第4章-控制系統(tǒng)

1、第四章 控制系統(tǒng)v1、機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的組成及其作用4.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求v機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 1、功能實(shí)用性 2、系統(tǒng)的可靠性 3、運(yùn)行的穩(wěn)定性 4、操作性 5、人機(jī)安全性 6、性?xún)r(jià)比 7、規(guī)范性v衡量一個(gè)控制系統(tǒng)好壞的指標(biāo)有哪些？v機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中的輸入裝置 1、請(qǐng)說(shuō)出輸入裝置的作用？ 2、舉例說(shuō)出你所熟悉的輸入裝置有哪些？4.3 控制系統(tǒng)中的輸入裝置v常用的輸入裝置 鍵盤(pán)、開(kāi)關(guān)電路、觸摸屏、接口電路等v鍵盤(pán)的相關(guān)知識(shí) 1、鍵盤(pán)的分類(lèi) a、按結(jié)構(gòu)原理分：觸電式開(kāi)關(guān)按鍵；例如機(jī)械式、導(dǎo)電橡膠式 無(wú)觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵；例如電容式 b、按接口原理分：編碼式鍵盤(pán)；例如計(jì)算機(jī)的通用鍵

2、盤(pán) 非編碼式鍵盤(pán)；例如矩陣式鍵盤(pán)、獨(dú)立鍵盤(pán)等 2、鍵盤(pán)的接口 大家考慮一下 鍵盤(pán)與系統(tǒng)的常用接口方式有哪些？ 計(jì)算機(jī)常用PS2口、USB口 單片機(jī)8279或者8155的并行口輸入；3、鍵盤(pán)的工作方式4.3 控制系統(tǒng)中的輸入裝置v鍵盤(pán)的工作方式 鍵盤(pán)的工作方式取決鍵盤(pán)的接口類(lèi)型：即采用什么樣的鍵盤(pán) 編碼式鍵盤(pán)：主要是有硬件完成對(duì)鍵的識(shí)別； 非編碼式鍵盤(pán)：主要是由軟件程序完成對(duì)鍵盤(pán)的定義和識(shí)別。v非編碼式鍵盤(pán)的工作方式 a、程序控制掃描方式 b、定時(shí)掃描方式 c、中斷掃描方式v非編碼式鍵盤(pán)的程序設(shè)計(jì)時(shí)注意 主要通過(guò)鍵處理語(yǔ)句JMP指令；同時(shí)需要考慮觸點(diǎn)鍵盤(pán)的“去抖”問(wèn)題4.3 控制系統(tǒng)中的輸入裝置

3、v通用鍵盤(pán)的信息處理 鍵盤(pán)使用中我們會(huì)按下不同的按鍵來(lái)輸入指令，而鍵盤(pán)是把按鍵的信息以ASCALL碼傳入到系統(tǒng)中。這樣就要求我們調(diào)取系統(tǒng)中的ASCALL碼對(duì)鍵盤(pán)信息進(jìn)行處理。4.3 控制系統(tǒng)中的輸入裝置vBIOS INT 16H的功能調(diào)用可以用來(lái)檢查是否有按鍵按下并接收鍵入的字符； 1.功能調(diào)用00H（該功能是讀下一個(gè)鍵盤(pán)字符） 調(diào)用格式：MOV AH,0；調(diào)用前將AH置0 INT 16H；中斷調(diào)用 CMP AL,3CL；讀取字符，檢查是否為F2鍵按下3.1 位置檢測(cè)環(huán)節(jié)的構(gòu)成和接口v 機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)有直線和回轉(zhuǎn)直線和回轉(zhuǎn)兩種，所以其檢測(cè)元件也分為直線型和回轉(zhuǎn)型直線型和回轉(zhuǎn)型兩種

4、。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測(cè)元件安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置；而在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，一般將檢測(cè)元件安裝在執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)軸或傳動(dòng)軸上，間接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的直線位移或回轉(zhuǎn)位移。3.1 位置檢測(cè)環(huán)節(jié)的構(gòu)成和接口v 3.1.1 感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器 ：電磁式位置檢測(cè)元件； 按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。 前者用于直線位移的測(cè)量，后者用于角位移的測(cè)量。 感應(yīng)同步器廣泛用于高精度的數(shù)控機(jī)床上。v1. 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 直線感應(yīng)同步器由作相對(duì)平行移動(dòng)的定尺和滑尺組成，定尺和滑尺之間有均勻氣隙，在全程上保持0.250.05mm。標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器的定尺長(zhǎng)250mm，表面制有連續(xù)繞組，繞組節(jié)距為2

5、mm。節(jié)距是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)，工藝上要保證其節(jié)距的精度?；呱现朴袃山M分段繞組，即正弦繞組(S)和余弦繞組(C)，兩者相對(duì)于定尺繞組在空間錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距(見(jiàn)圖3-1)。3.1 位置檢測(cè)環(huán)節(jié)的構(gòu)成和接口v 定尺和滑尺的基板通常采用與機(jī)床床身材料熱膨脹系數(shù)相近的鋼板，用絕緣粘接劑 把銅箔粘在鋼板上，經(jīng)精密照相腐蝕工藝制成印刷繞組，再在尺子表面涂上一層保護(hù)層?；弑砻嬗袝r(shí)還帖上一層帶絕緣的鋁箔，以防靜電感應(yīng)。v 在使用感應(yīng)同步器時(shí)，一般將定尺固定在機(jī)床的固定部件(如床身、立柱、橫梁)上，滑尺固定在移動(dòng)部件(如床鞍、主軸箱、工作臺(tái)或刀架)上。當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，滑尺和定尺產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。由于感應(yīng)

6、同步器的精度很高，故安裝精度也要求很高。要求安裝、運(yùn)動(dòng)時(shí)定尺和滑尺之間的間隙均勻。3.1 位置檢測(cè)環(huán)節(jié)的構(gòu)成和接口直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)正弦繞組余弦繞組滑尺定尺UdUsUc2/2直線式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器 利用兩個(gè)平面形印刷利用兩個(gè)平面形印刷繞組，其間保持均勻繞組，其間保持均勻氣隙氣隙 作相對(duì)平行移動(dòng)作相對(duì)平行移動(dòng)，根據(jù)交變磁場(chǎng)和互，根據(jù)交變磁場(chǎng)和互感原理而工作的。感原理而工作的。 若若滑尺繞組加勵(lì)磁電壓滑尺繞組加勵(lì)磁電壓，則由于，則由于電磁感應(yīng)而在電磁感應(yīng)而在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其大小取決于，其大小取決于滑尺與定滑尺與定尺的相對(duì)位置。尺的相對(duì)位置。2/2E定尺

7、定尺正弦繞組正弦繞組滑尺滑尺余弦繞組余弦繞組VsVci1i2（當(dāng)正弦繞組（當(dāng)正弦繞組與定尺繞組對(duì)與定尺繞組對(duì)齊時(shí)，余弦繞齊時(shí)，余弦繞組與定尺繞組組與定尺繞組相差相差1/4節(jié)距。節(jié)距。）v 當(dāng)滑尺處于A位置，即滑尺繞組與定尺繞組完全對(duì)應(yīng)重合，定尺繞組線圈中穿入的磁 通最多，則定尺上的感應(yīng)電壓最大。 隨著滑尺相對(duì)定尺做平行移動(dòng)，穿入定尺的磁通逐漸減少，感應(yīng)電壓逐漸減小。v 當(dāng)滑尺移到圖中B點(diǎn)位置，與定尺 繞組剛好錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距時(shí)，感應(yīng)電壓為零。當(dāng)只給滑尺上正弦繞組加勵(lì)磁電壓時(shí)當(dāng)只給滑尺上正弦繞組加勵(lì)磁電壓時(shí)，定尺感應(yīng)電壓與定、滑定尺感應(yīng)電壓與定、滑尺的相對(duì)位置關(guān)系尺的相對(duì)位置關(guān)系如圖所示如圖所示v

8、再移動(dòng)至1/2節(jié)距 處，即圖中C點(diǎn)位置時(shí)，定尺線 圈中穿出的磁通最多，感應(yīng)電壓最大，但極性相反。v再移至 3/4節(jié)距，即圖中D點(diǎn)位置時(shí)， 感應(yīng)電壓又變?yōu)榱悖瑅當(dāng)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距位置如圖中E點(diǎn)，又恢復(fù) 到初始狀態(tài)，與A點(diǎn)相同。v在定尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過(guò) 程中，感應(yīng)電壓近似于余弦函 數(shù)變化了一個(gè)周期，如圖中ABCDE。距離距離U若若勵(lì)磁電壓勵(lì)磁電壓 uUmsint則定尺繞組產(chǎn)生的則定尺繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電勢(shì)e e ekUmcoscos t式中式中 Um勵(lì)磁電壓幅值勵(lì)磁電壓幅值(V) 勵(lì)磁電壓角頻率勵(lì)磁電壓角頻率(rad/s) k電磁耦合系數(shù)，電磁耦合系數(shù)， 與繞組間與繞組間 最大互感系數(shù)有關(guān)；最大互

9、感系數(shù)有關(guān)； 滑尺繞組相對(duì)定尺繞組在空間的電氣相位角；滑尺繞組相對(duì)定尺繞組在空間的電氣相位角； kUm 為感應(yīng)電壓的幅值。為感應(yīng)電壓的幅值。直線式感應(yīng)同步器的信號(hào)處理原理 滑尺正弦繞組上加激磁電壓Us后，與之相耦合的定尺繞組上的感應(yīng)電壓為： Uos=KUScos1 滑尺余弦繞組上加激磁電壓Uc后，與之相耦合的定尺繞組上的感應(yīng)電壓為： Uoc=KUccos（1+/2） =K Ucsin1 滑尺正、余旋繞組上同時(shí)加激磁電壓Us、 Uc時(shí)，根據(jù)疊加原理，則與之相耦合的定尺 繞組上的總感應(yīng)電壓為： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 K 電磁感應(yīng)系數(shù) 1 定尺繞組上的感應(yīng)電壓的相

10、位角v感應(yīng)同步器就是利用感應(yīng)電勢(shì)的變化，來(lái)檢測(cè)在一個(gè)節(jié)距W內(nèi)的位移量，為絕對(duì)式測(cè)量。v設(shè)滑尺繞組的節(jié)距為2，它對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電勢(shì)按余弦函數(shù)規(guī)律將變化2。若滑尺的移動(dòng)距離為x，則對(duì)應(yīng)于感應(yīng)電勢(shì)以余弦函數(shù)將變化 ：()22xxpqptt=根據(jù)滑尺正、余旋繞組上激磁電壓根據(jù)滑尺正、余旋繞組上激磁電壓Us、 Uc供電供電方式的不同可構(gòu)成不同檢測(cè)系統(tǒng)方式的不同可構(gòu)成不同檢測(cè)系統(tǒng)-鑒相型系鑒相型系統(tǒng)和鑒幅型系統(tǒng)。統(tǒng)和鑒幅型系統(tǒng)。直線式感應(yīng)同步器的應(yīng)用方式1）鑒相工作方式 根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來(lái)檢測(cè)位移量誤差信號(hào)控制機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，消除誤差方向移動(dòng)，構(gòu)成位置反饋，指令信號(hào)Ur經(jīng)脈沖相位變換變成相位信號(hào)a1

11、.機(jī)床工作定尺滑尺產(chǎn)生相對(duì)位移，定尺a2變化，當(dāng)a1與a2不相等，工作臺(tái)移動(dòng)，若相等，工作臺(tái)停止移動(dòng)脈沖相位變換器同時(shí)還產(chǎn)生基準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)供給滑尺正、余弦繞組。直線式感應(yīng)同步器的應(yīng)用方式1）鑒相工作方式 根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來(lái)檢測(cè)位移量v供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號(hào)是頻率、幅值相同，相位相差90的交流勵(lì)磁電壓 UsUmsint Uc=Um（sint+/2）=Umcost當(dāng)滑尺移動(dòng)x距離時(shí)，則定尺上的感應(yīng)電壓為 Ud1k Uscosk Umsintcos Ud2k Uccos（/2）k Umcostsin應(yīng)用疊加原理得出定尺繞組中的感應(yīng)電壓為 Ud=Ud1Ud2kUmsin（t） v通過(guò)鑒別

12、定尺感應(yīng)輸出電壓的相位，即可測(cè)量定尺和滑尺之間的相對(duì)位移。Um勵(lì)磁電壓幅值(V) 勵(lì)磁電壓角頻率(rad/s) k電磁耦合系數(shù)，與繞組間 最大互感系數(shù)有關(guān)； 滑尺繞組相對(duì)定尺繞組在空間的電氣相位角； kUm 為感應(yīng)電壓的幅值。v例：感應(yīng)電勢(shì)與勵(lì)磁電壓相位差=1.8，節(jié)距W=2mm， 由= 2x/W x=0.01mm直線式感應(yīng)同步器的應(yīng)用方式2）鑒幅工作方式 工作臺(tái)位移值X未達(dá)到指令要求值X1時(shí)，即X X1，定尺電壓u20.該電壓一方面經(jīng)檢波放大控制伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)；另一方面，當(dāng)該電壓超過(guò)門(mén)檻值時(shí)，產(chǎn)生輸出脈沖，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后自動(dòng)改變勵(lì)磁電壓幅值aE。當(dāng)工作臺(tái)移至X=X1，定尺上電壓u

13、2=0,誤差消失，工作臺(tái)停止移動(dòng)。u2同時(shí)輸至相敏放大器與來(lái)自補(bǔ)償器、信號(hào)比較，來(lái)控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方向。 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。p給滑尺的給滑尺的正弦繞組正弦繞組和和余弦繞組余弦繞組分別通以為分別通以為同同頻率、頻率、同相位，同相位，但不同但不同幅值幅值，即，即 UsUmsinsint UcUmcossint式中式中 勵(lì)磁電壓的給定為電氣角勵(lì)磁電壓的給定為電氣角. 分別勵(lì)磁時(shí)，在分別勵(lì)磁時(shí)，在定尺繞組上產(chǎn)生的輸出感應(yīng)電勢(shì)定尺繞組上產(chǎn)生的輸出感應(yīng)電勢(shì)分別為：分別為： UdskUmsin cost cos UdckUmcos cos(/2)cost kUm cos cost

14、 sin根據(jù)疊加原理，定尺繞組上根據(jù)疊加原理，定尺繞組上總輸出感應(yīng)電勢(shì)總輸出感應(yīng)電勢(shì)Ud為為 Ud Ud s Ud c kUmsin coscost kUm cos sincost kUmsin（）sint 定尺繞組中的定尺繞組中的感應(yīng)電壓感應(yīng)電壓Ud的幅值的幅值為為 Umsin（）若電氣角若電氣角已知，則只要測(cè)量出已知，則只要測(cè)量出Ud的幅值，便可間接的幅值，便可間接地求出地求出值，從而求出值，從而求出被測(cè)位移被測(cè)位移x的大小的大小。當(dāng)定尺繞組中的感應(yīng)電壓當(dāng)定尺繞組中的感應(yīng)電壓Ud0時(shí)，時(shí)，只要逐漸，只要逐漸改變改變值，使值，使Ud0，便可求出，便可求出值，從而求出被測(cè)位值，從而求出被測(cè)位移

15、移x。l令令 ，當(dāng)，當(dāng) 很小，很小， ， 式式（6-10）可近似表示為）可近似表示為 UdUm sint 將式將式 代入上式得代入上式得p當(dāng)位移量當(dāng)位移量x很小時(shí)很小時(shí)，感應(yīng)電壓感應(yīng)電壓Ud的的幅值幅值與與x成正比成正比，因此，因此可以通過(guò)測(cè)量可以通過(guò)測(cè)量Ud的幅值來(lái)測(cè)定位移量的幅值來(lái)測(cè)定位移量x的大小。從而實(shí)現(xiàn)精的大小。從而實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。確測(cè)量。sin)sin(txUUmdsin4.圓感應(yīng)同步器v工作原理同直線感應(yīng)同步器，差別在于定子、轉(zhuǎn)子及繞組形狀不同；v分為圓形和扇形，圓形測(cè)量范圍達(dá)360，扇形測(cè)量范圍小于360；v特點(diǎn)：精度高、工作可靠抗干擾性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單壽命長(zhǎng)、測(cè)量距離長(zhǎng)、滑尺要全部

16、覆蓋在定尺上。v用途：檢測(cè)機(jī)械設(shè)備的角度和角位移，常用安裝形式有兩種（將單個(gè)圓盤(pán)安裝于設(shè)備上和定子轉(zhuǎn)子組裝成整體通過(guò)聯(lián)軸器與機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸連接）。4.圓感應(yīng)同步器3.1.2 旋轉(zhuǎn)變壓器v 旋轉(zhuǎn)變壓器用于運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的傳感和測(cè)量用。是一種利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號(hào)的傳感器。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，輸出信號(hào)大，抗干擾好，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。3.1.2 旋轉(zhuǎn)變壓器v旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)：由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，而且結(jié)構(gòu)上保證定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁場(chǎng)呈正（余）弦規(guī)律。3.1.2 旋轉(zhuǎn)變壓器v1. 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理 給定子繞組

17、加交變勵(lì)磁電壓，則轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生勵(lì)磁電壓，其大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組在空間的相對(duì)位置。 其中Um為定子勵(lì)磁電壓峰值m=sin =KU sinwtsinUKUaa定子轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理3.1.2 旋轉(zhuǎn)變壓器v旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 （1）鑒相式 在此狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)變壓器定子兩相正交繞組（正弦繞組S和余弦繞組C）分別加上幅值相等、頻率相同，而相位相差90的正弦交變電壓：根據(jù)疊加定理，在轉(zhuǎn)子工作繞組中電壓為： wtUmUssinwtUmUccos)sincoscos(sinsincos2wtwtKuKuKuUmss3.1.2 旋轉(zhuǎn)變壓器v（2）鑒幅式 在這種工作方式中，定子兩相繞組加的是頻率相同、相位

18、相同，而幅值分別按照正弦和余弦變化的交變電壓： 定子勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子中的電壓不但與轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置aM有關(guān)，還與勵(lì)磁的幅值有關(guān)，則有：注：a為定子正弦繞組軸線與轉(zhuǎn)子工作繞組軸線間的夾角； 其中w為勵(lì)磁角頻率，aE為電角度，a為定子正弦繞組軸線與轉(zhuǎn)子工作繞組軸線間的夾角。wtaUmUsEsinsinwtaUmUcEcossinwtaaKuaKuaKuUMEmMCMssin)sin(sincos23.1.3 光柵v 光柵種類(lèi)很多，其中有物理光柵和計(jì)量光柵之分。物理光柵刻線細(xì)而密，柵距(兩刻線間的距離)在0.002-0.005mm之間，通常用于光譜分析和光波波長(zhǎng)的測(cè)定。計(jì)量光柵刻線較粗，柵距在0.

19、004-0.25mm之間，通常用于數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，用來(lái)檢測(cè)高精度直線位移和角位移，是數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多的一種檢測(cè)裝置。3.1.3 光柵v1.光柵的構(gòu)成與種類(lèi)：光柵通常是由在表面上按一定間隔制成透光和不透光的條紋的玻璃構(gòu)成，稱(chēng)為透射光柵，或在金屬光潔的表面上按一定間隔制成全反射和漫反射的條紋，稱(chēng)為反射光柵。利用光柵的一些特點(diǎn)可進(jìn)行線位移和角位移的測(cè)量。測(cè)量線位移的光柵為矩形并隨被測(cè)長(zhǎng)度增加而加長(zhǎng)，稱(chēng)之為長(zhǎng)光柵；而測(cè)量角位移的光柵為圓形，稱(chēng)之為圓光柵。3.1.3 光柵v2.柵距：光柵的柵距W=a+b,a、b分別為不透光（刻痕）和透光（狹縫）條紋的寬度，通常a=b;光柵的精度越高，柵距W就越??；一般柵

20、距可由刻線密度算出，刻線密度為25，50,100,250條/mm. 3.1.3 光柵v3.莫爾條紋的形成：v將兩塊柵距相等的光柵面平行安裝，且沿刻度線方向保持有一個(gè)較小的夾角時(shí)，兩塊光柵的暗條與亮條重合的地方，形成一條暗帶，使光線透不過(guò)去；而亮條與亮條重合的地方，形成一條亮帶，部分光線得以通過(guò)。這種亮帶與暗帶形成的條紋稱(chēng)為莫爾條紋。3.1.3 光柵v4.莫爾條紋的特點(diǎn) 平均效應(yīng)：莫爾條件是由光柵的大量刻線共同形成，對(duì)光柵的刻線誤差由平均作用。 對(duì)應(yīng)關(guān)系：莫爾條紋近似與刻線垂直，當(dāng)夾角固定后，兩光柵相對(duì)左右移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋上下或下上移動(dòng)一個(gè)節(jié)距B，因此，可以通過(guò)檢測(cè)莫爾條紋的移動(dòng)條數(shù)和

21、方向來(lái)判斷兩光柵相對(duì)位移的大小和方向。 放大作用：由公式B=W/可知，當(dāng)W一定，而較少時(shí)，可使W.如：長(zhǎng)光柵在一毫米內(nèi)刻線為100條，則B=0.01/0.0091mm,放大100倍。3.1.3 光柵v5.光柵傳感器的結(jié)構(gòu)v對(duì)于線位移測(cè)量，兩塊光柵長(zhǎng)短不等，長(zhǎng)的隋運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)，稱(chēng)為標(biāo)尺光柵，短的固定安放，稱(chēng)指示光柵；而測(cè)量角位移時(shí)，一塊圓光柵固定，另一塊隨轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)。v光柵傳感器結(jié)構(gòu)為：3.1.3 光柵v光柵位移-數(shù)字轉(zhuǎn)換的基本原理 1.光柵傳感器輸出信號(hào)波形 當(dāng)光柵相對(duì)位移為一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，相應(yīng)照射在光敏元件上的光強(qiáng)度發(fā)生一個(gè)周期的變化，使輸出電信號(hào)周期變化，其輸出波形

22、如圖：3.1.3 光柵v輸出表達(dá)式：式中，2/w為空間角頻率，w為柵距（信號(hào)周期），X為位移。由此可知，只要計(jì)算輸出電壓的周期數(shù)，便可測(cè)出位移量。從而實(shí)現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)，V的變化是位移在一個(gè)柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一個(gè)周期對(duì)應(yīng)一個(gè)柵距。如果只用一個(gè)光電元件，其輸出信號(hào)還存在兩個(gè)問(wèn)題：（1）辨向問(wèn)題：用一個(gè)光電元件無(wú)法辨別運(yùn)動(dòng)方向；（2）精度低：分辨力只為一個(gè)柵距w.3.1.3 光柵v2.辨向原理：用兩個(gè)光電元件相距B/4安裝（相當(dāng)于相差90 空間角，B：2=B/4：/2），如圖所示，可以解決辨向問(wèn)題v當(dāng)條紋上移時(shí)，V2落后于V1 90；v當(dāng)條紋下移時(shí)，V2超前于V1 90堵

23、v因此由V1、V2之間的相位關(guān)系可以v辨別運(yùn)動(dòng)方向。3.1.3 光柵v3.細(xì)分技術(shù)（解決精度問(wèn)題）v當(dāng)使用一個(gè)光電池通過(guò)判斷信號(hào)周期的方法來(lái)進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，最小分辨力為1個(gè)柵距。為了提高測(cè)量精度，提高分辨力，可是柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分。3.1.4 脈沖編碼器v光電編碼器 數(shù)字編碼器是把機(jī)械位移轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量進(jìn)行輸出的檢測(cè)元件。類(lèi)型： 1. 按測(cè)量功用分：碼尺（線位移測(cè)量）、碼盤(pán)（角位移測(cè)量） 2. 按檢測(cè)原理分：光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式 3. 按編碼的形式分：增量式（SPC）、絕對(duì)式（APC）。 增量式：輸出的是

24、當(dāng)前狀態(tài)與前一狀態(tài)的差值，即增量值。它通常以脈沖數(shù)字形式輸出，然后用計(jì)數(shù)器計(jì)取脈沖。 絕對(duì)式：按位移量直接進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，輸出結(jié)果通常為二進(jìn)制的數(shù)字編碼，結(jié)果表示的是被測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位置。3.1.4 脈沖編碼器v1.增量式脈沖編碼器 增量式編碼器是指旋轉(zhuǎn)的碼盤(pán)給出一系列脈沖，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向由計(jì)數(shù)器對(duì)這些脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，以表示轉(zhuǎn)過(guò)的角位移量。3.1.4 脈沖編碼器脈沖編碼器的輸出信號(hào)A、B經(jīng)過(guò)整形成為a、b兩路脈沖。將a脈沖和它的反向信號(hào)C脈沖進(jìn)行微分作為加，減計(jì)數(shù)脈沖。B路脈沖信號(hào)被用作加、減計(jì)數(shù)脈沖的控制信號(hào)，正走時(shí)（a超前b），由f輸出加計(jì)數(shù)脈沖，g為高電平；反走時(shí)（b超前a），由g輸出減計(jì)

25、數(shù)脈沖，f輸出高電平。3.1.4 脈沖編碼器v2.絕對(duì)式脈沖編碼器 圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道，每條道上有透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)。涂黑部分未導(dǎo)電區(qū)，輸出為“1”，空白部分為不導(dǎo)電區(qū)，輸出為“0”。所有導(dǎo)電部分連接在一起接高電位。在每圈碼道上都有一個(gè)電刷，當(dāng)碼盤(pán)隨被測(cè)物轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，電刷上出現(xiàn)的電位對(duì)應(yīng)一定的數(shù)碼。3.1.4 脈沖編碼器v絕對(duì)式編碼器的特點(diǎn)： -可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值 -沒(méi)有累積誤差 -電源切除后位置信息不會(huì)丟失，分辨率由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定，若有N條碼道，則角度分辨率為 NQ23603.1.4 脈沖編碼器循環(huán)碼是無(wú)權(quán)碼，其特點(diǎn)

26、是相鄰兩個(gè)代碼之間只有一位數(shù)變化，即0變?yōu)?，1變?yōu)?.3.1.5 磁柵v磁柵 磁柵是一種有磁化信息的標(biāo)尺，它是在非導(dǎo)磁材料的基體上鍍一層均勻的磁性薄膜，并用錄音磁頭沿長(zhǎng)度方向按一定的激光波長(zhǎng)（又稱(chēng)節(jié)距，用w表示）錄上磁性刻度線而構(gòu)成的。故磁柵又稱(chēng)為磁尺。 磁柵的種類(lèi)可以分為長(zhǎng)磁柵（測(cè)量直線位移）和圓磁柵（測(cè)量角位移），主要應(yīng)用于大型機(jī)床和精密機(jī)床作為位置檢測(cè)元件。3.1.5 磁柵v磁尺測(cè)量裝置的組成和工作原理v組成：磁尺、磁頭和檢測(cè)電路 磁尺：檢測(cè)位移的基準(zhǔn)尺 磁頭：用來(lái)讀取磁尺上的記錄信號(hào)，按讀取方式的不同可分為動(dòng)態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭。動(dòng)態(tài)磁頭上只有一個(gè)輸出繞組，只有當(dāng)磁頭和磁尺有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)才

27、有信號(hào)輸出。靜態(tài)磁頭上有兩個(gè)繞組，一個(gè)是激勵(lì)繞組，加以激勵(lì)電源電壓，另一個(gè)是輸出繞組。即使在磁尺和磁頭之間處于相對(duì)靜止時(shí)，也會(huì)因?yàn)橛薪蛔兗?lì)信號(hào)使輸出繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號(hào)。當(dāng)靜態(tài)磁頭和磁尺之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁頭的鐵芯使磁尺的磁通有效地通過(guò)輸出繞組，在繞組中產(chǎn)生一個(gè)新的感應(yīng)電壓信號(hào)，它作為包絡(luò)調(diào)制在原感應(yīng)電壓信號(hào)上。該電壓隨磁尺磁場(chǎng)強(qiáng)度周期的變化而變化。檢測(cè)電路：主要用來(lái)供給磁頭激勵(lì)電壓和把磁頭檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)輸出。3.1.5 磁柵特點(diǎn)：對(duì)使用環(huán)境的條件要求較低，對(duì)周?chē)艌?chǎng)的抗干擾能力較強(qiáng)，在油污、粉塵較多的地方使用有較好的穩(wěn)定性。3.1.5 磁柵3.2 速度檢測(cè)環(huán)節(jié)的構(gòu)成和接口v1.

28、 日常生活中如何測(cè)量速度這個(gè)物理量的？v2. 聽(tīng)過(guò)測(cè)速雷達(dá)嗎？其測(cè)速原理是什么？v3. 舉出幾種常用的測(cè)速方法？ 測(cè)速發(fā)電機(jī) 作用：速度檢測(cè)元件，將機(jī)械轉(zhuǎn)速信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸出。分類(lèi)：交流和直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。 組成：轉(zhuǎn)子和定子定子：支撐作用，主要?jiǎng)?lì)磁功能轉(zhuǎn)子：在發(fā)電機(jī)中稱(chēng)電樞，主要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)3.2.1 測(cè)速發(fā)電機(jī)v測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理： 電樞旋轉(zhuǎn)切割定子繞組產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通，由此在電樞兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。讓轉(zhuǎn)速與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間產(chǎn)生聯(lián)系，測(cè)速發(fā)電機(jī)就這樣完成測(cè)速功能。3.2.1 測(cè)速發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出電壓成正比待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分與測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)結(jié)一起旋轉(zhuǎn)，由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定轉(zhuǎn)速。3.2.1 測(cè)速

29、發(fā)電機(jī)v注意事項(xiàng)： 1、空載情況：即直接測(cè)量電樞電壓時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓就是電樞兩端電壓。 2、負(fù)載情況：即通過(guò)負(fù)載與電樞串聯(lián)時(shí)，測(cè)負(fù)載兩端的端電壓方式，此時(shí)測(cè)得電壓就是測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞電壓。由回路電壓定律可知： 3、測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的模擬信號(hào)，具體使用時(shí)，需要專(zhuān)門(mén)的A/D轉(zhuǎn)換裝置。測(cè)得電壓ndCURIEUaaad，整理后電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞本身消耗壓降測(cè)得電壓系數(shù)被測(cè)轉(zhuǎn)速3.2.2 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器v霍爾轉(zhuǎn)速傳感器 作用：速度檢測(cè)元件；將機(jī)械轉(zhuǎn)速信號(hào)變?yōu)槊}沖信號(hào)輸出。 組成：霍爾開(kāi)關(guān)元件 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器工作原理：將磁鋼（磁性材料）粘在待測(cè)物體上，霍爾開(kāi)關(guān)裝在磁鋼附近，待測(cè)物轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾開(kāi)關(guān)便產(chǎn)生相應(yīng)脈沖，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器通過(guò)檢測(cè)脈沖數(shù)來(lái)完成測(cè)速功能的。 應(yīng)用：通常采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器組成數(shù)字轉(zhuǎn)速儀， 注意霍爾轉(zhuǎn)速傳感器輸出是數(shù)字脈沖3.2.2 霍爾