構(gòu)相似。它由定子和轉(zhuǎn)子兩部分機(jī)結(jié)構(gòu)相似。它由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。（定子和轉(zhuǎn)子均由高導(dǎo)磁的鐵組成。（定子和轉(zhuǎn)子均由高導(dǎo)磁的鐵鎳軟磁合金或硅鋼薄板沖壓成的槽狀鎳軟磁合金或硅鋼薄板沖

26、壓成的槽狀芯片疊成）芯片疊成） 在定子和轉(zhuǎn)子的槽狀鐵芯內(nèi)分別在定子和轉(zhuǎn)子的槽狀鐵芯內(nèi)分別嵌有繞組，嵌有繞組，定子定子繞組為旋轉(zhuǎn)變壓器的繞組為旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊原邊，它通過固定在殼體上的接板直，它通過固定在殼體上的接板直接引出；接引出；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子繞組為旋轉(zhuǎn)變壓器的繞組為旋轉(zhuǎn)變壓器的副副邊邊，轉(zhuǎn)子繞組分為有刷和無刷兩種引，轉(zhuǎn)子繞組分為有刷和無刷兩種引出方式。出方式。定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R427 根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組的引出方式，可將旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組的引出方式，可將旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無刷式兩種結(jié)構(gòu)形式。無刷式兩種結(jié)構(gòu)形式。 有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器有刷式旋轉(zhuǎn)變

27、壓器: :它的轉(zhuǎn)子繞組是通過滑環(huán)和電刷直接引它的轉(zhuǎn)子繞組是通過滑環(huán)和電刷直接引出的，由于電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動接觸，所以，旋轉(zhuǎn)變壓器的出的，由于電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動接觸，所以，旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性差，壽命短?？煽啃圆睿瑝勖?。(a)(a)有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器11轉(zhuǎn)子繞組；轉(zhuǎn)子繞組；22定子繞組；定子繞組；33轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子；44整流子；整流子；55電刷；電刷；66接線柱接線柱注：換向器俗稱整流子。注：換向器俗稱整流子。28 無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器: :它可分為它可分為旋轉(zhuǎn)變壓器本體旋轉(zhuǎn)變壓器本體和和附加變壓器附加變壓器兩部兩部分。分。附加附加變壓器的變壓器的原邊、副邊原邊、副邊鐵

28、芯及繞組均做成環(huán)形，分別固定于鐵芯及繞組均做成環(huán)形，分別固定于轉(zhuǎn)子軸和殼體轉(zhuǎn)子軸和殼體上上，徑向留有一定的間隙。旋轉(zhuǎn)變壓器，徑向留有一定的間隙。旋轉(zhuǎn)變壓器本體的轉(zhuǎn)子繞本體的轉(zhuǎn)子繞組（副邊）組（副邊）與與附加變壓器原邊線圈附加變壓器原邊線圈連接在一起，因此，通過電磁耦連接在一起，因此，通過電磁耦合，附加變壓器原邊上的電信號經(jīng)附加變壓器副邊間接地送了出去。合，附加變壓器原邊上的電信號經(jīng)附加變壓器副邊間接地送了出去。這種結(jié)構(gòu)避免了電刷與滑環(huán)的接觸不良，提高了旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠這種結(jié)構(gòu)避免了電刷與滑環(huán)的接觸不良，提高了旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性和使用壽命，但也增加了體積、重量和成本。性和使用壽命，但也增加了體積

29、、重量和成本。(b)(b)無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器11殼體；殼體；22本體定子；本體定子； 77本體轉(zhuǎn)子；本體轉(zhuǎn)子； 33附加變壓器定子；附加變壓器定子；44附加變壓器一附加變壓器一次繞組（原邊）；次繞組（原邊）；55附加變壓器轉(zhuǎn)子線附加變壓器轉(zhuǎn)子線軸；軸；66附加變壓器二次繞組（副邊）；附加變壓器二次繞組（副邊）；88轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子軸29 常見的旋轉(zhuǎn)變壓器一般有常見的旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組兩極繞組和和四級繞組四級繞組兩種結(jié)構(gòu)形兩種結(jié)構(gòu)形式。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精密絕對式檢式。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精密絕對式檢測系統(tǒng)。測系統(tǒng)。 302 2、旋轉(zhuǎn)變壓器的工

30、作原理、旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理 由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了定子與轉(zhuǎn)子之間空氣間隙的由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了定子與轉(zhuǎn)子之間空氣間隙的磁通按正弦規(guī)律分布，磁通按正弦規(guī)律分布，當(dāng)定子繞組加上當(dāng)定子繞組加上400Hz400Hz、500Hz500Hz、1000Hz1000Hz、2000Hz2000Hz或或5000Hz5000Hz交流勵磁電壓時，通過電磁耦合，交流勵磁電壓時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組會產(chǎn)轉(zhuǎn)子繞組會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢生感應(yīng)電動勢，其輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個繞組的其輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個繞組的軸線在空間的相對位置。軸線在空間的相對位置。31V1=VmsintE 2= nVm

31、sint （=90） E2=nVmsint sin E E2 2=0=0（=0） E2= nV1sin = nVm sint sin =0 E 2=0 =90 E 2=nVmsint式中式中:E:E2 2轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢；轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢；V V1 1定子繞組勵磁電壓，定子繞組勵磁電壓，V V1 1=Vm sint=Vm sint； Vm Vm電壓信號幅值；電壓信號幅值；定子繞組軸線的垂線定子繞組軸線的垂線與與轉(zhuǎn)子繞組軸線間夾角；轉(zhuǎn)子繞組軸線間夾角； n n變壓比（即兩個繞組匝數(shù)比）變壓比（即兩個繞組匝數(shù)比）V1=VmsintV1=Vmsint1定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子32 實際使用中常采用正弦余弦旋

32、轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有實際使用中常采用正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有一對互相垂直的繞組，如圖所示。當(dāng)兩個一對互相垂直的繞組，如圖所示。當(dāng)兩個定子繞組定子繞組分別加上兩個相位相分別加上兩個相位相差差9090度的勵磁電壓，即：度的勵磁電壓，即： V1=Vm sint； V2=Vm cost應(yīng)用疊加原理，應(yīng)用疊加原理，可求出轉(zhuǎn)子可求出轉(zhuǎn)子繞組中一個繞組的感應(yīng)繞組中一個繞組的感應(yīng)磁通磁通為為：( (使用時使用時另一個繞組接另一個繞組接高阻抗，不作為旋轉(zhuǎn)變壓器高阻抗，不作為旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出，主要起平衡磁場的的輸出，主要起平衡磁場的作用，目的在于提高測量精作用，目的在于提高測量精度度

33、) )V2產(chǎn)生產(chǎn)生的磁通的磁通V1產(chǎn)生產(chǎn)生的磁通的磁通作用于轉(zhuǎn)子部分作用于轉(zhuǎn)子部分的磁通分量的磁通分量)tcos(ctcosstsincossu1m1m1m12113nVosnVinnVnVinnV12113cossin112233輸出電動勢輸出電動勢：33 若將轉(zhuǎn)子與數(shù)控機(jī)床的若將轉(zhuǎn)子與數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給絲杠進(jìn)給絲杠同軸安裝，定子安裝在機(jī)床的相同軸安裝，定子安裝在機(jī)床的相對固定部分，則對固定部分，則角為絲杠轉(zhuǎn)過的角度，即間接地反映了機(jī)床工作臺角為絲杠轉(zhuǎn)過的角度，即間接地反映了機(jī)床工作臺的移動距離的移動距離。從上式可知，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的。從上式可知，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的相位

34、相位嚴(yán)嚴(yán)格地按格地按轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角1 1的正弦規(guī)律變化，其頻率和勵磁電壓的頻率相同。的正弦規(guī)律變化，其頻率和勵磁電壓的頻率相同。 因此，可采用測量旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的因此，可采用測量旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的相位相位的方法，來測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的方法，來測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的變化。的變化。)tcos(ctcosstsincossu1m1m1m12113 nVosnVinnVnVinnV343 3、旋轉(zhuǎn)變壓器的信號處理、旋轉(zhuǎn)變壓器的信號處理 根據(jù)工作要求和精度的不同，旋轉(zhuǎn)變壓器的信號處理有根據(jù)工作要求和精度的不同，旋轉(zhuǎn)變壓器的信號處理有鑒相型鑒相型和和鑒鑒幅型幅型兩種方式。兩種方式。 1）

35、鑒相型工作方式）鑒相型工作方式(同前面同前面) 在鑒相型工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器的在鑒相型工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器的兩相正交定子繞組兩相正交定子繞組分別加上分別加上幅值相幅值相等、頻率相同而相位相差等、頻率相同而相位相差90度度的正弦勵磁電壓，即：的正弦勵磁電壓，即： V1=Vm sint V2=Vm cost式中：式中：Vm勵磁電壓的幅值；勵磁電壓的幅值； 勵磁角頻率。勵磁角頻率。這兩相勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：這兩相勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為： 35 由上式可知，由上式可知，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的相位相位嚴(yán)格地按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角嚴(yán)格地按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角1的正的正弦弦

36、(或余弦或余弦)規(guī)律變化，其頻率和勵磁電壓頻率相同（幅值不變）。因此，規(guī)律變化，其頻率和勵磁電壓頻率相同（幅值不變）。因此，可利用可利用鑒相器鑒相器線路檢測旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢的線路檢測旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢的相位相位來測量來測量出轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)角出轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)角1，即被測位移的大小。，即被測位移的大小。 但是，因為但是，因為u u3 3是關(guān)于是關(guān)于1 1的周期函數(shù)，故轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，的周期函數(shù)，故轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，u u3 3將周期性將周期性的變化一次，因此，實際應(yīng)用中，不但要測的變化一次，因此，實際應(yīng)用中，不但要測u u3 3的大?。榱藴y相位），的大?。榱藴y相位）

37、，還要測其周期性變化的次數(shù)；或者將被測角位移限制在還要測其周期性變化的次數(shù)；或者將被測角位移限制在180180以內(nèi)。以內(nèi)。 )tcos(u1m3 nV362 2）鑒幅型工作方式）鑒幅型工作方式在鑒幅型工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器的兩相正交定子繞組分別加在鑒幅型工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器的兩相正交定子繞組分別加上上相位相等相位相等、頻率相同頻率相同而而幅值不同幅值不同的勵磁電壓，即：的勵磁電壓，即： V1=-V1m sint V2=V2m sint V1m=Vmcos V2m=Vmsin式中：式中：V1m,V2m為勵磁電壓的幅值。為勵磁電壓的幅值。 旋轉(zhuǎn)變壓器的電相角。旋轉(zhuǎn)變壓器的電相角。這兩相勵磁電壓在

38、這兩相勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：為： tsin)sin()sin(tsincostsinsinsintsincoscossummmm213nVnVnVnVnVinnV 可見，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的可見，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的幅值幅值嚴(yán)格地按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角嚴(yán)格地按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的變的變化而變化。若化而變化。若= = ，則，則E E2 20 0。實際應(yīng)用中，可根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的。實際應(yīng)用中，可根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的大小大小( (即勵磁幅值即勵磁幅值) )，不斷修改定子繞組勵磁信號的，不斷修改定子繞組勵磁信號的 ，使其跟蹤使其跟蹤的變化的變化，以測

39、量角位移以測量角位移。 37三、位置檢測三、位置檢測 在伺服系統(tǒng)中運(yùn)動部件的位置檢測分在伺服系統(tǒng)中運(yùn)動部件的位置檢測分角位移和直線位移角位移和直線位移檢測。檢測。 前面介紹的角位移傳感器一般用于前面介紹的角位移傳感器一般用于小角位移（速度）小角位移（速度）檢測。檢測。而大角位移檢測或直線位移檢測，常用而大角位移檢測或直線位移檢測，常用感應(yīng)同步器、光柵、磁感應(yīng)同步器、光柵、磁尺尺等。等。38( (一一) )感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 1.1.基本原理：基本原理： 感應(yīng)同步器是一種檢測感應(yīng)同步器是一種檢測機(jī)械角位移機(jī)械角位移或或直線位移直線位移的的精密精密傳感器。分傳感器。分旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)式式（圓盤式）（圓盤

40、式）和和直線式直線式（較多使用）（較多使用）兩種，在伺服系統(tǒng)中，分別用于測量兩種，在伺服系統(tǒng)中，分別用于測量角度角度和和長度長度。 直線式由直線式由定尺和滑尺定尺和滑尺組成；圓盤式由組成；圓盤式由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子和和定子定子組成。組成。 前者用于前者用于直線位移直線位移的測量，后者用于的測量，后者用于角位移角位移的測量。的測量。 工作時，當(dāng)工作時，當(dāng)滑尺（定尺）繞組滑尺（定尺）繞組加上一定頻率的勵磁電壓后，根據(jù)電磁加上一定頻率的勵磁電壓后，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在感應(yīng)原理，在定尺（滑尺）繞組定尺（滑尺）繞組上將感應(yīng)出上將感應(yīng)出相同頻率相同頻率的感應(yīng)電動勢。的感應(yīng)電動勢。 感應(yīng)同步器對環(huán)境要求低，抗干擾能力

41、強(qiáng)，維護(hù)簡單，壽命長，價格感應(yīng)同步器對環(huán)境要求低，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)簡單，壽命長，價格低，同時具有一定的精度，所以應(yīng)用廣泛。低，同時具有一定的精度，所以應(yīng)用廣泛。廣泛用于數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)天線廣泛用于數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)天線定位跟蹤等。定位跟蹤等。但相對于旋轉(zhuǎn)變壓器安裝稍麻煩。但相對于旋轉(zhuǎn)變壓器安裝稍麻煩。 39定子定子 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子分段繞組分為兩組，布置成空間相差分段繞組分為兩組，布置成空間相差9090相角，即相角，即1/41/4節(jié)距（一節(jié)距相當(dāng)節(jié)距（一節(jié)距相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器一轉(zhuǎn)，于旋轉(zhuǎn)變壓器一轉(zhuǎn)，360360電角度），電角度），又稱為正、余弦繞組又稱為正、余弦繞組1)圓盤式（旋轉(zhuǎn)）感應(yīng)同步器圓盤式（旋轉(zhuǎn)）

42、感應(yīng)同步器2)直線式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器2.2.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)40 直線式感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個展開式的旋轉(zhuǎn)變壓器，定尺和滑尺的基板由直線式感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個展開式的旋轉(zhuǎn)變壓器，定尺和滑尺的基板由與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相似的鋼板或鑄鐵做成、鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相似的鋼板或鑄鐵做成、鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用照相腐蝕的辦法做成印制繞組。定尺上是利用照相腐蝕的辦法做成印制繞組。定尺上是連續(xù)繞組連續(xù)繞組，滑尺上是，滑尺上是分段繞組分段繞組( (又又稱正、余弦繞組稱正、余弦繞組) )。 (a)定尺繞組(b)W形滑尺繞組 (c)U形滑尺繞組 印制電路繞

43、組：用絕緣粘貼劑把銅箔粘牢在金屬（或玻璃）基板上，然后按設(shè)計要求腐蝕印制電路繞組：用絕緣粘貼劑把銅箔粘牢在金屬（或玻璃）基板上，然后按設(shè)計要求腐蝕成不同曲折形狀的平面繞組。這種繞組稱為印制電路繞組。成不同曲折形狀的平面繞組。這種繞組稱為印制電路繞組。 節(jié)距節(jié)距413.3.測量原理測量原理 上圖所示為感應(yīng)電動勢與繞組位置的關(guān)系上圖所示為感應(yīng)電動勢與繞組位置的關(guān)系（在滑尺（在滑尺S S、C C上加勵磁信號）上加勵磁信號）A A點點: :當(dāng)滑尺上的正弦繞組當(dāng)滑尺上的正弦繞組S S和定尺繞組重合時，耦合磁通最大，感應(yīng)電動勢也最大；和定尺繞組重合時，耦合磁通最大，感應(yīng)電動勢也最大；B B點點: :滑尺繼

44、續(xù)移動，感應(yīng)電動勢逐漸減小，當(dāng)移動到滑尺繼續(xù)移動，感應(yīng)電動勢逐漸減小，當(dāng)移動到1/41/4節(jié)距位置處（磁通垂直關(guān)系），節(jié)距位置處（磁通垂直關(guān)系），感應(yīng)電動勢為零；感應(yīng)電動勢為零；C C點：繼續(xù)移動到半個節(jié)距點時，感應(yīng)電動勢為負(fù)的最大值；點：繼續(xù)移動到半個節(jié)距點時，感應(yīng)電動勢為負(fù)的最大值；D D點：在點：在3/43/4節(jié)距處又變?yōu)榱悖还?jié)距處又變?yōu)榱?；E E點：移動到一個節(jié)距處，感應(yīng)電動勢又為正的最大值。點：移動到一個節(jié)距處，感應(yīng)電動勢又為正的最大值。 從上可知，從上可知，感應(yīng)電動勢隨著滑尺相對于定尺的移動而周期性地變化感應(yīng)電動勢隨著滑尺相對于定尺的移動而周期性地變化。加大勵磁電。加大勵磁電壓將獲

45、得較大的感應(yīng)電動勢，但過大的勵磁電壓將引起過大的勵磁電流，致使溫升過壓將獲得較大的感應(yīng)電動勢，但過大的勵磁電壓將引起過大的勵磁電流，致使溫升過高而無法正常工作，所以，高而無法正常工作，所以，一般勵磁電壓為一般勵磁電壓為1 12V2V。424 4、感應(yīng)同步器的信號處理、感應(yīng)同步器的信號處理同樣有鑒相型和鑒幅型兩種工作方式同樣有鑒相型和鑒幅型兩種工作方式 1 1）鑒相型工作方式）鑒相型工作方式 根據(jù)根據(jù)定尺繞組感應(yīng)電動勢的定尺繞組感應(yīng)電動勢的相位相位變化變化來鑒別滑尺相對于定來鑒別滑尺相對于定尺的尺的位移量位移量。 當(dāng)滑尺上兩個互相錯開當(dāng)滑尺上兩個互相錯開1/41/4節(jié)距的繞組分別加上節(jié)距的繞組分

46、別加上幅值、頻率幅值、頻率相同，而相位相差相同，而相位相差9090的勵磁電壓的勵磁電壓U Us s= =Umcost和和U Uc c= =Umsint時，時，它們在定尺繞組上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢分別為：它們在定尺繞組上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢分別為： 這時定尺繞組總的感應(yīng)電動勢為：這時定尺繞組總的感應(yīng)電動勢為： costsinnUeintcosnUemcms s)tsin(nUsintcosnUostsinnUeeemmmsc c43K 電磁耦合系數(shù)電磁耦合系數(shù)的幅值的幅值 反映的是定尺和滑尺的相對移動的距離反映的是定尺和滑尺的相對移動的距離x x。SUmU 當(dāng)滑尺移動的距離為當(dāng)滑尺移動的距離為x時，

47、檢測周期是時，檢測周期是2 2，則對應(yīng)于感應(yīng)電勢以余，則對應(yīng)于感應(yīng)電勢以余弦函數(shù)將變化弦函數(shù)將變化角：角： 即：定尺繞組感應(yīng)電動勢的相位即：定尺繞組感應(yīng)電動勢的相位(t+)(t+)反映了感應(yīng)同步器定反映了感應(yīng)同步器定滑兩尺的相對位移滑兩尺的相對位移x x。因此，。因此，可可通過測量定尺繞組感應(yīng)電動勢的相通過測量定尺繞組感應(yīng)電動勢的相位變化來測量感應(yīng)同步器兩尺的相對位移量位變化來測量感應(yīng)同步器兩尺的相對位移量。)tsin(nUsintcosnUostsinnUeeemmmsc cx 2244 鑒幅型工作方式是根據(jù)定尺繞組感應(yīng)電動勢的鑒幅型工作方式是根據(jù)定尺繞組感應(yīng)電動勢的幅值幅值變化來鑒別滑尺相

48、對于變化來鑒別滑尺相對于定尺的位移量。當(dāng)滑尺上兩個互相錯開定尺的位移量。當(dāng)滑尺上兩個互相錯開1/41/4節(jié)距的繞組分別加上節(jié)距的繞組分別加上相位、頻率相位、頻率相同，而幅值不同相同，而幅值不同的勵磁電壓的勵磁電壓UsUs-U-Usmsmsintsint，UcUcU Ucmcmsintsint時，式中勵磁時，式中勵磁電壓的幅值電壓的幅值UsmUsmUmcos Umcos ，UcmUcmUmsinUmsin ， 為給定的電相角為給定的電相角。它們在定尺。它們在定尺繞組上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢分別為：繞組上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢分別為：2 2）鑒幅型工作方式）鑒幅型工作方式 costsinnUtsinnUe

49、tsinnUintsinnUecs sincossincossmcmmsm這時定尺繞組總的感應(yīng)電動勢為：這時定尺繞組總的感應(yīng)電動勢為： 這里，定尺繞組感應(yīng)電動勢的幅值這里，定尺繞組感應(yīng)電動勢的幅值nUnUm msin( -sin( -) )反映了感應(yīng)同步器反映了感應(yīng)同步器兩尺的相對位移兩尺的相對位移x x。因此，。因此，可通過測量定尺繞組感應(yīng)電動勢的幅值變化來可通過測量定尺繞組感應(yīng)電動勢的幅值變化來測量感應(yīng)同步器兩尺的相對位移量測量感應(yīng)同步器兩尺的相對位移量。tsinnUtsinnUsintnUcostsinnUeeemmmmsc ）（）（sinsincossinsin455 5、感應(yīng)同步器數(shù)

50、字位置測量系統(tǒng)、感應(yīng)同步器數(shù)字位置測量系統(tǒng) 圖圖2-52 2-52 鑒相型控制原理圖鑒相型控制原理圖常把感應(yīng)同步器常把感應(yīng)同步器作為位置檢測元件作為位置檢測元件。46123U1:A7400456U1:B7400PBPAABCDBJ2Q6CLK4K3Q7S5R1U2:A74109U2:A(S)U2:A(R)ABCDAJ14Q10CLK12K13Q9S11R15U2:B74109U2:B(S)U2:B(R)ABCDC47 圖圖2-53 2-53 感應(yīng)同步器閉環(huán)系統(tǒng)感應(yīng)同步器閉環(huán)系統(tǒng)48定尺不夠用時，可進(jìn)行拼接，需根據(jù)電信號調(diào)整兩根定尺接縫的大小，使定尺不夠用時，可進(jìn)行拼接，需根據(jù)電信號調(diào)整兩根定尺

51、接縫的大小，使其零位誤差曲線在拼接時平滑過渡。其零位誤差曲線在拼接時平滑過渡。1010根以內(nèi)根以內(nèi)的定尺接長時，可將定尺繞的定尺接長時，可將定尺繞組串聯(lián)；組串聯(lián)；1010根以上根以上的定尺接長時，為使線圈電阻和電感不致太大，可將定的定尺接長時，為使線圈電阻和電感不致太大，可將定尺分成數(shù)量相同的幾組，每組定尺繞組串聯(lián)后，再并聯(lián)起來，如圖，可以尺分成數(shù)量相同的幾組，每組定尺繞組串聯(lián)后，再并聯(lián)起來，如圖，可以不降低信噪比。不降低信噪比。 (a)(a)串聯(lián)方式串聯(lián)方式 (b) (b) 串、并聯(lián)方式串、并聯(lián)方式6.6.感應(yīng)同步器的拼接感應(yīng)同步器的拼接49（二）光柵（二）光柵 光柵是一種運(yùn)用光的光柵是一種

52、運(yùn)用光的透射和衍射透射和衍射來測量來測量直線位移或角位移直線位移或角位移的光學(xué)傳的光學(xué)傳感器。它具有感器。它具有檢測范圍大、測量精度高、響應(yīng)速度快檢測范圍大、測量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。等優(yōu)點。1.光柵的分類光柵的分類光柵按其功能可分為光柵按其功能可分為長光柵長光柵和和圓光柵圓光柵：長光柵：呈尺狀，用于測量直線位移；長光柵：呈尺狀，用于測量直線位移；圓光柵：呈盤狀，用于測量角位移。圓光柵：呈盤狀，用于測量角位移。 光柵按對入射光波的調(diào)制方式又可分為振幅光柵和相位光柵光柵按對入射光波的調(diào)制方式又可分為振幅光柵和相位光柵 ：振幅光柵：振幅光柵：稱為黑白光柵（透射光柵），其柵線與縫隙是黑白相間的，

53、稱為黑白光柵（透射光柵），其柵線與縫隙是黑白相間的，縫隙是透光的細(xì)直線，這種光柵只對入射光波的振幅或光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制；縫隙是透光的細(xì)直線，這種光柵只對入射光波的振幅或光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制；相位光柵相位光柵：即反射光柵，即反射光柵，刻線呈鋸齒形或三角形，它通過控制刻劃面與刻線呈鋸齒形或三角形，它通過控制刻劃面與光柵平面的夾角來改變各級光譜的相對光強(qiáng)的分布，即對相位進(jìn)行調(diào)制。光柵平面的夾角來改變各級光譜的相對光強(qiáng)的分布，即對相位進(jìn)行調(diào)制。 50計量光柵分類圖計量光柵分類圖 512.光柵的結(jié)構(gòu)光柵的結(jié)構(gòu)透射光柵（最長可達(dá)透射光柵（最長可達(dá)2m2m） 反射光柵，常用于大位移反射光柵，常用于大位移 光柵由光柵由光源

54、光源、透鏡透鏡、光柵光柵（標(biāo)尺光柵（長光柵（標(biāo)尺光柵（長光柵、移動光柵、移動光柵）、指示光）、指示光柵（短光柵柵（短光柵、固定光柵、固定光柵）和）和光敏元件光敏元件構(gòu)成。如下圖所示為透射光柵和反構(gòu)成。如下圖所示為透射光柵和反射光柵的結(jié)構(gòu)圖。射光柵的結(jié)構(gòu)圖。52n光源光源一般采用一般采用鎢絲電燈鎢絲電燈或或砷化鎵發(fā)光二極管砷化鎵發(fā)光二極管。鎢絲電燈的功率小，它與光電元件。鎢絲電燈的功率小，它與光電元件組合時，轉(zhuǎn)換效率低，使用壽命短。砷化鎵發(fā)光二極管，其波長接近于硅光敏三極組合時，轉(zhuǎn)換效率低，使用壽命短。砷化鎵發(fā)光二極管，其波長接近于硅光敏三極管的峰值波長，因此轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快。管的峰值波長

55、，因此轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快。 實際使用時，標(biāo)尺光柵與指示光柵兩者要平行安裝并留有一定的間隙（約實際使用時，標(biāo)尺光柵與指示光柵兩者要平行安裝并留有一定的間隙（約0.05mm0.05mm或或0.1mm0.1mm），指示光柵），指示光柵G1在其自身平面內(nèi)相對標(biāo)尺光柵在其自身平面內(nèi)相對標(biāo)尺光柵G2傾斜一個很小傾斜一個很小的角度的角度。n光柵光柵：由由標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵G2(G2(又叫主光柵又叫主光柵)()(長長) )和和指示光柵指示光柵G1(G1(短短) )組成。標(biāo)尺光組成。標(biāo)尺光柵和指示光柵均為透明的光學(xué)玻璃條，并在上面刻有很多與運(yùn)動方向柵和指示光柵均為透明的光學(xué)玻璃條，并在上面刻有很多與運(yùn)動方向垂

56、直垂直的線條。刻線的密度為的線條。刻線的密度為5050、100100、200200、500500、10001000條線條線/ /毫米。毫米。相鄰兩條刻相鄰兩條刻線之間的距離叫柵距線之間的距離叫柵距，用，用W W表示表示。n光電接收元件光電接收元件是將光信號轉(zhuǎn)變成電信號的元件。一般采用是將光信號轉(zhuǎn)變成電信號的元件。一般采用硅光電池硅光電池或或光光敏三極管敏三極管等。等。533.3.光柵的工作原理光柵的工作原理如圖所示，將兩塊具有相同如圖所示，將兩塊具有相同柵距柵距（，圖中：，圖中：W W）的光柵的刻線面疊合在）的光柵的刻線面疊合在一起，中間保持一起，中間保持0.050.050.1mm0.1mm間

57、隙，并使兩光柵刻線之間保持一很小夾角間隙，并使兩光柵刻線之間保持一很小夾角（）。于是在）。于是在a-aa-a線上，兩塊透射光柵的透光區(qū)相互重疊，形成一條紋；線上，兩塊透射光柵的透光區(qū)相互重疊，形成一條紋；而在而在b-bb-b線上，兩塊光柵的縫隙被遮住，形成一條暗條紋，由此產(chǎn)生的一線上，兩塊光柵的縫隙被遮住，形成一條暗條紋，由此產(chǎn)生的一系列明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。圖中莫爾條紋近似地垂直于光柵刻線，系列明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。圖中莫爾條紋近似地垂直于光柵刻線，故稱為故稱為橫向莫爾條紋橫向莫爾條紋。兩亮條紋或暗條紋之間的寬度稱為。兩亮條紋或暗條紋之間的寬度稱為條紋間距條紋間距W(W(圖中：圖

58、中：B B) ) 。莫爾條紋的形成莫爾條紋的形成 WWB 2sin2/W圖中：圖中：莫爾條紋的特點莫爾條紋的特點 (1)(1)移動規(guī)律：移動規(guī)律：莫爾條紋的移動量、移動方向與光柵尺的位移量、位移方莫爾條紋的移動量、移動方向與光柵尺的位移量、位移方向具有對應(yīng)關(guān)系。向具有對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)光柵尺左、右移動一個柵距當(dāng)光柵尺左、右移動一個柵距時，莫爾條紋準(zhǔn)確地上、時，莫爾條紋準(zhǔn)確地上、下移動一個條紋間距下移動一個條紋間距W W。 (2) (2)放大作用：放大作用：莫爾條紋的間距莫爾條紋的間距W W對光柵的柵距對光柵的柵距有放大作用。有放大作用。當(dāng)當(dāng)很小時，很小時，W=W=/ /，有放大倍數(shù)為，有放大倍數(shù)為W/W/1/1/。例如，設(shè)。例如，設(shè)1/1001/1000.01mm(1000.01mm(100條線條線/ /毫米毫米) )，W=10mmW=10mm，則放大倍數(shù)：，則放大倍數(shù)：=W/=W/10/0.01=100010/0.01=1000。 (3) (3)光柵尺移動一個柵距光柵尺移動一個柵距，莫爾條紋的變化經(jīng)歷一個周期，即移動了一個，莫爾條紋的變化經(jīng)歷一個周期，即移動了一個節(jié)距節(jié)距W W。光柵透光的強(qiáng)弱及光敏元件輸出的電壓按正弦