4.1位置檢測(cè)及位置控制

歡迎企業(yè)同仁共同交流探討數(shù)控設(shè)備維修技術(shù)河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1機(jī)械制造工藝及設(shè)備教研室⑤-419河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院胡東方MP/p>

E-Mail:hdf@24.進(jìn)給系統(tǒng)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)及故障分析本次講授主要內(nèi)容：4.1、位置檢測(cè)及位置控制4.2、進(jìn)給系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)

4.3、機(jī)械傳動(dòng)（滾珠絲杠）與導(dǎo)向裝置（導(dǎo)軌）34.1、位置檢測(cè)及位置控制1．位置檢測(cè)裝置的要求4.1.1

概述：

1）受溫度、濕度的影響小，工作可靠，能長(zhǎng)期保持精度，抗干擾能力強(qiáng)。

2）在機(jī)床執(zhí)行部件移動(dòng)范圍內(nèi)，能滿(mǎn)足精度和速度的要求。

3）使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境。

4）成本低。44.1、位置檢測(cè)及位置控制2．位置檢測(cè)裝置的分類(lèi)按工作條件和測(cè)量要求不同，可采用不同的測(cè)量方式。4.1.1

概述：（1）按輸出信號(hào)的形式分類(lèi)：數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量（2）按測(cè)量基點(diǎn)的類(lèi)型分類(lèi)：增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量（3）按位置檢測(cè)元件的運(yùn)動(dòng)形式分類(lèi)：回轉(zhuǎn)型和直線型（4）按位置檢測(cè)元件的安裝位置分類(lèi)：直接測(cè)量和間接測(cè)量5常用位置檢測(cè)裝置分類(lèi)表4.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.1

概述：64.1、位置檢測(cè)及位置控制特點(diǎn)是：4.1.2

脈沖編碼器1）檢測(cè)方式是非接觸式的，無(wú)摩擦和磨損，驅(qū)動(dòng)力矩小。2）由于光電變換器性能的提高，可得到較快的響應(yīng)速度。3）由于照像腐蝕技術(shù)的提高，可以制造高分辨率、高精度的光電盤(pán)，母盤(pán)制作后，復(fù)制很方便，且成本低。

4）抗污染能力差，容易損壞。74.1、位置檢測(cè)及位置控制脈沖編碼器按碼盤(pán)的讀取方式可分為光電式、接觸式和電磁式。就精度與可靠性來(lái)講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種。數(shù)控機(jī)床上使用光電式脈沖編碼器。4.1.2

脈沖編碼器按照編碼化的方式，可分為增量式和絕對(duì)值式兩種。84.1、位置檢測(cè)及位置控制1.增量式編碼器：4.1.2

脈沖編碼器增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。就精度和可靠性來(lái)講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號(hào)是用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）來(lái)區(qū)分，數(shù)控機(jī)床常用2000、2500、3000p/r等，現(xiàn)在已有每轉(zhuǎn)發(fā)10萬(wàn)個(gè)脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測(cè)外，還可以用于速度檢測(cè)。9abz碼盤(pán)基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光柵板節(jié)距τm+τ/4信號(hào)處理裝置4.1、位置檢測(cè)及位置控制1.增量式編碼器：（亦稱(chēng)光電碼盤(pán)、光電脈沖發(fā)生器等）。4.1.2

脈沖編碼器光電脈沖編碼器結(jié)構(gòu)及工作原理10節(jié)距ＡＢ4.1、位置檢測(cè)及位置控制A1B1900從光欄板上兩條狹縫中檢測(cè)的信號(hào)A和B，是具有90°相位差的兩個(gè)正弦波，這組信號(hào)經(jīng)放大器放大與整形，輸出波形如圖所示。4.1.2

脈沖編碼器1.增量式編碼器：114.1、位置檢測(cè)及位置控制

4.1.2

脈沖編碼器在脈沖編碼器還有一條透光條紋C，用以產(chǎn)生基準(zhǔn)脈沖，又稱(chēng)零點(diǎn)脈沖，它是軸旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個(gè)脈沖。如數(shù)控車(chē)床切削螺紋時(shí)，可將這種脈沖當(dāng)作車(chē)刀進(jìn)刀點(diǎn)和退刀點(diǎn)的信號(hào)使用，以保證切削螺紋不會(huì)亂牙。也可用于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)或加工中心等數(shù)控機(jī)床上的主軸準(zhǔn)停信號(hào)。AB90°Z……碼盤(pán)轉(zhuǎn)一圈1.增量式編碼器：124.1、位置檢測(cè)及位置控制２.絕對(duì)值式編碼器：4.1.2

脈沖編碼器增量式編碼器的缺點(diǎn)是有可能發(fā)生由于噪聲或其它外界干擾產(chǎn)生的計(jì)數(shù)錯(cuò)誤；因停電、刀具破損而停機(jī)，事故排除后不能再找到事故前執(zhí)行部件的正確位置。采用絕對(duì)值式編碼器可以克服這些缺點(diǎn)。絕對(duì)值式編碼器是在碼盤(pán)的每一轉(zhuǎn)角位置刻有表示該位置的唯一代碼，因此稱(chēng)為絕對(duì)碼盤(pán)。134.1、位置檢測(cè)及位置控制２.絕對(duì)值式編碼器：4.1.2

脈沖編碼器絕對(duì)值式編碼器結(jié)構(gòu)及工作原理010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120144.1、位置檢測(cè)及位置控制２.絕對(duì)值式編碼器：4.1.2

脈沖編碼器

圖中黑表示為“1”，白表示為“0”，四個(gè)碼道都裝有電刷，由于四個(gè)碼道產(chǎn)生四位二進(jìn)制數(shù)，碼盤(pán)每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生0000～1111十六個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此將碼盤(pán)圓周分成十六等份。當(dāng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，四個(gè)電刷依次輸出十六個(gè)二進(jìn)制編碼0000～1111，編碼代表實(shí)際角位移，碼盤(pán)分辨率與碼道多少有關(guān)，n位碼道角盤(pán)分辨率為：目前接觸式碼盤(pán)一般可以做到9位二進(jìn)制，光電式碼盤(pán)可以做到18位二進(jìn)制。154.1、位置檢測(cè)及位置控制２.絕對(duì)值式編碼器：4.1.2

脈沖編碼器

二進(jìn)制編碼器主要缺點(diǎn)是碼盤(pán)盤(pán)上的圖案變化較大，在使用中容易產(chǎn)生較多的誤讀。例如:當(dāng)電刷由位置0111向1000過(guò)渡時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)從8（1000）到15（1111）之間的讀數(shù)誤差，一般稱(chēng)這種誤差為非單值性誤差。為消除這種誤差，可采用葛萊碼盤(pán)。它的特點(diǎn)是每相鄰十進(jìn)制數(shù)之間只有一位二進(jìn)制碼不同。因此，圖案的切換只用一位數(shù)（二進(jìn)制的位）進(jìn)行。所以能把誤讀控制在一個(gè)數(shù)單位之內(nèi)，提高了可靠性。164.1、位置檢測(cè)及位置控制２.絕對(duì)值式編碼器：4.1.2

脈沖編碼器0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100二進(jìn)制碼格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼）174.1、位置檢測(cè)及位置控制２.絕對(duì)值式編碼器：4.1.2

脈沖編碼器

二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成葛萊碼的法則是：將二進(jìn)制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進(jìn)制數(shù)碼作不進(jìn)位加法，結(jié)果即為葛萊碼。例如，二進(jìn)制碼1101對(duì)應(yīng)的葛萊碼為1011，其演算過(guò)程如下：

1101（二進(jìn)制碼）

1101（不進(jìn)位相加，舍去末位）

1011（葛萊碼）184.1、位置檢測(cè)及位置控制光柵是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中使用較多的一種光學(xué)測(cè)量元件，用以測(cè)量長(zhǎng)度、角度、速度、加速度、振動(dòng)和爬行等。4.1.3光柵1．光柵的種類(lèi)（1）直線光柵（2）圓光柵194.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.3光柵1．光柵的種類(lèi)（1）直線光柵1）透射光柵：在玻璃的表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋。

2）反射光柵：在鋼直尺或不銹鋼帶的鏡面上用照相腐蝕工藝制作光柵，或用鉆石刀直接刻劃制作光柵線紋。透射光柵信號(hào)幅值大，信噪比好，刻紋密度大，一般每毫米100、200、250條刻紋。反射光柵的線膨脹系數(shù)可做到和機(jī)床一致，接長(zhǎng)方便，線紋密度一般為每毫米4、10、25、40或50條。204.1、位置檢測(cè)及位置控制2．直線透射光柵的組成及工作原理4.1.3光柵光柵位置檢測(cè)裝置由光源、長(zhǎng)光柵（標(biāo)尺光柵）、短光柵（指示光柵）、光電接收元件等組成。指示光柵與標(biāo)尺光柵刻度等寬。214.1、位置檢測(cè)及位置控制2．直線透射光柵的組成及工作原理4.1.3光柵VS312431245光柵的結(jié)構(gòu)

1-防護(hù)墊2-光柵讀數(shù)頭

3-標(biāo)尺光柵

4-防護(hù)罩

光柵讀數(shù)頭

1-光源

2-準(zhǔn)直鏡

3-指示光柵

4-光敏元件5-驅(qū)動(dòng)線路

光柵讀數(shù)頭由光源，透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動(dòng)線路組成，是一個(gè)單獨(dú)的部件。224.1、位置檢測(cè)及位置控制2．直線透射光柵的組成及工作原理4.1.3光柵長(zhǎng)光柵安裝在機(jī)床固定部件上，長(zhǎng)度相當(dāng)于工作臺(tái)移動(dòng)的全行程，短光柵則固定在機(jī)床移動(dòng)部件上。

234.1、位置檢測(cè)及位置控制2．直線透射光柵的組成及工作原理4.1.3光柵長(zhǎng)、短光柵保持一定間隙（0.05～0.1mm）重疊在一起，并在自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)一個(gè)很小角度θ。在光源的照射下，交叉點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱(chēng)為莫爾條紋。VSθ

d

WW

Θ244.1、位置檢測(cè)及位置控制2．直線透射光柵的組成及工作原理4.1.3光柵莫爾條紋與光柵線紋幾乎成垂直方向排列。嚴(yán)格地說(shuō)，是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。當(dāng)移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，摩爾條紋也移動(dòng)一個(gè)紋距254.1、位置檢測(cè)及位置控制2．直線透射光柵的組成及工作原理4.1.3光柵莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：

1）放大作用：當(dāng)交角θ很小時(shí)，柵距W和莫爾條紋節(jié)距B（單位：mm）有下列關(guān)系：B=W/θ

莫爾條紋的節(jié)距為光柵柵距的l/θ倍。例如W=0.01,θ=0.001rad，得B=10mm，放大1000。

因此，不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，便將光柵的柵距放大了1000倍，從而大大減化了電子放大線路，這是光柵技術(shù)獨(dú)有的特點(diǎn)。

264.1、位置檢測(cè)及位置控制2．直線透射光柵的組成及工作原理4.1.3光柵莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：2）平均效應(yīng)：莫爾條紋是由若干線紋組成，例如每毫米100線的光柵，10mm長(zhǎng)的莫爾條紋，等亮帶由2000根刻線交叉形成。因而對(duì)個(gè)別柵線的間距誤差（或缺陷）就平均化了，這在很大程度上消除了短周期誤差的影響。因此莫爾條紋的節(jié)距誤差就取決于光柵刻線的平均誤差。

274.1、位置檢測(cè)及位置控制2．直線透射光柵的組成及工作原理4.1.3光柵莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：3）莫爾條紋的移動(dòng)規(guī)律：莫爾條紋的移動(dòng)與柵距之間的移動(dòng)成比例，當(dāng)光柵向左或向右移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋也相應(yīng)地向上或向下準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)節(jié)距B。只要通過(guò)光電元件測(cè)出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動(dòng)了多少個(gè)柵距，工作臺(tái)移動(dòng)的距離可以計(jì)算出來(lái)。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對(duì)移過(guò)的柵距數(shù)同步。

284.1、位置檢測(cè)及位置控制3．直線光柵檢測(cè)裝置的辯向4.1.3光柵

當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，假定我們開(kāi)辟一個(gè)小窗口來(lái)觀察莫爾條紋的變化情況，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它在移動(dòng)一個(gè)柵距期間明暗變化了一個(gè)周期，理論上光柵亮度變化是一個(gè)三角波形，但由于漏光和不能達(dá)到最大亮度，被削頂削底后而近似一個(gè)正弦波。硅光電池將近似正弦波的光強(qiáng)信號(hào)變?yōu)橥l率的電壓信號(hào)，經(jīng)光柵位移—數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就代表移動(dòng)了一個(gè)柵距那么大的位移，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)便可得到工作臺(tái)的移動(dòng)距離。光柵的實(shí)際亮度變化光柵的輸出波形圖294.1、位置檢測(cè)及位置控制3．直線光柵檢測(cè)裝置的辯向4.1.3光柵

采用一個(gè)光電元件即只開(kāi)一個(gè)窗口觀察，只能計(jì)數(shù)，卻無(wú)法判斷移動(dòng)方向。因?yàn)闊o(wú)論莫爾條紋上移或下移，從一固定位置看其明暗變化是相同的。為了確定運(yùn)動(dòng)方向，至少要放置兩個(gè)光電元件，兩者相距1/4莫爾條紋寬度。當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋通過(guò)兩個(gè)光電元件的時(shí)間不同，所以?xún)蓚€(gè)光電元件所獲得的電信號(hào)雖然波形相同，但相位相差900。根據(jù)兩光電元件輸出信號(hào)的超前和滯后，可以確定標(biāo)尺光柵移動(dòng)方向。304.1、位置檢測(cè)及位置控制4．直線光柵檢測(cè)裝置的細(xì)分4.1.3光柵

增加線紋密度，能提高光柵檢測(cè)裝置的精度，但制造較困難，成本高。在實(shí)際應(yīng)用中，既要提高測(cè)量精度，同時(shí)又能達(dá)到自動(dòng)辨向的目的，通常采用倍頻或細(xì)分的方法來(lái)提高光柵的分辨精度，如果在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個(gè)光電元件，每隔1/4光柵柵距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，一個(gè)脈沖代表移動(dòng)了1/4柵距那么大位移，分辨精度可提高四倍，這就是四倍頻方案。314.1、位置檢測(cè)及位置控制4．直線光柵檢測(cè)裝置的細(xì)分4.1.3光柵

四倍頻方案32

圖中的P1、P2、P3、P4是四塊硅光電池，產(chǎn)生的信號(hào)相位彼此相差90o。P1、P3信號(hào)是相位差180o的兩個(gè)信號(hào)，接差動(dòng)放大器放大，得正弦信號(hào)。同理，P2、P4信號(hào)送另一個(gè)差動(dòng)放大器，得到余弦信號(hào)。正弦和余弦信號(hào)經(jīng)整形變成方波A和B，為使每隔1/4節(jié)距都有脈沖，把A、B各自反向一次得C、D信號(hào)，A、B、C、D信號(hào)再經(jīng)微分變成窄脈沖A′、B′、C′、D′，即在正走或反走時(shí)每個(gè)方波的上升沿產(chǎn)生窄脈沖，由與門(mén)電路把0o、90o、180o、270o四個(gè)位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來(lái)，根據(jù)不同的移動(dòng)方向形成正向或反向脈沖。正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，用與門(mén)Y1~Y4及或門(mén)H1，得到A′B+AD′+C′D+B′C的四個(gè)輸出脈沖；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，用與門(mén)Y5~Y8及或門(mén)H2，得到BC′+CD′+A′D+AB′的四個(gè)輸出脈沖，其波形見(jiàn)圖。334.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.3光柵

4．直線光柵檢測(cè)裝置的細(xì)分若光柵柵距0.01mm，則工作臺(tái)每移動(dòng)0.0025mm，就會(huì)送出一個(gè)脈沖，即分辨率為0.0025mm。由此可見(jiàn)，光柵檢測(cè)系統(tǒng)的分辨力不僅取決于光柵尺的柵距，還取決于鑒向倍頻的倍數(shù)。除四倍頻以外，還有十倍頻、二十倍頻等。四倍頻344.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.4

旋轉(zhuǎn)變壓器

1．旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

54318762

旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意

1-轉(zhuǎn)軸2-軸承3-機(jī)殼4-轉(zhuǎn)子鐵心5-定子鐵心

6-端蓋7-電刷8-集電環(huán)

354.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.4

旋轉(zhuǎn)變壓器

1．旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角度測(cè)量元件，在結(jié)構(gòu)上與兩相繞線式異步小型交流電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)電磁互感原理工作的，它在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造上保證了定子與轉(zhuǎn)子之間空氣間隙內(nèi)磁通分布呈正弦規(guī)律。其中定子繞組作為變壓器的一次側(cè)，為變壓器的原邊，接受勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁頻率通常用400Hz、500Hz、3000Hz及5000Hz。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的二次側(cè)，是變壓器的副邊。當(dāng)定子繞組加上交流勵(lì)磁電壓時(shí)，通過(guò)電磁耦合在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組軸線在空間的相對(duì)位置，兩者平行時(shí)互感最大，二次側(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也最大；兩者垂直時(shí)互感的電感量為零，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為零。364.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.4

旋轉(zhuǎn)變壓器

1．旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器分為單極和多極形式，單極工作如下圖:374.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.4

旋轉(zhuǎn)變壓器

1．旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理單極型旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對(duì)磁極，假設(shè)加到定子繞組的勵(lì)磁電壓為u1＝Umsinωt，則轉(zhuǎn)子通過(guò)電磁耦合，產(chǎn)生感應(yīng)電壓u2。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到使它的繞組磁軸和定子繞組磁軸垂直時(shí)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電壓u2＝0；當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組的磁軸自垂直位置轉(zhuǎn)過(guò)一定角度θ時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為：u2＝ku1sinθ＝kUmsinωtsinθ

式中k＝ω1/ω2—旋轉(zhuǎn)變壓器的電壓比；ω1、ω2—定子、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)；Um—最大瞬時(shí)電壓；θ—兩繞組軸線間夾角。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90°（即θ＝90°），兩磁軸平行，此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電壓最大，即：u2＝kUmsinωt

384.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.4

旋轉(zhuǎn)變壓器

1．旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

實(shí)際使用時(shí)通常采用多極形式，如正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子均由兩個(gè)匝數(shù)相等，軸線相互垂直的繞組構(gòu)成，如右圖所示。一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組作為輸出信號(hào)，另一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組接高阻抗作為補(bǔ)償。若將定子中的一個(gè)繞組短接而另一個(gè)繞組通以單相交流電壓u1＝Umsinωt，則在轉(zhuǎn)子的兩個(gè)繞組中得到的輸出感應(yīng)電壓分別為：u2s＝ku1cosθ＝kUmsinωtcosθu2c＝ku1sinθ＝kUmsinωtsinθ

由于兩個(gè)繞組中的感應(yīng)電壓恰恰是關(guān)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ的正弦和余弦的函數(shù)，我們稱(chēng)之為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。394.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.4

旋轉(zhuǎn)變壓器

2．旋轉(zhuǎn)變壓器工作方式旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測(cè)裝置，有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來(lái)檢測(cè)位移量；鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來(lái)檢測(cè)位移量。404.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.4

旋轉(zhuǎn)變壓器

2．旋轉(zhuǎn)變壓器工作方式

（1）鑒相工作方式。

給定子的兩個(gè)繞組分別通以同幅、同頻但相位相差π/2的交流勵(lì)磁電壓，即：u1s＝Umsinωtu1c＝Umcosωt

這兩個(gè)勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中都產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，并疊加在一起，因而轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電壓應(yīng)為這兩個(gè)電壓的代數(shù)和：u2

＝u1scosθ+u1csinθ＝kUmsinωt

cosθ+kUmcosωt

sinθ＝kUmsin（ωt+θ）

u2u1su1c414.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.4

旋轉(zhuǎn)變壓器

2．旋轉(zhuǎn)變壓器工作方式

（1）鑒相工作方式。u2

＝kUmsin（ωt+θ）

由上式可以看出，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣，我們只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子是和被測(cè)軸聯(lián)接在一起的，故被測(cè)軸的角位移也就測(cè)到了。u2u1su1c424.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.4

旋轉(zhuǎn)變壓器

2．旋轉(zhuǎn)變壓器工作方式

（2）鑒幅工作方式。

給定子的兩個(gè)繞組分別通以同頻率、同相位但幅值不同的交流勵(lì)磁電壓，即：u1s＝Usmsinωtu1c＝Ucmsinωt

其幅值分別為正、余弦函數(shù)：usm＝Umsinφ

ucm＝Umcosφ

則定子上的疊加感應(yīng)電壓為：u2＝u1scosθ+u1csinθ＝-kUmsinαsinωt

cosθ+kUmcosαsinωt

sinθ＝kUmsin（θ-φ）sinωt

u2u1su1c434.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.4

旋轉(zhuǎn)變壓器

2．旋轉(zhuǎn)變壓器工作方式

（2）鑒幅工作方式。

u2＝kUmsin（θ-φ）sinωt

由上式可以看出，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角θ而變化，測(cè)量出幅值即可求得轉(zhuǎn)角θ。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)子誤差電壓的大小，不斷修改勵(lì)磁信號(hào)中φ角（即勵(lì)磁幅值），使其跟蹤θ的變化。u2u1su1c444.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.5

感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器是由旋轉(zhuǎn)變壓器演變來(lái)的，它是利用兩個(gè)平面形印刷繞組，其間保持均勻氣隙（0.25mm±0.05mm），相對(duì)平行移動(dòng)時(shí)，根據(jù)交變磁場(chǎng)互感原理而工作的。實(shí)質(zhì)上，感應(yīng)同步器是多極旋轉(zhuǎn)變壓器的展開(kāi)形式，兩者工作原理基本上相同。454.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.5

感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器分兩種：測(cè)量直線位移的稱(chēng)為直線型感應(yīng)同步器；測(cè)量角位移的稱(chēng)為圓型感應(yīng)同步器。直線型感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成；圓型感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。

464.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.5

感應(yīng)同步器

sincos節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距（0.5mm）定尺滑尺定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應(yīng)繞組，滑尺有兩組繞組，一組為正弦繞組，另一為余弦繞組。兩者在空間錯(cuò)開(kāi)1/4定尺節(jié)距（電角度錯(cuò)開(kāi)90°）。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。標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步器定尺250mm，滑尺長(zhǎng)100mm，節(jié)距為2mm。474.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.5

感應(yīng)同步器

直線型感應(yīng)同步器的工作原理定尺和滑尺繞組的節(jié)距相同即W＝2τ（一般為2mm）。若滑尺繞組加勵(lì)磁電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在定尺繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電壓.484.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.5

感應(yīng)同步器

1.直線型感應(yīng)同步器的工作原理

當(dāng)滑尺任意一繞組加交流激磁電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用，在定尺繞組中必然產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓取決于滑尺和定尺的相對(duì)位置。若定尺和滑尺的繞組（只一個(gè)繞組勵(lì)磁）相重合時(shí)，如圖中的A點(diǎn)，這時(shí)感應(yīng)電勢(shì)最大；當(dāng)滑尺相對(duì)定尺作平行移動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)就慢慢減小，在剛好移動(dòng)1/4節(jié)距的位置時(shí)，即移到B點(diǎn)位置，感應(yīng)電勢(shì)為零。如果再繼續(xù)移動(dòng)到1/2節(jié)距，即到C點(diǎn)位置，得到的感應(yīng)電勢(shì)值與A點(diǎn)位置相同。但極性相反。其后，移到3/4節(jié)距，即D點(diǎn)位置，感應(yīng)電勢(shì)又變?yōu)榱恪＿@樣，滑尺在移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過(guò)程中，感應(yīng)電勢(shì)（按余弦波形）變化了一個(gè)周期。494.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.5

感應(yīng)同步器

1.直線型感應(yīng)同步器的工作原理

若勵(lì)磁電壓為：

則在定尺繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e為：式中Um——?jiǎng)?lì)磁電壓幅值（V）；ω——?jiǎng)?lì)磁電壓角頻率（rad/s）；

k——比例常數(shù)，值與繞組間最大互感系數(shù)有關(guān)；θ——滑尺相對(duì)定尺在空間的相位角。

504.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.5

感應(yīng)同步器

1.直線型感應(yīng)同步器的工作原理

滑尺與定尺相對(duì)位移量x的求取：∵2τ:2π=x:θ∴x=τθ

／π結(jié)論：相對(duì)位移量x與相位角θ呈線性關(guān)系，只要能測(cè)出相位角θ，就可求得位移量x。514.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.5

感應(yīng)同步器

2.感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的處理方式根據(jù)滑尺正、余旋繞組上激磁電壓Us、Uc供電方式的不同可構(gòu)成不同檢測(cè)系統(tǒng)——鑒相型系統(tǒng)和鑒幅型系統(tǒng)。524.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.5

感應(yīng)同步器

2.感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的處理方式(1)鑒相方式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來(lái)檢測(cè)位移量的一種工作方式。在滑尺上的正弦、余弦勵(lì)磁繞組上供給同頻率、同幅值、相位相差90°的交流電壓，即：Us和Uc單獨(dú)勵(lì)磁，在定尺繞組上感應(yīng)電勢(shì)分別為：根據(jù)疊加原理，定尺繞組上總輸出感應(yīng)電勢(shì)e為：534.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.5

感應(yīng)同步器

2.感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的處理方式(1)鑒相方式由上式可知，通過(guò)鑒別定尺輸出的感應(yīng)電勢(shì)的相位，就可測(cè)量定尺和滑尺之間的相對(duì)位置。例如定尺輸出感應(yīng)電勢(shì)與滑尺勵(lì)磁電壓之間相位差為3.6°，在W＝2mm的情況下：x＝（3.6°／360°）×2mm＝0.02mm它表明滑尺相對(duì)定尺節(jié)距為零的位置移動(dòng)了0.02mm。544.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.5

感應(yīng)同步器

2.感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的處理方式(2)鑒幅方式是根據(jù)定尺輸出的感應(yīng)電勢(shì)的振幅變化來(lái)檢測(cè)位移量的一種工作方式。在滑尺的正弦、余弦繞組上供給同頻率、同相位，但不同幅值的勵(lì)磁電壓，即：同理，兩電壓分別勵(lì)磁時(shí)，在定尺繞組上產(chǎn)生的輸出感應(yīng)電勢(shì)分別為：式中φ——?jiǎng)?lì)磁電壓的給定相位角。根據(jù)疊加原理，定尺上輸出總感應(yīng)電勢(shì)為:554.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.5

感應(yīng)同步器

2.感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的處理方式(2)鑒幅方式若原始狀態(tài)φ＝θ，則e＝0。然后滑尺相對(duì)定尺有一位移，使θ＝θ+Δθ，則感應(yīng)電勢(shì)的增量為：由此可知，在Δx較小的情況下，Δe與Δx成正比，也就是鑒別Δe的幅值，即能測(cè)量Δx大小。當(dāng)Δx較大時(shí)，通過(guò)改變?chǔ)?/p>

，使φ

＝θ，則Δe＝0，根據(jù)φ可以確定θ，從而測(cè)量位移量Δx。

564.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.6

位置控制系統(tǒng)：

一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。位置調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)電流反饋速度反饋位置反饋MG嚴(yán)格來(lái)說(shuō)：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。574.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.6

位置控制系統(tǒng)：

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的框圖

584.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.6

位置控制系統(tǒng)：

位置控制環(huán)和速度控制環(huán)是緊密相連的。速度控制環(huán)的給定值來(lái)自位置控制環(huán)。位置控制環(huán)的輸入一方面來(lái)自輪廓插補(bǔ)運(yùn)算，另一方面來(lái)自位置檢測(cè)反饋裝置。

根據(jù)位置環(huán)比較的方式不同，可將閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)分為數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)。594.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.6

位置控制系統(tǒng)：

1.數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)

數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，常采用光電編碼器、光柵作位置檢測(cè)裝置，以半閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成的數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)用的較為普遍。

數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)是：指令位置信號(hào)與位置檢測(cè)裝置的反饋信號(hào)在位置控制單元中，是以脈沖、數(shù)字的形式進(jìn)行比較的。比較后得到的位置偏差經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換（全數(shù)字伺服系統(tǒng)不經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換），發(fā)送給速度控制單元。半閉環(huán)數(shù)字比較系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

604.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.6

位置控制系統(tǒng)：

1.數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)

數(shù)字脈沖比較電路的基本組成有兩個(gè)部分：一是脈沖分離，二是可逆計(jì)數(shù)器。應(yīng)用可逆計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)脈沖比較的基本要求是：當(dāng)輸入指令脈沖為正F+或負(fù)Pf-時(shí),可逆計(jì)數(shù)器作加法計(jì)數(shù)器；當(dāng)指令脈沖為負(fù)F-或反饋脈沖為正Pf+時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器作減法計(jì)數(shù)。數(shù)字脈沖比較環(huán)節(jié)基本組成614.1、位置檢測(cè)及位置控制4.1.6

位置控制系統(tǒng)：

1.數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)

如果兩路脈沖同時(shí)進(jìn)入計(jì)數(shù)脈沖輸入端，則計(jì)數(shù)器的內(nèi)部操作可能會(huì)因脈沖的“競(jìng)爭(zhēng)”而產(chǎn)生