數(shù)控技術第六章數(shù)控機床的伺服驅動系統(tǒng).ppt

第 6 章 數(shù)控機床的伺服驅動系統(tǒng),機械電子工程系 機械設計制造及其自動化教研室 李德儉 副教授,白城師范學院機電系機自教研室,2,目 錄,第一節(jié) 概 述,第三節(jié) 數(shù)控機床的位置檢測裝置,第四節(jié) 直流電動機伺服系統(tǒng),復習題,第二節(jié) 步進電動機伺服系統(tǒng),第五節(jié) 交流電動機伺服系統(tǒng),白城師范學院機電系機自教研室,3,第一節(jié) 概 述,一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的概念及組成 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是指以數(shù)控機床移動部件的位置和速度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進給指令信號，經(jīng)變換、調節(jié)和放大后驅動執(zhí)行件，轉化為直線或旋轉運動。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、伺服機構或伺服單元。 該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結構復雜，綜合性強。,白城師范學院機電系機自教研室,4,伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分。伺服系統(tǒng)位于數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)與機床主體之間，伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計算機)和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)。 伺服系統(tǒng)的作用示意圖見下圖。,伺服系統(tǒng),機床,CNC系統(tǒng),指令,動作,脈沖頻率 脈沖數(shù)量,速度 位置,伺服系統(tǒng)的作用示意圖,白城師范學院機電系機自教研室,5,伺服系統(tǒng)結構圖,白城師范學院機電系機自教研室,6,伺服系統(tǒng)的主要功能就是從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電控信號（5V左右，mA級），放大成強電的驅動信號（幾十、上百伏、安培級），用以驅動伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件伺服電動機，將電控信號的變化，轉換成電動機輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機床主體部件（如工作臺、主軸或刀具進給等）運動，實現(xiàn)對機床主體運動的速度控制和位置控制，達到加工出所需工件的外形和尺寸的最終目標。,白城師范學院機電系機自教研室,7,伺服系統(tǒng)的組成 組成：伺服電機 驅動信號控制轉換電路 電子電力驅動放大模塊 位置調節(jié)單元 速度調節(jié)單元 電流調節(jié)單元 檢測裝置 一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結構：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。,白城師范學院機電系機自教研室,8,位置、速度和電流環(huán)均由：調節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅動裝置由驅動信號產(chǎn)生電路和功率放大器組成。 嚴格來說：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。,伺服系統(tǒng)的組成,白城師范學院機電系機自教研室,9, 精度高 穩(wěn)定性好 快速響應好 調速范圍寬 低速大轉矩,調速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉速和最低轉速之比。024m / min。 為適應不同的加工條件，例如加工零件的材料、尺寸、部位以及刀具的種類和冷卻方式等不同，數(shù)控機床的進給速度需要在很寬的范圍內(nèi)無級變化。這就要求伺服電機要有很寬的調速范圍和優(yōu)異的調速特性。一般數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的調速范圍都在030m/min，高的可達240 m/min。,伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。 為了保證數(shù)控機床的加工精度，除了要求數(shù)控系統(tǒng)精度和機床機械精度有足夠高以外，還要求具有足夠高的伺服系統(tǒng)定位精度和進給跟蹤精度，并且還起著主要作用。一般要求定位精度為0.010.001mm；而高檔設備的定位精度還應在0.1m以內(nèi)。,快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。 為了保證輪廓切削形狀精度和加工表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)除了要有較高的定位精度外，還要有良好的快速響應特性，也就是要求伺服電動機起、停的升降速過程要短，要有較高的加速度。電動機轉速從0升至1500r/min的時間控制在0.2s以內(nèi)。,由于機床在低速切削時，切深和進給都比較大，也就是說吃刀抗力較大，這就要求主軸電動機輸出的轉矩也應該較大?，F(xiàn)代數(shù)控機床的伺服電動機通常都是與絲杠直接相連，中間沒有減速齒輪，這就要求進給電動機能輸出較大的轉矩。 進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉矩；主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉矩控制，能提供較大轉矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。,穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。 要求伺服系統(tǒng)有較高的可靠性、穩(wěn)定性，并且受電源、環(huán)境、負載等的影響要小。還要具有足夠的傳動剛性和速度穩(wěn)定性。也就是說伺服系統(tǒng)在負載或切削條件發(fā)生變化時，應使進給速度保持恒定。剛性良好的系統(tǒng)，負載力矩的變化對進給速度的影響很小。,二、伺服系統(tǒng)應具有的基本性能,白城師范學院機電系機自教研室,10,對伺服電機的要求： （1）調運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn),無爬行現(xiàn)象。 （2）電機應具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。 （3）反應速度快，電機必須具有較小的轉動慣量、較大的轉矩、盡可能小的機電時間常數(shù)和很大的加速度(400rad/s2以上)。 （4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉。,三、位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的主要技術指標 位置控制系統(tǒng)是保證位置精度的重要環(huán)節(jié)。 速度控制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電動機、速度檢測裝置等構成。速度控制系統(tǒng)的核心是速度控制單元，用來控制電動機轉速。 一般的位置控制包括位置環(huán)和速度環(huán)，具有位置控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)才是真正的伺服系統(tǒng)。 兩者的共同之處是通過系統(tǒng)的執(zhí)行元件直接或通過機械傳動裝置間接帶動被控制對象，完成給定控制規(guī)律要求的動作。不同之處可以用位移與速度之間的關系來理解。,白城師范學院機電系機自教研室,11,（一）位置控制系統(tǒng)的主要技術指標 1.系統(tǒng)靜態(tài)誤差。 2.速度誤差和正弦跟蹤誤差。 3.速度品質因數(shù)和加速度品質因數(shù)。 4.最大跟蹤角速度、最低平滑角速度、最大角加速度。 5.振幅指標和頻帶寬度。 6.系統(tǒng)對階躍信號輸入的響應特性。 7.等速跟蹤狀態(tài)下，負載擾動所造成的瞬時誤差和過渡過程時間。 8.對系統(tǒng)工作制、平均無故障時間（MTBF）、可靠性、使用壽命的要求。,白城師范學院機電系機自教研室,12,（二）速度控制系統(tǒng)的主要技術要求 1.被控對象的最高運行速度 2.最低平滑速度。 3.速度調節(jié)的連續(xù)性和平滑性要求。 4.靜差率或轉速降。 5.對階躍信號輸入下系統(tǒng)的響應特性。 6.負載擾動下的系統(tǒng)響應特性。 7.對系統(tǒng)工作制、平均無故障工作時間、可靠性以及使用壽命等要求。,白城師范學院機電系機自教研室,13,白城師范學院機電系機自教研室,14,四、伺服系統(tǒng)的分類 1按調節(jié)理論分類 （1）開環(huán)伺服系統(tǒng) （2）閉環(huán)伺服系統(tǒng) （3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng),白城師范學院機電系機自教研室,15,開環(huán)數(shù)控系統(tǒng),無位置反饋（測量），信號流是單向的（數(shù)控裝置進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。但精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅動系統(tǒng)和機械傳動機構的性能和精度。,開環(huán)系統(tǒng)通常使用步進電動機。 在開環(huán)系統(tǒng)中，插補脈沖經(jīng)功率放大后直接控制步進電動機，由輸出脈沖的頻率來控制步進電動機的速度，由輸出脈沖的數(shù)量來控制工作臺的位置。其定位精度一般為0.010.005mm。,這類系統(tǒng)具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。,白城師范學院機電系機自教研室,16,半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng),半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置， 而是由位置檢測元件間接測量工作臺的位置。由位置反饋信號來調節(jié)伺服電動機的速度。,半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。,由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。,半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應用。,白城師范學院機電系機自教研室,17,全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng),閉環(huán)系統(tǒng)通常使用直流伺服電動機或交流伺服電動機。,全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。,在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，由速度檢測元件來測量電動機的速度，由位置檢測元件來測量工作臺的位置，由速度和位置反饋信號來調節(jié)伺服電動機的速度和工作臺的位置。因此從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。其定位精度一般為0.0010.003mm。,由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調試都相當困難。,該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。,白城師范學院機電系機自教研室,18,2按使用的驅動元件分類 （1）電液伺服系統(tǒng) （2）電氣伺服系統(tǒng) 3按被控對象分類 （1）進給伺服系統(tǒng) （2）主軸伺服系統(tǒng) 4按反饋比較控制方式分類 （1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng) （2）相位比較伺服系統(tǒng) （3）幅值比較伺服系統(tǒng) （4）全數(shù)字伺服系統(tǒng),第二節(jié) 步進電動機伺服系統(tǒng),步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移的電磁機械裝置。由于所用的電源是脈沖電源，所以又稱為脈沖馬達。步進電機用于與控制脈沖組成的開環(huán)系統(tǒng)中。 步進電機是一種特殊的電動機，一般電動機通電后連續(xù)旋轉，但步進電動機卻是跟隨輸入脈沖按節(jié)拍一步一步地轉動。 步進電動機的轉動，是由電動機繞組的脈沖電流控制的，也就是說由指令脈沖決定的。,白城師范學院機電系機自教研室,19,白城師范學院機電系機自教研室,20,指令脈沖數(shù)決定它的轉動步數(shù)，即角位移的大小，對步進電動機施加一個電脈沖信號時，步進電動機就旋轉一個固定的角度，稱為一步，每一步所轉過的角度稱為步距角；指令脈沖頻率決定它的轉動速度。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進電動機的旋轉速度在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調節(jié)。改變繞組的通電順序，就可以改變它的旋轉方向。在無脈沖輸入時，在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉子保持原有位置而處于定位狀態(tài)。,白城師范學院機電系機自教研室,21,一、步進電機的分類、結構和工作原理 1.步進電機的分類 按力矩產(chǎn)生的原理分： 磁阻式（反應式）、感應子式和永磁式。 按輸出力矩大小分： 功率式和伺服式。 按結構分： 徑向式（單段式）、軸向式 （多段）和印刷繞組式。 按相數(shù)分： 三相、四相、五相、六相等。,2.步進電動機的結構 目前，我國使用的步進電機多為反應式步進電機。下圖是一典型的單定子、徑向分相、反應式伺服步進電機的結構原理圖。它與普通電機一樣，也是由定子和轉子構成，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。 在定子的每個磁極上面向 轉子的部分，均勻分布著 5 個小齒，齒槽等寬，齒 間夾角為9度。 轉子上沒有繞組，只有均 勻分布的40個齒，其大小 和間距與定子上的完全相同。并與之相差1/3齒距。,白城師范學院機電系機自教研室,22,白城師范學院機電系機自教研室,23,3步進電動機工作原理 步進電機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理?，F(xiàn)以三相反應式步進電動機為例說明。,若按A-B-C-A通電相序連續(xù)通電，則步進電機就連續(xù)地沿逆時針方向旋轉，每換接一次通電相序，步進電機沿逆時針方向轉過30，即步距角為30。反之則為順時針方向旋轉。,圖6-4 反應式步進電機工作原理,當A相通電時，電動機鐵芯AA方向產(chǎn)一磁通，在磁拉力作用下，轉子1、3齒與A相磁極對齊。2、4兩齒與B、C兩磁極相對錯開30,當B相通電時，電動機鐵芯BB方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉子沿逆時針方向旋轉30，轉子2、4齒與B相磁極對齊。1、3兩齒與A、C兩磁極相對錯開30。,當C相通電時，電動機鐵芯CC方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉子沒逆時針方向旋轉，轉子1、3齒與C相磁極對齊。2、4兩齒與A、B兩磁極相對錯開30。,白城師范學院機電系機自教研室,24,三相單三拍：(正轉) A, B, C,(反轉) ACBA,A,白城師范學院機電系機自教研室,25,三相雙三拍：(正轉) AB,AB,CA,BC,(反轉) ACCBBAAC,白城師范學院機電系機自教研室,26,請看原理動畫。, AB, B, BC, C, CA, A,(反轉) A AC C CB B BA A,三相六拍：(正轉) A,白城師范學院機電系機自教研室,27,m相步進電機通電方式 m相單m拍： 例 ABC D EA m相雙m拍： 例 ABBCCD DEEA AB 或 ABCBCDCDE DEAEAB ABC m相2m拍： 例 A AB B BC C CD D DEE EA A 或 AB ABC BC BCD CD CDE DE DEAEA EAB AB,白城師范學院機電系機自教研室,28,三種通電方式的特點： 單m拍： 每次一相通電,切換瞬間失去自鎖力矩易失步,在平衡位置易振蕩。 雙m拍： 每次同時有二相通電,切換瞬間仍有一相保持通電,運行穩(wěn)定。 2m拍： 步距角小一半，切換瞬間仍有一相保持通電，運行穩(wěn)定。,白城師范學院機電系機自教研室,29,二、步進電機的主要特性 步進電機輸出的角位移量與輸入的指令脈沖數(shù)成正比，在時間上與輸入的脈沖同步；而步進電機的轉速與指令脈沖頻率成正比。 在步進電機負載能力允許的 情況下，這種線性關系不會 因為負載的變化等因素而變 化，所以可以在較寬的范圍 內(nèi)，通過對指令脈沖頻率和 數(shù)量的控制，實現(xiàn)對機床運 動速度和位置的控制。,白城師范學院機電系機自教研室,30,（1）步距角和靜態(tài)步距誤差 步進電機的步距角是反映步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉子轉過的角度。它取決于電機結構和控制方式。步距角可由下式計算： =360/mzk 式中：m是定子勵磁繞組數(shù)；Z是轉子的齒數(shù)；k是控制方式確定的拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)。按通電方式的不同分別為：2m拍 k =2 ，其它 k =1。 若步進電動機通電的脈沖頻率為f，則步進電動機的轉速為 在一轉內(nèi)各步距誤差的最大值，被定為步距誤差。它的大小是由制造精度等因素決定的。,（2）矩角特性、最大靜態(tài)轉矩和起動轉矩 矩角特性是步進電機的一個重要特性，它是指步進電機產(chǎn)生的靜態(tài)轉矩與失調角的變化規(guī)律。 空載時，若步進電機某相繞組通電，根據(jù)步進電機的工作原理，電磁轉矩會使得轉子齒槽與該相定子齒槽相對齊，這時，轉子上沒有轉矩輸出。如果在電機軸上加一逆時針方向的負載轉矩M，則步進電機轉子就要逆時針方向轉過一個角度才能重新穩(wěn)定下來，這時轉子上受到的電磁轉矩Mj和負載轉矩M相等。我們稱Mj為靜態(tài)轉矩，為失調角。不斷改變M值，就得到Mj與的函數(shù)曲線，如圖所示。我們稱Mj=f（）曲線為轉矩-失調角特性曲線，或稱為矩角特性。,白城師范學院機電系機自教研室,31,圖中A，B，C三相的矩角特性曲線在相位上互差1/3周期。曲線上峰值所對應的轉矩叫做最大靜態(tài)轉矩，用Mjmax表示，它表示步進電機承受負載的能力。其值愈大，自鎖轉矩愈大，靜態(tài)誤差愈小。換句話說，最大靜態(tài)轉矩Mjmax愈大，電機帶負載的能力愈強，運行的快速性和穩(wěn)定性愈好。,白城師范學院機電系機自教研室,32,曲線A和B的交點所對應的力矩Mq是電機運行狀態(tài)的最大起動轉矩。當負載力矩Mf小于Mq時，電機才能正常起動運行，否則，將造成失步，電機也不能正常啟動。,（3）起動頻率fq 空載時，步進電機由靜止突然起動，并進入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為起動頻率或突跳頻率。若起動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能正常起動?？蛰d起動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。 （4）連續(xù)運行的最高工作頻率fmxa 步進電機連續(xù)運行時，它所能接受的，即保證不丟步運行的極限頻率fmxa，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進電機的最高轉速。,白城師范學院機電系機自教研室,33,（5）矩頻特性與動態(tài)轉矩 矩頻特性Md=F（f）所描述的 是步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸 出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的 關系。如圖所示。該特性曲線 上每一頻率 f 所對應的轉矩為 動態(tài)轉矩Md。可見動態(tài)轉矩的 基本趨勢是隨連續(xù)運行頻率的增大而降低。 （6）加減速特性 步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關系。,白城師范學院機電系機自教研室,34,白城師范學院機電系機自教研室,35,步進電動機控制框圖,四、步進電動機的控制方法 步進電動機的驅動電源是專用的，是由環(huán)形分配器和功率放大器組成的。,三、三相反應式步進電動機的特點 不受各種干擾因素的影響 誤差不會長期積累 控制簡單,CNC,自動升降速,環(huán)形分配器,功率放大器,電動機繞組,-向,+向,如電壓、電流、溫度等，只要沒有引起反應式步進電機產(chǎn)生失步，就都不會影響步距角。,雖然反應式步進電機存在著步距誤差，但每轉一周的積累誤差為零，所以步距誤差不會長期積累。,步進電機既是驅動元件，又是將脈沖變?yōu)榻俏灰频淖儞Q元件，所以省去了位置檢測元件及其相應的線路。,環(huán)形分配器 環(huán)形分配器的功能是把來自CNC的脈沖信號按一定的規(guī)律分配給各相功率放大器，來驅動相應的勵磁繞組，進而實現(xiàn)步進電動機按規(guī)定的方式進行工作。 脈沖分配有兩種方式： 一種是由專門的硬件脈沖分配器來完成的硬件脈沖分配： 硬件脈沖分配器是由門電路及邏輯電路構成的，它提供符合步進電動機控制指令所需要的順序脈沖。,白城師范學院機電系機自教研室,36,白城師范學院機電系機自教研室,37,特點：需要專用硬件資源，運行效率高。,另一種是由計算機的軟件來完成的軟件脈沖分配： 軟件脈沖分配是用軟件來實現(xiàn)脈沖分配的。它是預先將邏輯序列按地址的順序存入到ROM當中。在工作時，就根據(jù)計算的指令步數(shù)求出每一步相應的地址，從ROM中取出該節(jié)拍的控制信息，由I/O接口送入功率放大器。根據(jù)指令的步數(shù)循環(huán)執(zhí)行這一序列表，步進電動機就按設定的節(jié)拍連續(xù)運行。,白城師范學院機電系機自教研室,38,白城師范學院機電系機自教研室,39,特點：節(jié)省了環(huán)分器硬件，但軟件運行效率低，用于速度要求不高處,五、步進電機伺服系統(tǒng)的功率驅動 在實際的控制過程當中，環(huán)形分配器的輸出信號很小，而步進電動機的繞組電流又很大。所以需要進行功率放大。過去采用單電壓驅動電路，后來采用高低壓驅動電路，現(xiàn)在則比較多的采用了恒流斬波、調頻調壓和細分驅動電路等形式的驅動電路。,白城師范學院機電系機自教研室,40,提速（限流）電阻Rc：改變時間常數(shù)，提高響應速度 續(xù)流二極管D：用于功率晶體管的過電壓保護 特點：結構簡單、效率低、能耗高，發(fā)熱大、工作穩(wěn)定性差。 應用：小功率步進電機驅動,白城師范學院機電系機自教研室,41,1.單電壓功率放大電路,42,2. 雙電壓驅動電路 這種驅動電路供給步進電動機繞組的電壓有兩種：一種是低電壓U2，一般為12V或24V；另一種是高電壓U1，電壓為80V以上。見圖。,在相序輸入信號IN、IL到來時，VT1、VT2同時導通，給繞組加上高壓U1，以提高繞組中電流上升率，當電流達到規(guī)定值時， VT1關斷、 VT2仍然導通（tN的脈寬小于tL），則自動切換到低壓U2,該電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍內(nèi)有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)定的平均轉距，其缺點是電流波形有谷點，波形如圖。,43, 斬波驅動電路 由于雙電壓驅動電路存在著電流在高低壓連接處出現(xiàn)谷點，造成高頻輸出轉矩在谷點下降。為了使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近，提高步進電動機的轉矩和效率，所以需要采用斬波驅動電路。原理見圖。,輸入信號若為正脈沖，則VT1、VT2同時導通，由于U1電壓較高，繞組回路中又沒串電阻，所以繞組中電流迅速上升，當電流達到規(guī)定值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經(jīng)整形、放大后送至VT1基極，使VT1截止。接著繞組由U2供電，繞組中電流迅速下降，但剛降到額定值以下時，由于采樣電阻Re的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使VT1導通，電流又上升。,如此反復進行，形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流，其電流波形如圖。,44,六、步進電機的細分驅動技術 把額定電流分成n個極分別進行通電，轉子就會以n個通電極別所決定的步數(shù)來完成原有一個步距角所轉過的角度，使原來的每個脈沖走過一個步距角，變成了每個脈沖走1/n個步距角，即把原來一個步距角細分成n份，從而提高了步進電機的精度。 三相步進電動機線性細分后，原來一相的一個大脈沖由現(xiàn)在的n個階梯脈沖所代替。 通過細分驅動可得到更小的脈沖當量，因而提高了定位精度?；旧舷瞬竭M電機的低速振動問題，使步進電機低速運轉平穩(wěn)，沒有噪聲。 請看原理動畫2。,第三節(jié) 數(shù)控機床的位置檢測裝置,組成：位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成的。 作用：閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)為反饋控制的隨動系統(tǒng)，它的輸出量是機械位移、速度或加速度，利用這些量的反饋實現(xiàn)精確的位移、速度控制目的。數(shù)控系統(tǒng)的檢測裝置（即傳感器）起著測量和反饋兩個作用，它發(fā)出的信號傳送給數(shù)控裝置或專用控制器，構成閉環(huán)控制。從一定意義上看，數(shù)控機床的加工精度和定位精度主要取決于檢測裝置的精度。傳感器能分辨出的最小測量值稱為分辨率。分辨率不僅取決于傳感器本身，也取決于測量線路。,白城師范學院機電系機自教研室,45,數(shù)控機床上使用的檢測裝置應滿足以下要求： 準確性好，滿足精度要求，工作可靠，能長期保持精度。 滿足速度、精度和機床工作行程的要求。 可靠性好，抗干擾性強，適應機床工作環(huán)境的要求。 使用、維護和安裝方便，成本低。 對大型機床以滿足速度為主，對中、小型機床和高精度機床以滿足精度為主。,白城師范學院機電系機自教研室,46,檢測裝置的分類 數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為位移、速度和電流三種類型。 根據(jù)安裝的位置及耦合方式直接測量和間接測量。 按測量方法增量型和絕對型。 按檢測信號的類型模擬式和數(shù)字式。 根據(jù)運動型式 回轉型和直線型。 按信號轉換的原理光電效應、光柵效應、電磁感應原理、壓電效應、壓阻效應和磁阻效應等。,白城師范學院機電系機自教研室,47,白城師范學院機電系機自教研室,48,白城師范學院機電系機自教研室,49,一、旋轉變壓器 旋轉變壓器是一種控制用的微電動機，它將機械轉角變換成與該轉角呈某一函數(shù)關系的電信號。 在結構上與二相線繞式異步電動機相似，由定子和轉子組成。定子繞組為變壓器的一次側，轉子繞組為變壓器的二次側。勵磁電壓接到定子繞組上，其頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz和5000Hz。 旋轉變壓器的結構簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強，但測量精度較低，一般用于精度要求不高或大型機床的粗測及中測系統(tǒng)。,白城師范學院機電系機自教研室,50,1.旋轉變壓器的結構 有電刷集電環(huán)結構和無刷結構。每一類又分為單對極元件、多對極元件（或稱多極元件）。,白城師范學院機電系機自教研室,51,旋轉變壓器結構示意 1-轉軸 2-軸承 3-機殼 4-轉子鐵心 5-定子鐵心 6-端蓋 7-電刷 8-集電環(huán),2.旋轉變壓器的工作原理 旋轉變壓器的工作原理和普通變壓器的基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的一次、二次繞組是相對固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)；而旋轉變壓器的一次、二次繞組之間是隨著轉子的角位移發(fā)生相對位置變化的，因而其輸出電壓的大小也隨之而變化。也就是說當定子繞組加上交流電壓時，轉子繞組輸出電壓的大小取決于定子與轉子兩個繞組磁軸線在空間的相對位置。轉子繞組電壓的頻率與定子繞組的相同，但幅值隨轉子與定子的相對角位移的正弦函數(shù)而變化。所以只要測出轉子的輸出電壓的幅值，就可求出轉子相對定子的角位移,白城師范學院機電系機自教研室,52,。,白城師范學院機電系機自教研室,53,白城師范學院機電系機自教研室,54,當轉子繞組磁軸與定子繞組磁軸垂直時，=0，不產(chǎn)生感應電壓；當兩磁軸平行時，=90，感應電壓最大；當兩磁軸為任意角度時，感應電壓為： 式中： K變壓比(轉子繞組與定子繞組 的匝數(shù)比)， U1勵磁電壓， Um勵磁電壓的幅值， 勵磁電壓的角頻率。,3.旋轉變壓器的應用 旋轉變壓器的工作方式 （1）鑒相工作方式,白城師范學院機電系機自教研室,55,該方式是通過旋轉變壓器轉子繞組輸出電壓 的相位確定被測角位移，即給定子的兩個繞組分別通以同幅、同頻但相位差為90的勵磁電壓，這兩個勵磁電壓在轉子繞組中產(chǎn)生的感應電壓是疊加在一起的。因而轉子中的感應電壓為兩個電壓的代數(shù)和，轉子輸出電壓的相位角和轉子的偏轉角之間有嚴格的對應關系，只要檢測出轉子輸出電壓的相位角，就可以知道轉子的轉角。,白城師范學院機電系機自教研室,56,Vs=Vmsint Vc=Vmcost E2=KV m cos- KV csin =KV m (sintcos- costsin) =KV m sin(t-),（2）鑒幅工作方式,白城師范學院機電系機自教研室,57,該方式是通過旋轉變壓器轉子繞組輸出電壓的幅值確定被測角位移，即給定子的兩個繞組分別通以同相、同頻但幅值不同的交流勵磁電壓，轉子輸出電壓的幅值隨轉子的偏轉角而變化，測量出幅值即可求得轉子轉角值。,白城師范學院機電系機自教研室,58,Vs=Vmsin電sint Vc=Vmcos電sint E2=KV m cos機- KV csin機 =KV m sint(sin電cos機- cos電sin機 =KV m sin(電-機) sint,感應電勢（E2）是以為角頻率、以Vm sin(電 -機 )為幅值的交變電壓信號。若電氣角電已知，只要測出E2 幅值(利用E2 =0)，便可間接的求出機械角機 ，從而得出被測角位移。,二、感應同步器 1.感應同步器的結構和特點 感應同步器是利用電磁耦合原理，將位移或轉角變?yōu)殡娦盘枺枰赃M行位置檢測的反饋控制，在數(shù)控機床上使用極為普遍。 按其用途可分為兩大類：直線感應同步器和圓感應同步器。 前者用于直線位移的測量，后者用于轉角的測量。在結構上，兩者都包括固定和運動兩大部分，對旋轉式分別稱為定子和轉子；對直線式分別稱為定尺和滑尺。,白城師范學院機電系機自教研室,59,感應同步器是一種電磁感應式多極位置傳感元件，由旋轉變壓器演變而來。它的極對數(shù)可以做得很多，一般取360對極、720對極，最多的達2000對極。由于多極結構，在電與磁兩方面對誤差都起補償作用，所以具有很高的精度。感應同步器的勵磁頻率一般取210kHz。 （1）圓感應同步器 它由定子和轉子組成。轉子繞組為連續(xù)繞組；定子上有兩相正交繞組（ sin繞組和 cos 繞組做成分段式，兩相繞組交差分布，相差90電相角。屬于同一相的各相繞組用導線串聯(lián)起來,白城師范學院機電系機自教研室,60,），,。,白城師范學院機電系機自教研室,61,（2）直線式感應同步器,考慮到接長和安裝，通常定尺繞組做成連續(xù)式單相繞組,滑尺上配置斷續(xù)繞組，并且分為正弦勵磁繞組和余弦勵磁繞組，這兩個繞組在空間上錯開90電相角。,白城師范學院機電系機自教研室,62,感應同步器的使用特點 精度高 可拼接成各種需要的長度 對環(huán)境的適應性強 使用壽命長 注意安裝間隙,根據(jù)測量長度的要求，采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔也可以調整，使拼接后總長度的精度保持（或略低于）單塊定尺的精度。尺與尺之間的繞組連接方式有兩種：當定尺少于10塊時，將各繞組串聯(lián)連接，當多于10塊時，先將各繞組分成兩組串聯(lián)，然后將此兩組再并聯(lián)，以不使定尺繞組阻抗過高為原則。,直線式感應同步器金屬基尺與安裝部件的材料的膨脹系數(shù)相近，當環(huán)境溫度變化時，兩者的變化規(guī)律相同，而不影響測量精度。感應同步器為非接觸式電磁耦合器件，可選耐溫性能好的非導磁性材料作保護層，加強了其抗溫防濕的能力，同時在繞組的每個周期內(nèi)，任何時候都可以給出與絕對位置相對應的單值電壓信號，不受環(huán)境干擾的影響。,由于感應同步器是直接對機床位移進行測量，中間不經(jīng)過任何機械轉換裝置，測量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面繞組，采用專門的工藝方法制作精確。再加上它的極對數(shù)多，定尺上的感應電壓信號是多周期的平均效應，從而減少了制造繞組局部誤差的影響，所以測量精度高。目前直線感應同步器的精度可達0.001mm,重復精度0.0002mm,靈敏度0.00005m。直徑為302mm的感應同步器的精度可達0.5,重復精度0.1，靈敏度0.05。,由于感應同步器定尺與滑尺之間不直接接觸，因而沒有磨損，所以壽命長。但是感應同步器大多裝在切屑或切削液容易入侵的部位，所以必須用鋼帶或折罩覆蓋，以免切屑劃傷滑尺與定尺的繞組。,感應同步器安裝時要注意定尺與滑尺之間的間隙，一般在（0.020.25）mm0.05mm以內(nèi)，滑尺在移動過程中，由于晃動所引起的間隙變化也必須控制在0.01mm之內(nèi)。如果間隙過大，必將影響測量信號的靈敏度。,2.感應同步器的工作原理,白城師范學院機電系機自教研室,63,當滑尺上勵磁繞組和定尺上的繞組位置重合時，耦合磁通最大，感應電動勢也最大。,當繼續(xù)平行移動滑尺時，感應電動勢逐漸減小，當移動到1/4節(jié)距位置處，在感應繞組內(nèi)的感應電動勢為零。,繼續(xù)移動到半個節(jié)距處，可得到與初始位置極性相反的最大感應電動勢。,在3/4節(jié)距處，感應電動勢又 變?yōu)榱恪?移動到下一個節(jié)距時，又回到與初始位置完全相同的耦合狀態(tài)，感應電動勢最大。這樣，感應電動勢隨滑尺相對于定尺的移動而呈周期性變化。,白城師范學院機電系機自教研室,64,(1) 鑒相型系統(tǒng) 當在正弦繞組加勵磁電壓Us=Umsint，它在定尺繞組中產(chǎn)生的感應電動勢為： 式中 K耦合系數(shù)， 與位移X對應的角度，定、滑尺相對移動一個節(jié)距P=2，從0變到2，即,白城師范學院機電系機自教研室,65,同理，在余弦繞組加勵磁電壓Uc=Umcost，它在定尺繞組中產(chǎn)生的感應電動勢為： 應用迭加原理，定尺上的感應電動勢為： 下張片子中上面這張圖是鑒相檢測系統(tǒng)方框圖；下面這張圖是脈沖相位變換器方框圖。,白城師范學院機電系機自教研室,66,白城師范學院機電系機自教研室,67,（2）鑒幅式系統(tǒng) 鑒幅式伺服系統(tǒng)原理框圖,進入比較器的信號有兩路，一路來自進給脈沖，它代表了數(shù)控裝置要求機床工作臺移動的位移量。另一路來自測量及信號處理電路，以數(shù)字脈沖形式出現(xiàn)，體現(xiàn)了工作臺實際移動的距離。鑒幅式系統(tǒng)工作之前，數(shù)控裝置和測量元件的信號處理電路都沒有脈沖輸出，比較器的輸出為零，工作臺不移動。,出現(xiàn)進給脈沖信號后，比較器的輸出不為零，經(jīng)數(shù)模轉換電路將比較器輸出的數(shù)字量轉化為電壓信號，經(jīng)放大后，由伺服電機帶動工作臺移動。,同時，工作在鑒幅狀態(tài)的感應同步器的定尺感應出電壓信號，經(jīng)信號處理線路轉換成相應的數(shù)字脈沖信號，該數(shù)字脈沖信號作為反饋信號進入比較器與進給脈沖進行比較。,若兩者相等，比較器輸出為零，工作臺不動；若兩者不相等，說明工作臺實際移動的距離還不等于指令信號要求移動的距離，伺服電機繼續(xù)帶動工作臺移動，直到比較器輸出為零時停止。,三、脈沖編碼器 1.脈沖編碼器的分類和結構 脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器，能把機械轉角變成電脈沖，可作為位置檢測和速度檢測裝置。 脈沖編碼器分為：光電式、接觸式和電磁感應式。從精度和可靠性方面來看，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其他兩種。 脈沖編碼器是一種增量檢測裝置，它的型號是由每轉發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分。數(shù)控機床上常用的有：2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等。,白城師范學院機電系機自教研室,68,這種檢測方式的特點是： 檢測方式是非接觸式的，無摩擦和磨損，驅動力矩??； 由于光電變換性能的提高，可得到較快的響應速度。 其缺點是抗污染能力差，容易損壞。,白城師范學院機電系機自教研室,69,光電脈沖編碼器的結構 1-光源； 2-圓光柵； 3-指示光柵； 4-光電池組； 5-機械部件； 6-護罩；7-印刷電路板,2.光電脈沖編碼器的工作原理,白城師范學院機電系機自教研室,70,兩個光電元件錯開90相位角安裝。當圓盤旋轉一個節(jié)距時，在光源照射下，就在光電元件上得到一個光電波形輸出,A相比B相導前90。若A相導前B相時為正方向旋轉，則B相導前A相時就是負方向旋轉。利用A相與B相的相應關系可以判別編碼器的旋轉方向,A、B信號為具有90相位差的正弦波，這組信號經(jīng)放大器放大與整形，得下圖所示的輸出方波,3. 光電脈沖編碼器的應用 光電脈沖編碼器在數(shù)控機床上，用在數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，作為位置檢測裝置。光電脈沖編碼器將位置檢測信號反饋給CNC裝置有幾種方式： 一是適應帶加減計數(shù)要求的可逆計數(shù)器，形成加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖。 二是適應有計數(shù)控制端和方向控制端的計數(shù)器，形成正走、反走計數(shù)脈沖和方向控制電平。,白城師范學院機電系機自教研室,71,白城師范學院機電系機自教研室,72,應用一： 適應帶加減計數(shù)要求的可逆計數(shù)器，形成加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖。,光電脈沖編碼器的輸出脈沖信號A、A、B、B經(jīng)過差分驅動傳輸進入CNC裝置，仍為A相信號和B相信號。,將A、B信號整形后，變成規(guī)整的方波（電路中a、b點）。,當光電脈沖編碼器正轉時，A相信號超前B相信號，經(jīng)過單穩(wěn)電路變成d點的窄脈沖，與B相比反向后c點的信號e相，由e點輸出正向計數(shù)脈沖。,f點由于在窄脈沖出現(xiàn)時，b點的信號為低電平，所以f點也保持低電平。這時可逆計數(shù)器進行加計數(shù)。,當光電脈沖編碼器反轉時，B相信號超前A相信號，在d點窄脈沖出現(xiàn)時，因為c點是低電平，所以e點保持低電平。,f點輸出窄脈沖，作為反向減計數(shù)脈沖。這時可逆計數(shù)器進行減計數(shù)。這樣就實現(xiàn)了不同旋轉方向時，數(shù)字脈沖由不同通道輸出，分別進入可逆計數(shù)器做進一步的誤差處理工作。,白城師范學院機電系機自教研室,73,應用二： 適應有計數(shù)控制端和方向控制端的計數(shù)器，形成正走、反走計數(shù)脈沖和方向控制電平。,正走時，A脈沖超前B脈沖，B方波和A1窄脈沖進入C“與非門”，A方波和B1窄脈沖進入D“與非門”，則C門和D門分別輸出高電平和負脈沖。,光電脈沖編碼器的輸出脈沖信號A、A、B、B經(jīng)過差分驅動傳輸進入CNC裝置，為A相信號和B相信號，該兩相信號為本電路的輸入脈沖。經(jīng)整形和單穩(wěn)后變成A1、B1窄脈沖。,這兩個信號使由1、2“與非門”組成的“R-S”觸發(fā)器置“0”，（此時，Q端輸出“0”，代表正方向），使3“與非門”輸出正走計數(shù)脈沖。,反走時， B脈沖超前A脈沖，B方波和A1窄脈沖；A方波和B1窄脈沖同樣進入C、 D“與非門”，但由于其信號相位不同，使C門和D門分別輸出負脈沖和高電平。,從而將 “R-S”觸發(fā)器置“1”，（此時，Q端輸出“1”，代表負方向），使3“與非門”輸出反走計數(shù)脈沖。不論正走、反走，與非門3都是計數(shù)脈沖輸出門、 “R-S”觸發(fā)器的Q端輸出方向控制信號。,四、絕對式編碼器 1.絕對式編碼器的種類 絕對式編碼器是一種直接編碼、絕對測量的檢測裝置。與增量脈沖編碼器不同，它是通過讀取絕對編碼盤、編碼尺（通稱為碼盤）的代碼（圖案）信號指示絕對位置。電源切除后，位置信息不丟失，也沒有積累差。 從編碼器使用的計數(shù)制來分類，有二進制編碼、二進制循環(huán)碼（葛萊碼）、余三碼和二一十進制碼等編碼器。 從結構原理來分類，有接觸式、光電式和電磁式等絕對值式編碼器。,白城師范學院機電系機自教研室,74,白城師范學院機電系機自教研室,75,2.結構及工作原理 絕對式編碼器通過讀取編碼盤上的圖案來表示數(shù)值。其結構及工作原理是：,圖中空白的部分透光，用“0”表示，涂黑的部分不透光，用“1”表示。,二進制編碼器的主要缺點是圖案轉移點不明確，將在使用中產(chǎn)生較多的誤差,葛萊編碼盤是改進后的，它的特點是每相鄰十進制數(shù)之間只有一位二進制碼不同。因此，圖案的切換只用一位數(shù)進行。所以能把誤讀控制在一個數(shù)單位之內(nèi)，提高了可靠性,絕對值式編碼器一般都做成二進制編碼，碼盤的圖案由若干同心圓環(huán)（碼道）組成。碼道的數(shù)量與二進制的倍數(shù)相同?？拷鼒A心的碼道代表高倍數(shù)碼，越往外倍數(shù)越低，最外圈是最低位。,五、光柵 光柵用于光譜分析和光波波長的測定，是測量數(shù)控機床工作臺位移的光電檢測元件。 光柵分為物理光柵和計量光柵。 物理光柵刻線細密，用于光譜分析和光波波長的測定。 計量光柵比較而言刻線較粗，但柵距也較小，在0.0040.25mm之間，測量的位置精度非常高，分辨率也很高，達0.1m，主要用在數(shù)字檢測系統(tǒng)。,白城師范學院機電系機自教研室,76,1.光柵的種類 光柵傳感器為動態(tài)測量元件，按運動方式分為長光柵和圓光柵： 長光柵用來測量直線位移； 圓光柵用來測量角度位移。 根據(jù)光線在光柵中的運動路徑分為透射光柵和反射光柵。 一般光柵傳感器都是做成增量式的，也可以做成絕對值式的。 目前光柵傳感器應用在高精度數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中，其精度僅次于激光式測量。在加工中心等高精度數(shù)控機床上應用較廣。,白城師范學院機電系機自教研室,77,白城師范學院機電系機自教研室,78,光柵測量系統(tǒng),光柵是由光源、聚光鏡、主光柵、指示光柵和光敏元件等構成。,主光柵和指示光柵分別安裝在機床的移動部件及固定部件上，兩者相對移動，相互平行，它們之間保持0.05mm或0.1mm的間隙。主光柵和指示光柵的刻線錯開一定的角度，以得到莫爾條紋。,主光柵和指示光柵通稱為光柵尺，它們是在真空鍍膜的玻璃片或長條形金屬鏡面上光刻出均勻密集的線紋。 光柵的線紋相互平行，線紋之間的距離稱為柵距。對于圓光柵，這些線紋是圓心角相等的向心條紋。兩條向心紋線之間的夾角稱為柵距角。柵距和柵距角是光柵的重要參數(shù)。 對于長光柵，金屬反射光柵的線紋密度為2550/mm；玻璃透射光柵為100250/mm對于圓光柵，一周內(nèi)刻有10800條線紋（圓光柵直徑為270mm，360進制）。,白城師范學院機電系機自教研室,79,。,白城師范學院機電系機自教研室,80,光柵的結構 1-防護墊 2-光柵讀數(shù)頭 3-標尺光柵 4-防護罩,光柵讀數(shù)頭 1-光源 2-準直鏡 3-指示光柵 4-光敏元件 5-驅動線路,什么叫莫爾條紋？ 柵距相同的主光柵和指示光柵，刻線面相對的重疊在一起，中間留有適當小的間隙，并且兩者刻線錯開一定的角度，兩塊光柵的刻線就會相交。這樣由于光的干涉效應，就會產(chǎn)生和柵線接近于垂直的明暗相間的條紋，這些條紋就是莫爾條紋。 嚴格地說，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。,白城師范學院機電系機自教研室,81,圖6-25 莫爾條紋,莫爾條紋中相鄰兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的間距,白城師范學院機電系機自教研室,82,莫爾條文寬度B的理論公式,莫爾條紋,莫爾條紋的特征（特點）： （1）莫爾條紋的變化規(guī)律 兩片兩光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋間距。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)與兩光柵相對移過的柵距數(shù)同步。,白城師范學院機電系機自教研室,83,白城師范學院機電系機自教研室,84,（2）放大作用 用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，(rad)為光柵線紋之間的夾角，在兩光柵柵線夾角較小的情況下，如圖6-25所示則有 莫爾條紋寬度W與角成反比， 越小，放大倍數(shù)越大。就不需要經(jīng)過復雜的光學系統(tǒng)，便能將光柵的柵距放大，從而大大減化了電子放大線路。,（3）均化柵距誤差作用 莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣柵距之間的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。,白城師范學院機電系機自教研室,85,（4） 辨向作用 當光柵尺移動一個柵距P時，莫爾條紋也相應地向上或向下準確地移動一個間距 W。只要通過光電元件測出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動了多少個柵距，工作臺移動的距離可以計算出來。若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反（見圖6-25）。 若標尺光柵不動，將指示光柵轉一很小的角度，兩者移動方向及光柵夾角關系如下表所示。因莫爾條紋移動方向與光柵移動方向垂直，可用檢測垂直方向寬大的莫爾條紋代替光柵水平方向移動的微小距離。,白城師范學院機電系機自教研室,86,莫爾條紋移動方向與光柵移動方向及光柵夾角的關系表,白城師范學院機電系機自教研室,87,請看動畫,3.提高光柵檢測分辨精度的細分電路 利用莫爾條紋的特點，光敏元件可以把光強變化轉換成相應的電壓信號，根據(jù)電壓信號的變化，我們就可測量出光柵的相對位移情況，如位移大小、位移方向和移動速度等。 在光柵測量系統(tǒng)中，為了提高分辨率和測量精度，不可能僅靠增大柵線的密度來實現(xiàn)。工程上采用莫爾條紋的細分技術。細分技術有光學細分、機械細分和電子細分等方法。伺服系統(tǒng)中應用最多的是電子細分法。最基礎的是4倍頻光柵位移-數(shù)字變換電路。這種電路的組成就是后面這張圖。,白城師范學院機電系機自教研室,88,白城師范學院機電系機自教研室,89,然后經(jīng)過位移-數(shù)字變換電路形成正走、反走時的正向、反向脈沖,光柵移動時產(chǎn)生的莫爾條紋由光電元件接受,a、c信號是相位差為180的兩個信號，送入差動放大器放大，得到sin信號。將信號幅度放大到足夠大。,同理b、d信號送入到另一個差動放大器，得到cos信號。,然后將這4個方波信號再經(jīng)過微分變成4個窄脈沖，由與門電路把0、90、180和270四個位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來，根據(jù)不同的移動方向形成正向脈沖或反向脈沖。最后再計算出脈沖個數(shù)，來測量光柵的實際位移。,sin、cos信號經(jīng)過整形器的整形變成兩個方波，這兩個方波信號再經(jīng)過反向又得到兩個方波信號。,由4塊光電池發(fā)出的信號分別為a、b、c和d，相位彼此相關90,六、磁柵 磁柵（磁尺）是一種高精度的位置檢測裝置，可用于長度和角度的測量，具有精度高，加工工藝比較簡單，安裝調試方便及使用條件要求較低等一系列優(yōu)點。在油污和粉塵較多的工作條件下使用具有較好的穩(wěn)定性。磁柵按其結構可分為直線磁柵和圓磁柵，分別用于直線位移和角度位移的測量。高精度的磁柵可用于各種測量機、精密機床和數(shù)控機床。,白城師范學院機電系機自教研室,90,白城師范學院機電系機自教研室,91,91,磁柵由磁尺、磁頭和檢測電路等三部分組成。它是利用錄磁原理工作的。,磁柵位置檢測裝置方框圖,先用錄磁磁頭將按一定周