交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)及元件 課件

1、2 交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)及元件1）電流、電壓檢測(cè)2）磁極位置檢測(cè)3）電機(jī)、功率器件溫度檢測(cè)4）電機(jī)動(dòng)子位置、速度檢測(cè)5）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度及位置檢測(cè)2.1 交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的檢測(cè)要求 檢測(cè)的精確性、快速性、可靠性是反饋控制性能的基礎(chǔ)2.2 檢測(cè)技術(shù)原理 檢測(cè)技術(shù)是研究信息提取、信息轉(zhuǎn)換及信息處理的理論和技術(shù)。通俗的講，就是把一種不方便表示的量轉(zhuǎn)化為某種方便表示的量進(jìn)行表示。敏感元件（或傳感器）：將感知的被測(cè)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為某一種量值輸出，通常是電信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大濾波、調(diào)制和解調(diào)、衰減運(yùn)算、數(shù)字化處理 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成 傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，顧名思義，傳感器的功

2、能是“感+傳”，即感受被測(cè)信息，并傳送出去。由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成。 敏感元件是能夠靈敏地感受被測(cè)量并作出響應(yīng)的元件； 轉(zhuǎn)換元件實(shí)際上就是將敏感元件感受的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)的元件。1 傳感器傳 感 器量程切換電路放 大 器 解 調(diào) 器信號(hào)分離電路運(yùn) 算 電 路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路計(jì) 算 機(jī)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)振 蕩 器 電 源1）模擬式測(cè)量電路的基本組成2 信號(hào)調(diào)理電路 被測(cè)的量用連續(xù)變量來(lái)表示，如電壓變化、相位變化等。它對(duì)信號(hào)處理的方法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。將模擬輸入小信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如0-5VDC;對(duì)單純的微弱信號(hào)，可用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行單端同相放大或單端反相放大。信號(hào)

3、源的一端若接放大器的正端為同相放大，放大倍數(shù)G =1+R2/R1；若接放大器的負(fù)端為反相放大，G =R2/R1。a）放大器的作用原理：將被測(cè)電流通過(guò)一個(gè)已知的取樣電阻，測(cè)量電阻兩端的電壓即可得到被測(cè)電流。既可以測(cè)量直流，也可以測(cè)量交流；不同量程的電流可以選擇不同的取樣電阻。選擇取樣電阻：1k、100、10、1、0.1，便可測(cè)量電流：200A、2mA、20mA、200mA、2A輸出電壓：200mvA/DRxIr-+Amp取樣電阻b）歐姆法測(cè)量電流（I/V變換 ）原理：電流流過(guò)導(dǎo)線，周圍會(huì)感生出磁場(chǎng)，霍爾器件檢測(cè)由電流感生的磁場(chǎng),霍爾輸出電流放大后通過(guò)補(bǔ)償線圈，產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)，使磁芯中磁通為0，達(dá)

4、到平衡后，由Is測(cè)量導(dǎo)線通過(guò)的電流。c）閉環(huán)霍爾法測(cè)量電流指令傳感器傳 感 器顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì) 算 機(jī)鎖 存 器計(jì) 數(shù) 器轉(zhuǎn)換電路脈沖當(dāng)量放 大 器整形電路細(xì)分電路手動(dòng)采樣鎖存指令辨向電路2）數(shù)字式測(cè)量電路的基本組成 被測(cè)的量以數(shù)字形式來(lái)表示，測(cè)量信號(hào)一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。 信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、處理簡(jiǎn)單。 性能指標(biāo) 系統(tǒng)精度：是指在一定長(zhǎng)度或轉(zhuǎn)角內(nèi)測(cè)量積累誤差的最大值，如0.0020.02mm/m，10/360等 系統(tǒng)分辨率：是測(cè)量元件所能正確檢測(cè)的最小位移量，如直線位移的分辨率為0.0010.01mm。角位移分辨率為2 作用 檢測(cè)位置和速度，發(fā)送反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)或

5、半閉環(huán)，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行控制。 要求 工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)滿足精度、分辨率、測(cè)量范圍使用維修方便、成本低2.4 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)量 檢測(cè)裝置的分類 按檢測(cè)信號(hào)分：數(shù)字式、模擬式 按測(cè)量基準(zhǔn)分：增量式、絕對(duì)式 按安裝位置關(guān)系分：直接測(cè)量、間接測(cè)量位置檢測(cè)裝置直線型旋轉(zhuǎn)型感應(yīng)同步器光柵磁尺旋轉(zhuǎn)變壓器脈沖編碼器1 旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu) 在結(jié)構(gòu)上和兩相繞線式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)于組成。 定子繞組為變壓器的一次繞組 轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的二次繞組。根據(jù)互感原理工作的，定子繞組加上勵(lì)磁電壓，通過(guò)電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電功勢(shì)輸出感應(yīng)電功勢(shì)大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān) 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作

6、靈敏，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號(hào)幅度大，抗干擾能力強(qiáng)，工作可靠，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上。 實(shí)際采用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子由兩組匝數(shù)相等、互相垂直的繞組構(gòu)成。 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用鑒相方式 在旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相正交繞組上分別加上幅值相等、頻率相同的正弦、余弦激磁電壓 ，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，兩個(gè)激磁電壓 在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓線性疊加得總感應(yīng)電壓為：因此，只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。鑒幅方式 給定子的兩個(gè)繞組分別通上頻率、相位相同但幅值不同的激磁電壓 ， 則在轉(zhuǎn)子繞組上得到感應(yīng)電壓為 不斷修改激磁調(diào)幅電壓幅值的電氣角電，使之跟蹤機(jī)的變化，并測(cè)量感應(yīng)電壓幅值即可求得機(jī)械角

7、位移機(jī) 。感應(yīng)同步器是旋轉(zhuǎn)變壓器演變而來(lái)，也是一種電磁感應(yīng)式的位移檢測(cè)裝置。圓型感應(yīng)同步器 由定子和轉(zhuǎn)子組成，用于測(cè)量角位移直線型感應(yīng)同步器 由定子和轉(zhuǎn)子組成，用于測(cè)量直線位移 2 感應(yīng)同步器 直線感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 利用兩個(gè)平面形印刷繞組，其間保持均勻氣隙約為(0.250.05)mm 作相對(duì)平行移動(dòng)，根據(jù)交變磁場(chǎng)和互感原理而工作的滑尺上有正弦和余弦勵(lì)磁繞組，在空間位置上相差1/4節(jié)距，定尺和滑尺繞組的節(jié)距相同W 滑尺在移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過(guò)程中，感應(yīng)電勢(shì)變化了一個(gè)周期。 若勵(lì)磁電壓uUmsint，那么在定尺繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e為 ekUmcoscost 滑尺上的正弦、余弦勵(lì)磁繞組提供同頻率、同幅值、

8、相位差90的交流電壓，即 usUmsint ucUmcost us和uc單獨(dú)勵(lì)磁，在定尺繞組上感應(yīng)電勢(shì)分別為 eskUmcoscost eckUmcos( /2)sint kUmsinsint 感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的處理方式（鑒相方式） 根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來(lái)檢測(cè)位移量。根據(jù)疊加原理，定尺繞組上總輸出感應(yīng)電勢(shì)e為 eesec kUmcoscostkUmsinsint kUmcos(t) kUmcos(t 2x/W) 根據(jù)上式，通過(guò)鑒別定尺輸出的感應(yīng)電勢(shì)的相位，即可測(cè)量定尺和滑尺之間的相對(duì)位置。例：感應(yīng)電勢(shì)與勵(lì)磁電壓相位差=1.8，節(jié)距W=2mm，= 2x/W=0.01mm光柵檢測(cè)裝置基本結(jié)構(gòu)示

9、意圖 3 直線透射光柵 由于擋光效應(yīng)和光的衍射，在與線紋幾乎垂直方向上，會(huì)出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為“莫爾條紋” 。 直線透射光柵的工作原理B2B 莫爾條紋的放大作用 莫爾條紋紋距B 與光柵節(jié)距w和傾角之間的關(guān)系：由于很小，因此 22sin/qw=BqwB 為了辨別運(yùn)動(dòng)方向，需配置兩個(gè)彼此錯(cuò)開1/4紋距的光電元件，使輸出電信號(hào)彼此在相位上差90，若以其中的一個(gè)作為參考信號(hào)，則另一個(gè)信號(hào)將超前或滯后參考信號(hào)90，由此來(lái)確定運(yùn)動(dòng)方向。 倍頻又稱為細(xì)分，倍頻數(shù)就是指在莫爾條紋一個(gè)周期的范圍內(nèi)，等距離安裝的感光元件的數(shù)目，從而在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生若干個(gè)脈沖，達(dá)到細(xì)分的目的。 提高倍頻數(shù)可以提高

10、光柵的最小讀數(shù)值，提高分辨率，精密機(jī)床的測(cè)量常采用高倍頻。例：柵距 w = 0.01mm， 十倍頻后，最小讀數(shù)值1mm. 直線透射光柵的辨向 直線透射光柵的倍頻 優(yōu)點(diǎn)： 1）精度高，精度 0.5-3mm，分辨率 0.1mm 2）易實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量和自動(dòng)化測(cè)量 3）較強(qiáng)的抗干擾能力 缺點(diǎn)： 1）對(duì)環(huán)境要求高，怕振動(dòng)，怕油污 2）高精度光柵制作成本高 目前多用于精密定位的數(shù)控機(jī)床。 直線透射光柵的特點(diǎn) 光電盤隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，光電元件把通過(guò)光電盤和光欄板射過(guò)來(lái)的忽明忽暗的光信號(hào)(近似于正弦信號(hào))轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)整形、放大等電路的變換后變成脈沖信號(hào)，計(jì)算脈沖的數(shù)目，可測(cè)出工作軸的轉(zhuǎn)角，測(cè)定計(jì)數(shù)脈沖的頻率，可測(cè)

11、出工作軸的轉(zhuǎn)速。4 光電編碼器（1）分辯率 改變一個(gè)計(jì)數(shù)字所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來(lái)表示分辨率Q ，Q 越小，測(cè)速裝置的分辯能力越強(qiáng)。（2）測(cè)速精度 測(cè)量值與實(shí)際值的相對(duì)誤差來(lái)表示， 的大小與測(cè)速方法有關(guān)。 數(shù)字測(cè)速方法： M法脈沖直接計(jì)數(shù)法 T 法脈沖時(shí)間計(jì)數(shù)法 M/T法脈沖時(shí)間混合計(jì)數(shù)法 M法測(cè)速PLG倍頻電路BusZ記錄Tc時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器PLG發(fā)出的脈沖數(shù)M1，則 Z=倍頻系數(shù)PLG光柵數(shù)。 測(cè)速原理與波形圖CounterM法測(cè)速適用于高速分辨率：誤差率：PLG倍頻電路ConterCPUINTnf0記錄PLG一個(gè)脈沖間的高頻脈沖個(gè)數(shù)M2，f0為高頻脈沖頻率，則電路與波形 T法測(cè)速T法測(cè)速適用

12、于低速 M/T法既檢測(cè) Tc 時(shí)間內(nèi)PLG輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，又檢測(cè)相同時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2。 M/T法測(cè)速測(cè)速原理與波形圖CM/T法測(cè)速適用的轉(zhuǎn)速范圍寬，測(cè)速精度高 結(jié)構(gòu) 絕對(duì)式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)與增量式相似，就是在碼盤的每一轉(zhuǎn)角位置刻有表示該位置的唯一代碼，稱為絕對(duì)碼盤。絕對(duì)式脈沖編碼器是通過(guò)讀取編碼盤上的代碼(圖案)來(lái)表示軸的位置。5 絕對(duì)式光電脈沖編碼器 碼盤的種類 按碼制不同分二進(jìn)制碼、格雷碼（循環(huán)碼）、十進(jìn)制碼、六十進(jìn)制碼等，最常用的是二進(jìn)制循環(huán)碼盤。 純二進(jìn)制碼有一個(gè)缺點(diǎn)：相鄰兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)可能有多位二進(jìn)制碼不同，當(dāng)數(shù)碼切換時(shí)有多個(gè)數(shù)位要進(jìn)行切換，增大了誤讀的機(jī)率。 而格雷碼

13、則不同，相鄰兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼只有一個(gè)數(shù)位不同，因此兩數(shù)切換時(shí)只在一位進(jìn)行，提高了讀數(shù)的可靠性。 工作原理 光源經(jīng)過(guò)柱面鏡，變成一束平行光照射在碼盤上，通過(guò)碼盤經(jīng)狹縫形成一束很窄的光束照射在光電元件上，光電元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng)，亮區(qū)輸出為“1”，暗區(qū)輸出為“0”，再經(jīng)信息處理電路，進(jìn)行放大、整形、鎖存與譯碼，輸出自然二進(jìn)制代碼，從而實(shí)現(xiàn)了角度的絕對(duì)值測(cè)量。 應(yīng)用 在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，用絕對(duì)脈沖編碼器來(lái)檢測(cè)軸的位置和速度時(shí)，當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)超過(guò)一周時(shí)，讀出準(zhǔn)確數(shù)值的解決方法： 在旋轉(zhuǎn)軸上安裝多個(gè)碼盤，其中一些盤是專門用來(lái)計(jì)量所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)N，而另一部分碼盤是用來(lái)檢測(cè)一圈以內(nèi)的度數(shù)。之后將兩個(gè)碼盤所檢測(cè)的

14、進(jìn)行(N360)的疊加。 在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置一個(gè)專門的計(jì)數(shù)器，并規(guī)定碼盤上的一個(gè)專門的代碼為“零”代碼，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)過(guò)“零”代碼時(shí)，計(jì)數(shù)器的值就被自動(dòng)加一，這樣也可以實(shí)現(xiàn)即測(cè)圈數(shù)又測(cè)度數(shù)的目的。磁尺位置檢測(cè)裝置是由磁性標(biāo)尺（簡(jiǎn)稱磁尺）、磁頭和檢測(cè)電路組成，該裝置方框圖如圖所示。磁尺的測(cè)量原理類似于磁帶的錄音原理。在非導(dǎo)磁的材料如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料的基體上鍍一層磁性薄膜。在測(cè)量前，先按標(biāo)準(zhǔn)尺度以一定間隔(一般為0.05mm)在磁性薄膜上錄制一系列的磁信號(hào)。這些磁信號(hào)就是一個(gè)個(gè)按SN-NS-SN-NS方向排列的小磁體，這時(shí)的磁性薄膜稱為磁柵。測(cè)量時(shí)，磁柵隨位移而移動(dòng)（或轉(zhuǎn)動(dòng)）并用磁頭讀取(

15、感應(yīng))這些移動(dòng)的磁柵信號(hào)，使磁頭內(nèi)的線圈產(chǎn)生感應(yīng)正弦電動(dòng)勢(shì)。對(duì)這些電動(dòng)勢(shì)的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以測(cè)量位移了。6 磁尺 磁頭將高頻勵(lì)磁電流通人勵(lì)磁繞組時(shí)，在磁頭上產(chǎn)生磁通1。當(dāng)磁頭靠近磁尺時(shí)，磁尺上的磁信號(hào)產(chǎn)生的磁通0進(jìn)入磁頭鐵心，并被高頻勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通1所調(diào)制。于是在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為式中 U0感應(yīng)電壓系數(shù)；磁尺磁化信號(hào)的節(jié)距；x磁頭相對(duì)于磁尺的位移；勵(lì)磁電流的角頻率。 檢測(cè)電路 有兩種工作方式，鑒相式和鑒幅式。（1）光柵傳感器光柵傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)處理方式簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)量精度高（國(guó)外著名廠家如德國(guó)Heidenhain、西班牙Fagor等公司制造的光柵傳感器精度可達(dá)1m/m）；缺點(diǎn)

16、是光柵尺價(jià)格較昂貴，對(duì)工作環(huán)境要求較高，玻璃光柵尺的線脹系數(shù)與機(jī)床不一致，易造成測(cè)量誤差。（2）磁柵傳感器磁柵尺可分為線狀（有效測(cè)量長(zhǎng)度3m）和帶狀（有效測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)30m）兩種型式，其優(yōu)點(diǎn)是制造成本較低，安裝使用方便，線脹系數(shù)與機(jī)床相同；缺點(diǎn)是測(cè)量精度低于光柵尺，由于磁信號(hào)強(qiáng)度隨使用時(shí)間而不斷減弱，因此需要重新錄磁，給使用帶來(lái)不便。（3）感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)是制造成本低，安裝使用方便，對(duì)工作環(huán)境條件要求不高；缺點(diǎn)是信號(hào)處理方式較復(fù)雜，測(cè)量精度受到測(cè)量方法的限制（傳統(tǒng)測(cè)量方法的測(cè)量精度約為25m）。2.5 綜合比較 模擬式傳感器的輸出信號(hào)需利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)進(jìn)行數(shù)字化處理，而在高分辨率情況下A/D轉(zhuǎn)換的成本較高，此外解決微小模擬信號(hào)（如微伏級(jí)）的抗干擾問(wèn)題也相當(dāng)困難。 在數(shù)字式傳感器中，絕對(duì)式編碼器可輸出并行數(shù)字信號(hào)，無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換，