運動控制系統(tǒng)第七講

1、華南農(nóng)業(yè)大學課程講座華南農(nóng)業(yè)大學課程講座-運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)1010級機制級機制 1 1、2 2、3 3、4 4班班 lecture sevenlecture seven 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院華南農(nóng)業(yè)大學工程學院 班華班華 本講主要內(nèi)容第七章 伺服控制技術技術7.1直線位移檢測 7.2角位移檢測 7.3速度、加速度檢測 7.4力、力矩檢測 簡述 檢測技術是實現(xiàn)高速度、高精度運動控制必不可少的基礎技術。運動控制的主要檢測對象是位移、速度、加速度（力）、角度、角速度、角加速度等參數(shù)。運動控制系統(tǒng)要實現(xiàn)高性能的控制，就必須進行實時監(jiān)測，以達到滿意的運動控制效果。本章的重點是介紹位置、速度、加速

2、度、角度、角速度、角加速度等參數(shù)的基本測量方法及其傳感器的應用。7.1 直線位移檢測 方法： 一：光柵 二：同步感應器 三：磁柵式傳感器 7.1.1 光柵 光柵是一種新型的位移檢測元件，是將機械位移或模擬量轉變?yōu)閿?shù)字脈沖的測量裝置。它的特點是測量精度高（可達1 m），響應速度快，量程范圍大，可進行非接觸測量等。由于光柵易于實現(xiàn)數(shù)字測量和自動控制，因此廣泛應用于數(shù)控機床和精密測量之中。 1光柵的結構 在透明的玻璃板上均勻地刻出許多明暗相間的條紋，或在金屬鏡面上均勻地刻出許多間隔相等的條紋，就形成了光柵。通常，這些條紋的間隙和寬度是相等的。以透光的玻璃為載體的光柵，稱為透射光柵；以不透光的金屬為載

3、體的光柵，稱為反射光柵。根據(jù)光柵外形的不同，還可分為直線光柵和圓光柵。 光柵的結構如圖7-1所示，它主要由標尺光柵、指示光柵、光電器件和光源等組成。通常，標尺光柵和被測物體相連，隨被測物體一起做直線位移。一般來說，標尺光柵和指示光柵的刻線密度是相同的，刻線之間的距離稱為柵距。光柵條紋密度一般為每毫米25條、50條、100條、250條等。2光柵工作原理 如果把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，并讓它們的刻線之間有較小的夾角，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋沿著與光柵刻線幾乎垂直的方向排列，如圖7-2所示。光線透過兩塊光柵非重合部分而形成亮帶，亮帶由一系列四棱形圖案

4、組成，如圖7-2(a)中的dd線區(qū)所示；f f線區(qū)則是由兩塊光柵的遮光效應形成的。由此可見，標尺光柵和指示光柵的組合產(chǎn)生了莫爾條紋。圖7-2(b)是dd線區(qū)的放大圖，其中菱形的兩條對邊平行線的距離是W/2，即柵距的一半；菱形長對角線的長度是B，即莫爾條紋的間距。 成像原理 圖7-3所示的是一個光柵的測量成像原理圖，其中圖7-3(a)是四掃描場成像原理圖，圖7-3(b)是單掃描場成像原理圖。需要注意的是，圖7-3(b)所示的是結構化之后的莫爾條狀結構，其結構簡單，相對于四掃描場而言，制作容易。 3莫爾條紋的特點 1) 莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例 當指示光柵不動、標尺光柵左右移動時，莫爾條紋

5、將沿著接近于柵線的方向上下移動。光柵每移過一個柵距W，莫爾條紋就移過一個條紋間距B。查看莫爾條紋的移動方向，即可確定標尺光柵的移動方向。 2) 莫爾條紋具有位移放大作用 莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間的關系為 ：4光柵測量的分辨率 5光柵測量的模式 6提高光柵精度的主要辦法 提高光柵精度的主要辦法是細分，其中電子細分應用較廣。電子4倍頻細分可在光柵相對移動一個柵距的位移（即電壓波形在一個周期內(nèi)）時，得到4個計數(shù)脈沖，從而將分辨率提高4倍。7實際產(chǎn)品實際產(chǎn)品 圖7-6所示的是一種直線光柵產(chǎn)品 1感應同步器的定義 2感應同步器的分類 3感應同步器的結構 4感應同步器的工作原理 1感應同步器的

6、定義 感應同步器是利用電磁感應原理把兩個平面繞組間的位移轉換成電信號的一種位移傳感器。 2感應同步器的分類 按測量位移的對象不同，感應同步器可分為直線型和圓盤型兩類。直線型感應同步器用來檢測直線位移，圓盤型感應同步器用來檢測角位移。由于感應同步器成本低，受環(huán)境溫度影響小，測量精度高，并且為非接觸測量，所以在位移檢測中得到廣泛應用，特別是在各種機床的位移數(shù)字顯示、自動定位和數(shù)控系統(tǒng)中。 3感應同步器的結構 圖7-8所示的是直線型感應同步器定尺和滑尺的結構。其制造工藝是先在基板（玻璃或金屬）上涂上一層絕緣黏合材料，將銅箔粘牢，用制造印制電路板的腐蝕方法制成節(jié)距T為2 mm的方齒形線圈。定尺繞組是連

7、續(xù)的?；呱戏植贾鴥蓚€勵磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當正弦繞組與定尺繞組相位相同時，余弦繞組與定尺繞組錯開1/4節(jié)距。滑尺和定尺相對平行安裝，其間保持一定間隙（0.050.2 mm）。 4感應同步器的工作原理 在滑尺的正弦繞組中，施加頻率為f（一般為210 kHz）的交變電流，定尺繞組感應出頻率為f的感應電勢。感應電勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有關。當兩繞組同向對齊時，滑尺繞組磁通全部耦合于定尺繞組，所以其感應電勢為正向最大。移動1/4節(jié)距后，兩繞組磁通沒有耦合，即耦合磁通量為零。當再移動1/4節(jié)距、兩繞組反向時，感應電勢負向最大。依次類推，每移動一節(jié)距，周期性地重復變化一次，其感應

8、電勢隨位置按余弦規(guī)律變化，如圖7-9(a)所示。 根據(jù)對滑尺繞組供電方式的不同及對輸出電壓檢測方式的不同，感應同步器的測量方式有相位和幅值兩種工作法。前者是通過檢測感應電壓的相位來測量位移的，后者是通過檢測感應電壓的幅值來測量位移的。 7.1.3 磁柵式傳感器 1磁柵式傳感器定義與特點 2磁柵式傳感器的結構 3磁柵式傳感器的工作原理 4測量方式 5磁柵式傳感器的應用 1磁柵式傳感器定義與特點 磁柵式傳感器是利用磁柵與磁頭的磁作用進行測量的位移傳感器。它是一種新型的數(shù)字式傳感器，成本較低且便于安裝和使用。當需要時，可將原來的磁信號（磁柵）抹去，重新錄制。還可以安裝在機床上后再錄制磁信號，這對于消

9、除安裝誤差和機床本身的幾何誤差，以及提高測量精度都是十分有利的。磁柵式傳感器可以采用激光定位錄磁，而不需要采用感光、腐蝕等工藝，因而精度較高，可達0.01 mm/m，分辨率為15 m。 磁柵的優(yōu)點是磁柵與其他類型的位移傳感器相比，具有結構簡單、使用方便、動態(tài)范圍大和磁信號可以重新錄制等優(yōu)點；其缺點是需要屏蔽和防塵。2磁柵式傳感器的結構 分類 磁柵按用途可分為長磁柵與圓磁柵兩種。長磁柵用于直線位移測量，圓磁柵用于角位移測量。如圖7-11所示，磁柵由非導磁性材料基體和磁性膜制造而成。磁頭由可飽和鐵心、勵磁繞組、拾磁繞組組成。其中，勵磁繞組由勵磁電源供電；拾磁繞組輸出測量信號。 3磁柵式傳感器的工作

10、原理 采用錄磁的方法，在一根基體表面涂有磁性膜的尺子上記錄下一定波長的磁化信號，以此作為基準刻度標尺，稱之為磁柵。磁頭把磁柵上的磁信號檢測出來并轉換成電信號。檢測電路主要用來供給磁頭勵勵電壓和將磁頭檢測到的信號轉換為脈沖信號輸出。如圖7-12所示，其中是磁信號節(jié)距，磁柵上的信號0如圖7-12所示的波形。電源輸入信號是正弦波信號I0sin( t/2)，磁柵上信號也是正弦波信號。輸出信號e0為E0sin(2/) sin t。 磁柵是在非導磁材料（如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料）的基體上，涂敷、化學沉積或電鍍上一層1020 m厚的硬磁性材料（如Ni-Co-P或Fe-Co合金），并在它的表面上錄制相

11、等節(jié)距周期變化的磁信號。磁信號的節(jié)距一般為0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm、1 mm。為了防止磁頭對磁性膜的磨損，通常在磁性膜上涂一層12 m的耐磨塑料保護層。 磁頭是進行磁電轉換的變換器，它把反映空間位置的磁信號轉換為電信號輸送到檢測電路中去。普通錄音機、磁帶機的磁頭是速度響應型磁頭，其輸出電壓幅值與磁通變化率成正比，只有當磁頭與磁帶之間有一定相對速度時才能讀取磁化信號，所以這種磁頭只能用于動態(tài)測量，而不用于位置檢測。為了在低速運動和靜止時也能進行位置檢測，必須采用磁通響應型磁頭。 4測量方式 磁柵的測量方式有鑒幅測量方式和鑒相測量方式 5磁柵式傳感器的應用 7.2 角位移檢測 7

12、.2.1 旋轉變壓器 7.2.1 旋轉變壓器 1旋轉變壓器的定義 2旋轉變壓器的結構 3旋轉變壓器的工作原理 4旋轉變壓器的分類 5旋轉變壓器的應用 1旋轉變壓器的定義 旋轉變壓器是一種利用電磁感應原理將轉角變換為電壓信號的傳感器。由于它結構簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，輸出信號大，抗干擾好，因此被廣泛應用于機電一體化產(chǎn)品中 2旋轉變壓器的結構 旋轉變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結構形式。兩極繞組旋轉變壓器的定子和轉子各有一對磁極；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，還有多極旋轉變壓器，用于高精度絕對式檢測系統(tǒng)中。 如圖7-15所示，旋轉變壓器一般做成兩極繞組

13、的形式。在定子上有勵磁繞組和輔助繞組，它們的軸線互成90。在轉子上有兩個輸出繞組正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成90，一般將其中一個繞組（如Z1、Z2）短接。 3旋轉變壓器的工作原理 定子繞組D1D2接交流電源勵磁，轉子繞組Z1Z2接負載ZL。當主軸帶動轉子轉過角時，轉子各繞組中產(chǎn)生的感應電壓分別為 : 公式7-164旋轉變壓器的分類 旋轉變壓器適用于所有使用光電編碼器的場合，特別是高溫、嚴寒、潮濕、高速等光電編碼器無法正常工作的場合。由于旋轉變壓器的以上特點，它被廣泛應用在伺服控制系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、機械工具、汽車、電力、冶金、紡織、印刷、航空航天、船舶、兵器、電子、冶金、礦

14、山、油田、水利、化工、輕工、建筑等領域的角度或位置檢測系統(tǒng)中。 7.2.2 光電編碼器 光電編碼器是一種碼盤式角度-數(shù)字檢測元件。它有兩種基本類型：增量式編碼器、絕對式編碼器。增量式編碼器具有結構簡單、價格低、精度易于保證等優(yōu)點，所以目前采用最多。絕對式編碼器能直接給出對應于每個轉角的數(shù)字信息，便于計算機處理，但當進給數(shù)大于一轉時，必須進行特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，使其結構復雜、成本高。 1增量式編碼器 2絕對式編碼器 消除非單值性誤差，可采用以下方法 7.3 速度、加速度檢測 7.3.1 直流測速發(fā)電機 7.3.2 光電式速度傳感器 7.3.3

15、 加速度傳感器 7.3.1 直流測速發(fā)電機 直流測速發(fā)電機是一種測速元件，它實際上就是一臺微型的直流發(fā)電機。根據(jù)定子磁極勵磁方式的不同，直流測速發(fā)電機可分為電磁式和永磁式兩種。若以電樞的結構不同來分，有無槽電樞、有槽電樞、空心杯電樞和圓盤電樞等。 直流測速發(fā)電機的特點是輸出斜率大和線性好，但由于有電刷和換向器，故維護比較復雜，摩擦轉矩較大。 直流測速發(fā)電機在機電控制系統(tǒng)中主要用做測速和校正元件。在使用中，為了提高檢測靈敏度，盡可能把它直接連接到電機軸上。有的電機本身就已安裝了測速發(fā)電機。 7.3.2 光電式速度傳感器 光電式轉速傳感器由裝在被測軸（或與被測軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤、光源、

16、光電器件和指示縫圓盤組成，如圖7-24所示。光源發(fā)出的光通過帶縫圓盤和指示縫圓盤照射到光電器件上，當帶縫圓盤隨被測軸轉動時，由于圓盤上的縫間距與指示縫的間距相同，因此圓盤每轉一周，光電器件輸出與圓盤縫數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測量時間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，則可測得轉速為 7.3.3 加速度傳感器 作為加速度檢測元件的加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理大多是利用質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而產(chǎn)生的各種物理效應，進一步轉化成電量，從而間接度量被測加速度。最常用的有應變片式和壓電式等。 電阻應變式加速度傳感器的結構原理如圖7-25所示。它由質(zhì)量塊、懸臂梁、應變片和阻尼液體等構成。當有加速度時，質(zhì)量塊受力，懸臂

17、梁彎曲，根據(jù)梁上固定的應變片的變形便可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計算出被測加速度。殼體內(nèi)灌滿的黏性液體作為阻尼之用。這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。 壓電加速度傳感器的結構原理如圖7-26所示。使用時，傳感器固定在被測物體上感受該物體的振動，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。壓電加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機構的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣，動態(tài)范圍寬，靈敏度高，應用較為廣泛。 圖7-27所示的是一種空氣阻尼的電容式加速度傳感器。該傳感器采用差動式結構，有兩個固定電極，兩極板之間有一用彈簧片支撐的質(zhì)量

18、塊，此質(zhì)量塊的兩端經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板。彈簧片較硬使系統(tǒng)的固有頻率較高，因此構成慣性式加速度計的工作狀態(tài)。當傳感器測量垂直方向的振動時，由于質(zhì)量塊的慣性作用，兩固定極相對質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，使電容C1、C2中一個增大，另一個減小，它們的差值正比于被測加速度。由于采用空氣阻尼，氣體黏度的溫度系數(shù)比液體小得多，因此這種加速度傳感器的精度較高，頻率響應范圍寬，可以測得很高的加速度值。 7.4 力、力矩檢測 在機電一體化工程中，力、壓力和扭矩是很常用的機械參量。近年來，各種高精度的力和扭矩傳感器的出現(xiàn)，更以其慣性小、響應快、易于記錄、便于遙控等優(yōu)點得到了廣泛的應用。按其工作原理可分為彈性式、電阻應變式、電感式、電容式、壓電式和磁電式等，而電阻應變式傳感器應用較為廣泛。 7.4.1 測力傳感器 測力傳感器按其量程大小和測量精度的不同而有很多規(guī)格品種，它們的主要差別是彈性元件的結構形式不同，以及應變片在彈性元件上粘貼的位置不同。通常，測力傳感器的彈性元件有柱式、懸臂梁式等。 1柱式彈性元件 2懸臂梁式彈性元件 懸臂梁式彈性元件的特點是結構簡單，加工方便，應變片粘貼容易，靈敏度較高，主要用于小載荷、高精度的拉（壓）力傳感器中?？蓽y量0.01牛頓到幾千牛頓的拉（壓）力。在同一截面正反兩面粘貼