交流伺服運動控制系統(tǒng)的檢測技術及元件ppt課件

1、1 1電流、電壓檢測電流、電壓檢測2 2磁極位置檢測磁極位置檢測3 3電機、功率器件溫度檢測電機、功率器件溫度檢測4 4電機動子位置、速度檢測電機動子位置、速度檢測5 5運動機構的速度及位置檢測運動機構的速度及位置檢測2.1 2.1 交流伺服運動控制系統(tǒng)的檢測要求交流伺服運動控制系統(tǒng)的檢測要求p 檢測的準確性、快速性、可靠性是反響控制檢測的準確性、快速性、可靠性是反響控制性能的根底性能的根底 2.2 2.2 檢測技術原理檢測技術原理 檢測技術是研討信息提取、信息轉換及信檢測技術是研討信息提取、信息轉換及信息處置的實踐和技術。息處置的實踐和技術。通俗的講，就是把一種不方便表示的量轉通俗的講，就是

2、把一種不方便表示的量轉化為某種方便表示的量進展表示?；癁槟撤N方便表示的量進展表示。敏感元件或傳感器：敏感元件或傳感器：將感知的被丈量按一定規(guī)律轉化為某一種量將感知的被丈量按一定規(guī)律轉化為某一種量值輸出，通常是電信號。值輸出，通常是電信號。信號調理電路信號調理電路實現(xiàn)信號轉換和放大實現(xiàn)信號轉換和放大濾波、調制和解調、衰減運算、數(shù)字化處置濾波、調制和解調、衰減運算、數(shù)字化處置p 檢測系統(tǒng)構成檢測系統(tǒng)構成 傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，顧名思義，傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，顧名思義，傳感器的功能是傳感器的功能是“感感+ +傳，即感受被測信息，傳，即感受被測信息，并傳送出去。由敏感元件、轉換元件、轉

3、換電并傳送出去。由敏感元件、轉換元件、轉換電路三部分組成。路三部分組成。 敏感元件是可以靈敏地感受被丈量并作出呼敏感元件是可以靈敏地感受被丈量并作出呼應的元件；應的元件； 轉換元件實際上就是將敏感元件感受的被丈轉換元件實際上就是將敏感元件感受的被丈量轉換成電路參數(shù)的元件。量轉換成電路參數(shù)的元件。1 傳感器傳傳 感感 器器量程切換電路量程切換電路放放 大大 器器 解解 調調 器器信號分別電路信號分別電路運運 算算 電電 路路模數(shù)轉換電路模數(shù)轉換電路計計 算算 機機顯示執(zhí)行機構顯示執(zhí)行機構振振 蕩蕩 器器 電電 源源1模擬式丈量電路的根本組成2 信號調理電路 被測的量用延續(xù)變量來表示，如電壓變化、

4、相位被測的量用延續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。它對信號處置的方法相對來說比較復雜。變化等。它對信號處置的方法相對來說比較復雜。 將模擬輸入小信號放大到將模擬輸入小信號放大到A/DA/D轉換的量程范圍轉換的量程范圍之內，如之內，如0-5VDC;0-5VDC; 對單純的微弱信號，可用一個運算放大器進展對單純的微弱信號，可用一個運算放大器進展單端同相放大或單端反相放大。單端同相放大或單端反相放大。 信號源的一端假設接放大器的正端為同相放大信號源的一端假設接放大器的正端為同相放大，放大倍數(shù)，放大倍數(shù)G =1+R2/R1G =1+R2/R1； 假設接放大器的負端為反相放大，假設接放大器的負端為反

5、相放大，G =G =R2/R1R2/R1。a a放大器的作用放大器的作用VIVO1R2R圖 2-5 放大電路VIVO1R2R(a)同相放大UsUs(b)反相放大原理：將被測電流經過一個知的取樣電阻，丈量電原理：將被測電流經過一個知的取樣電阻，丈量電阻兩端的電壓即可得到被測電流。既可以丈量直流，阻兩端的電壓即可得到被測電流。既可以丈量直流，也可以丈量交流；不同量程的電流可以選擇不同的也可以丈量交流；不同量程的電流可以選擇不同的取樣電阻。取樣電阻。選擇取樣電阻：選擇取樣電阻：1k1k、100100、1010、11、0.10.1，便可丈量電流：便可丈量電流：200A200A、2mA2mA、20mA2

6、0mA、200mA200mA、2A2A輸出電壓：輸出電壓：200mv200mvA A/ /D DR Rx xIr-+A Am mp p取取樣樣電電阻阻b b歐姆法丈量電流歐姆法丈量電流I/VI/V變換變換 原理：電流流過導線，周圍會感生出磁場，霍爾原理：電流流過導線，周圍會感生出磁場，霍爾器件檢測由電流感生的磁場器件檢測由電流感生的磁場, ,霍爾輸出電流放大后霍爾輸出電流放大后經過補償線圈，產生相反的磁場，使磁芯中磁通經過補償線圈，產生相反的磁場，使磁芯中磁通為為0 0，到達平衡后，由，到達平衡后，由IsIs丈量導線經過的電流。丈量導線經過的電流。c c閉環(huán)霍爾法丈量電流閉環(huán)霍爾法丈量電流指令

7、傳感器指令傳感器傳傳 感感 器器顯示執(zhí)行機構顯示執(zhí)行機構計計 算算 機機鎖鎖 存存 器器計計 數(shù)數(shù) 器器轉換電路轉換電路脈沖當量脈沖當量放放 大大 器器整形電路整形電路細分電路細分電路手動采樣手動采樣鎖存指令鎖存指令辨向電路辨向電路2數(shù)字式丈量電路的根本組成 被測的量以數(shù)字方式來表示，丈量信號普通為脈被測的量以數(shù)字方式來表示，丈量信號普通為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控安裝進展比較、處置。沖，可以直接把它送到數(shù)控安裝進展比較、處置。 信號抗干擾才干強、處置簡單。信號抗干擾才干強、處置簡單。p 性能目的性能目的p 系統(tǒng)精度：是指在一定長度或轉角內丈量積累系統(tǒng)精度：是指在一定長度或轉角內丈量積累誤差的

8、最大值，如誤差的最大值，如0.0020.02mm/m，10/360等等p 系統(tǒng)分辨率：是丈量元件所能正確檢測的最小系統(tǒng)分辨率：是丈量元件所能正確檢測的最小位移量，如直線位移的分辨率為位移量，如直線位移的分辨率為0.0010.01mm。角位移分辨率為角位移分辨率為2p 作用作用 p 檢測位置和速度，發(fā)送反響信號，構成閉環(huán)或檢測位置和速度，發(fā)送反響信號，構成閉環(huán)或半閉環(huán)，對驅動安裝進展控制。半閉環(huán)，對驅動安裝進展控制。p 要求要求 p 義務可靠，抗干擾才干強義務可靠，抗干擾才干強p 滿足精度、分辨率、丈量范圍滿足精度、分辨率、丈量范圍p 運用維修方便、本錢低運用維修方便、本錢低2.4 2.4 運動

9、控制系統(tǒng)丈量運動控制系統(tǒng)丈量p 檢測安裝的分類 按檢測信號分：數(shù)字式、模擬式按檢測信號分：數(shù)字式、模擬式 按丈量基準分：增量式、絕對式按丈量基準分：增量式、絕對式 按安裝位置關系分：直接丈量、間接丈量按安裝位置關系分：直接丈量、間接丈量位置位置檢測檢測安裝安裝直線型直線型旋轉型旋轉型感應同步器感應同步器光柵光柵磁尺磁尺旋轉變壓器旋轉變壓器脈沖編碼器脈沖編碼器1 1 旋轉變壓器旋轉變壓器p 旋轉變壓器的構造旋轉變壓器的構造 在構造上和兩相繞線式異步電動機類似，由在構造上和兩相繞線式異步電動機類似，由定子和轉于組成。定子和轉于組成。 定子繞組為變壓器的一次繞組定子繞組為變壓器的一次繞組 轉子繞組為

10、變壓器的二次繞組。轉子繞組為變壓器的二次繞組。根據互感原理義根據互感原理義務的，定子繞組加上務的，定子繞組加上勵磁電壓，經過電磁勵磁電壓，經過電磁耦合，轉子繞組產生耦合，轉子繞組產生感應電功勢感應電功勢輸出感應電功勢輸出感應電功勢大小與轉子位置有關大小與轉子位置有關p 旋轉變壓器義旋轉變壓器義務原理務原理 特點特點 構造簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護構造簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾才干強，義務可靠，廣方便，輸出信號幅度大，抗干擾才干強，義務可靠，廣泛運用于數(shù)控機床上。泛運用于數(shù)控機床上。 實際采用正余實際采用正余弦旋轉變壓器，弦旋轉變壓器，其定子由

11、兩組匝其定子由兩組匝數(shù)相等、相互垂數(shù)相等、相互垂直的繞組構成。直的繞組構成。 p 旋轉變壓器的運用旋轉變壓器的運用鑒相方式鑒相方式 在旋轉變壓器定子的兩相正交繞組上分別加上幅值相等、在旋轉變壓器定子的兩相正交繞組上分別加上幅值相等、頻率一樣的正弦、余弦激磁電壓頻率一樣的正弦、余弦激磁電壓 ，轉子旋轉后，兩個激磁電壓轉子旋轉后，兩個激磁電壓 在轉子繞組中產生的感應電在轉子繞組中產生的感應電壓線性疊加得總感應電壓為：壓線性疊加得總感應電壓為：因此，只需檢測出轉子輸出電壓的相位角，就知道了轉因此，只需檢測出轉子輸出電壓的相位角，就知道了轉子的轉角。子的轉角。鑒幅方式鑒幅方式 給定子的兩個繞組分別通上

12、頻率、相位一樣但幅值不同給定子的兩個繞組分別通上頻率、相位一樣但幅值不同的激磁電壓的激磁電壓 ， 那么在轉子繞組上得到感應電壓為那么在轉子繞組上得到感應電壓為 不斷修正激磁調幅電壓幅值的電氣角不斷修正激磁調幅電壓幅值的電氣角電，使之跟蹤電，使之跟蹤機的變化，并丈量感應電壓幅值即可求得機械角位移機的變化，并丈量感應電壓幅值即可求得機械角位移機機 。tUUmssinsin電1cossincmUUt電tkUkUkUUmcssincos(cossin）機電機機）機機機tkUkUkUUmcscos(cossintUUmssintUUmccos感應同步器是旋轉感應同步器是旋轉變壓器演化而來，也是變壓器演化

13、而來，也是一種電磁感應式的位移一種電磁感應式的位移檢測安裝。檢測安裝。圓型感應同步器圓型感應同步器 由定子和轉子組成，由定子和轉子組成，用于丈量角位移用于丈量角位移直線型感應同步器直線型感應同步器 由定子和轉子組成，由定子和轉子組成，用于丈量直線位移用于丈量直線位移 2 2 感應同步器感應同步器p 直線感應同步器的構造直線感應同步器的構造 利用兩個平面形印刷利用兩個平面形印刷繞組，其間堅持均勻氣繞組，其間堅持均勻氣隙約為隙約為(0.25(0.250.05)mm 0.05)mm 作相對平行挪動，根作相對平行挪動，根據交變磁場和互感原理據交變磁場和互感原理而義務的而義務的滑尺上有正弦和余弦滑尺上有

14、正弦和余弦勵磁繞組，在空間位置勵磁繞組，在空間位置上相差上相差1/41/4節(jié)距，定尺節(jié)距，定尺和滑尺繞組的節(jié)距一樣和滑尺繞組的節(jié)距一樣W 滑尺在挪動一個節(jié)距的過程中，感滑尺在挪動一個節(jié)距的過程中，感應電勢變化了一個周期。應電勢變化了一個周期。 假設勵磁電壓假設勵磁電壓u uUmsintUmsint，那么，那么在定尺繞組產生的感應電勢在定尺繞組產生的感應電勢e e為為 e ekUmcoscostkUmcoscost 滑尺上的正弦、余滑尺上的正弦、余弦勵磁繞組提供同頻率弦勵磁繞組提供同頻率、同幅值、相位差、同幅值、相位差9090的交流電壓，即的交流電壓，即 us usUmsint Umsint u

15、c ucUmcostUmcost us us和和ucuc單獨勵磁，單獨勵磁，在定尺繞組上感應電勢在定尺繞組上感應電勢分別為分別為 es eskUmcoscostkUmcoscost ec eckUmcos(kUmcos( /2)sint /2)sint kUmsinsintkUmsinsintp 感應同步器輸出信號的處置方式感應同步器輸出信號的處置方式鑒相方式鑒相方式 根據感應輸出電壓的相根據感應輸出電壓的相位來檢測位移量。位來檢測位移量。根據疊加原理，定尺繞組上總輸出感應電勢根據疊加原理，定尺繞組上總輸出感應電勢e e為為 e eesesecec kUmcoscostkUmcoscostkU

16、msinsintkUmsinsint kUmcos(tkUmcos(t) kUmcos(tkUmcos(t 2x/W) 2x/W) 根據上式，經過鑒別定尺輸出的感應電勢的相位，根據上式，經過鑒別定尺輸出的感應電勢的相位，即可丈量定尺和滑尺之間的相對位置。即可丈量定尺和滑尺之間的相對位置。例：感應電勢與勵磁電壓相位差例：感應電勢與勵磁電壓相位差=1.8=1.8，節(jié)距，節(jié)距W=2mmW=2mm，= 2x/W=0.01mm= 2x/W=0.01mm光柵檢測安裝根本構造表示圖光柵檢測安裝根本構造表示圖 3 3 直線透射光柵直線透射光柵 由于擋光效應和光的衍射，在與線紋幾乎垂直由于擋光效應和光的衍射，在

17、與線紋幾乎垂直方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為稱為“莫爾條紋莫爾條紋 。p 直線透射光柵的義務原理直線透射光柵的義務原理B2Bp 莫爾條紋的放大作用莫爾條紋的放大作用 莫爾條紋紋距莫爾條紋紋距B B 與光柵節(jié)距與光柵節(jié)距w w和傾角和傾角之間的關系：之間的關系：由于由于很小，因此很小，因此 22sin/ w B w B 為了區(qū)分運動方向，需配置兩個彼此錯開為了區(qū)分運動方向，需配置兩個彼此錯開1/41/4紋距的光電紋距的光電元件，使輸出電信號彼此在相位上差元件，使輸出電信號彼此在相位上差9090，假設以其中的一，假設以其中的一個作為參考

18、信號，那么另一個信號將超前或滯后參考信號個作為參考信號，那么另一個信號將超前或滯后參考信號9090，由此來確定運動方向。，由此來確定運動方向。 倍頻又稱為細分，倍頻數(shù)就是指在莫爾條紋一個周期的倍頻又稱為細分，倍頻數(shù)就是指在莫爾條紋一個周期的范圍內，等間隔安裝的感光元件的數(shù)目，從而在一個周期內范圍內，等間隔安裝的感光元件的數(shù)目，從而在一個周期內產生假設干個脈沖，到達細分的目的。產生假設干個脈沖，到達細分的目的。 提高倍頻數(shù)可以提高光柵的最小讀數(shù)值，提高分辨率，提高倍頻數(shù)可以提高光柵的最小讀數(shù)值，提高分辨率，精細機床的丈量常采用高倍頻。精細機床的丈量常采用高倍頻。例：柵距例：柵距 w = 0.01

19、mm w = 0.01mm， 十倍頻后，最小讀數(shù)值十倍頻后，最小讀數(shù)值1mm.1mm.p 直線透射光柵的辨向直線透射光柵的辨向p 直線透射光柵的倍頻直線透射光柵的倍頻 優(yōu)點：優(yōu)點： 1 1精度高，精度精度高，精度 0.5-3mm 0.5-3mm，分辨率，分辨率 0.1mm 0.1mm 2 2易實現(xiàn)動態(tài)丈量和自動化丈量易實現(xiàn)動態(tài)丈量和自動化丈量 3 3較強的抗干擾才干較強的抗干擾才干 缺陷：缺陷： 1 1對環(huán)境要求高，怕振動，怕油污對環(huán)境要求高，怕振動，怕油污 2 2高精度光柵制造本錢高高精度光柵制造本錢高 目前多用于精細定位的數(shù)控機床。目前多用于精細定位的數(shù)控機床。p 直線透射光柵的特點直線透

20、射光柵的特點 光電盤隨主軸轉動，光電元件把經過光電盤和光光電盤隨主軸轉動，光電元件把經過光電盤和光欄板射過來的忽明忽暗的光信號欄板射過來的忽明忽暗的光信號( (近似于正弦信號近似于正弦信號) )轉轉換為電信號，經整形、放大等電路的變換后變成脈沖換為電信號，經整形、放大等電路的變換后變成脈沖信號，計算脈沖的數(shù)目，可測出義務軸的轉角，測定信號，計算脈沖的數(shù)目，可測出義務軸的轉角，測定計數(shù)脈沖的頻率，可測出義務軸的轉速。計數(shù)脈沖的頻率，可測出義務軸的轉速。4 4 光電編碼器光電編碼器1分辯率分辯率 改動一個計數(shù)字所對應的轉速變化量來表示改動一個計數(shù)字所對應的轉速變化量來表示分辨率分辨率Q ，Q 越小

21、，測速安裝的分辯才干越強。越小，測速安裝的分辯才干越強。2測速精度測速精度 丈量值與實際值的相對誤差來表示，丈量值與實際值的相對誤差來表示，%100nn 的大小與測速方法有關。的大小與測速方法有關。p 數(shù)字測速方法：數(shù)字測速方法：p M M法法脈沖直接計數(shù)法脈沖直接計數(shù)法p T T 法法脈沖時間計數(shù)法脈沖時間計數(shù)法p M/T M/T法法脈沖時間混合計數(shù)法脈沖時間混合計數(shù)法p M M法測速法測速PLG倍頻電路BusZ記錄記錄TcTc時間內旋轉編碼時間內旋轉編碼器器PLGPLG發(fā)出的脈沖數(shù)發(fā)出的脈沖數(shù)M1M1，那么那么c160ZTMn Z= Z=倍頻系數(shù)倍頻系數(shù)PLGPLG光柵數(shù)。光柵數(shù)。 測速原

22、理與波形圖CountercT1MM法測速適用于高速%1001%10060 )1(60 601c1c1c1maxMZTMZTMZTMcc1c16060) 1(60ZTZTMZTMQ分辨率：分辨率：誤差率：誤差率：PLG倍頻電路ConterCPUINTnf0記錄記錄PLGPLG一個脈沖間的高頻一個脈沖間的高頻脈沖個數(shù)脈沖個數(shù)M2M2，f0f0為高頻脈沖為高頻脈沖頻率，那么頻率，那么電路與波形2060ZMfn p T T法測速法測速%10011%10060 60 ) 1(602202020maxMZMfZMfMZf) 1(6060) 1(602202020MZMfZMfMZfQT法測速適用于低速 M

23、/T法既檢測 Tc 時間內PLG輸出的脈沖個數(shù)M1，又檢測一樣時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2。p M/T M/T法測速法測速測速原理與波形圖C201t160 60ZMfMZTMn%1001M1%100ZMfM60 ZMfM60) 1M(ZfM602201201201maxM/TM/T法測速適用的轉速范圍寬，測速精度高法測速適用的轉速范圍寬，測速精度高p 構造 p 絕對式脈沖編碼器構造與增量式類似，就是在碼盤的每一轉角位置刻有表示該位置的獨一代碼，稱為絕對碼盤。絕對式脈沖編碼器是經過讀取編碼盤上的代碼(圖案)來表示軸的位置。5 5 絕對式光電脈沖編碼器絕對式光電脈沖編碼器p 碼盤的種類p 按碼制

24、不同分二進制碼、格雷碼循環(huán)碼、十進制碼、六十進制碼等，最常用的是二進制循環(huán)碼盤。 純二進制碼有一個缺陷：相鄰兩個二進制數(shù)可以有多位二進制碼不同，當數(shù)碼切換時有多個數(shù)位要進展切換，增大了誤讀的機率。 而格雷碼那么不同，相鄰兩個二進制數(shù)碼只需一個數(shù)位不同，因此兩數(shù)切換時只在一位進展，提高了讀數(shù)的可靠性。 p 義務原理義務原理p 光源經過柱面鏡，變成一束平行光照射在碼光源經過柱面鏡，變成一束平行光照射在碼盤上，經過碼盤經狹縫構成一束很窄的光束照射在盤上，經過碼盤經狹縫構成一束很窄的光束照射在光電元件上，光電元件的陳列與碼道一一對應，亮光電元件上，光電元件的陳列與碼道一一對應，亮區(qū)輸出為區(qū)輸出為“1，

25、暗區(qū)輸出為，暗區(qū)輸出為“0，再經信息處置電，再經信息處置電路，進展放大、整形、鎖存與譯碼，輸出自然二進路，進展放大、整形、鎖存與譯碼，輸出自然二進制代碼，從而實現(xiàn)了角度的絕對值丈量。制代碼，從而實現(xiàn)了角度的絕對值丈量。p 運用運用p 在實際運用過程中，用絕對脈沖編碼器來檢測在實際運用過程中，用絕對脈沖編碼器來檢測軸的位置和速度時，當編碼器旋轉超越一周時，讀軸的位置和速度時，當編碼器旋轉超越一周時，讀出準確數(shù)值的處置方法：出準確數(shù)值的處置方法：p 在旋轉軸上安裝多個碼盤，其中一些盤是專門用在旋轉軸上安裝多個碼盤，其中一些盤是專門用來計量所轉過的圈數(shù)來計量所轉過的圈數(shù)N，而另一部分碼盤是用來檢測，

26、而另一部分碼盤是用來檢測一圈以內的度數(shù)一圈以內的度數(shù)。之后將兩個碼盤所檢測的進展。之后將兩個碼盤所檢測的進展(N360)的疊加。的疊加。p 在軟件設計時，設置一個專門的計數(shù)器，并規(guī)定在軟件設計時，設置一個專門的計數(shù)器，并規(guī)定碼盤上的一個專門的代碼為碼盤上的一個專門的代碼為“零代碼，當碼盤轉過零代碼，當碼盤轉過“零代碼時，計數(shù)器的值就被自動加一，這樣也可零代碼時，計數(shù)器的值就被自動加一，這樣也可以實現(xiàn)即測圈數(shù)又測度數(shù)的目的。以實現(xiàn)即測圈數(shù)又測度數(shù)的目的。磁尺位置檢測安裝是由磁性標尺簡稱磁尺、磁頭和檢測電路組成，該安裝方框圖如以下圖。磁尺的丈量原理類似于磁帶的錄音原理。在非導磁的資料如銅、不銹鋼、

27、玻璃或其他合金資料的基體上鍍一層磁性薄膜。在丈量前，先按規(guī)范尺度以一定間隔(普通為0.05mm)在磁性薄膜上錄制一系列的磁信號。這些磁信號就是一個個按SN-NS-SN-NS方向陳列的小磁體，這時的磁性薄膜稱為磁柵。丈量時，磁柵隨位移而挪動或轉動并用磁頭讀取(感應)這些挪動的磁柵信號，使磁頭內的線圈產生感應正弦電動勢。對這些電動勢的頻率進展計數(shù)，就可以丈量位移了。6 6 磁尺磁尺p 磁頭將高頻勵磁電流通人勵磁繞組時，在磁頭上產生磁通1。當磁頭接近磁尺時，磁尺上的磁信號產生的磁通0進入磁頭鐵心，并被高頻勵磁電流產生的磁通1所調制。于是在拾磁線圈中感應電壓為式中 U0感應電壓系數(shù)；磁尺磁化信號的節(jié)距；x磁頭相對于磁尺的位移；勵磁電流的角頻率。p 檢測電路 有兩種義務方式，鑒相式和鑒幅式。 1光柵傳感器 光柵傳感器的最大優(yōu)點是信號處置方式簡單，運用方便，丈量精度高國外著名廠家如德國Heidenhain、西班牙Fagor等公司制造的光柵傳感器精度可達1m/m；缺陷是光柵尺價錢較昂貴，對義務環(huán)境要求較高，玻璃光柵尺的線脹系數(shù)與機床不一致，易呵斥丈量誤差。 2磁柵傳感器 磁柵尺可分為線狀有效丈量長度3