第7章機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中常用的檢測元件第7章機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中常用的1檢測元件的作用與分類位置檢測裝置按工作條件和測量要求不同，有下面幾種分類方法：直接測量和間接測量直接測量間接測量數(shù)字式測量和模擬式測量數(shù)字式測量模擬量測量增量式測量和絕對式測量增量式測量絕對式測量檢測元件的作用與分類位置檢測裝置按工作條件和測量要求不同，有2位移檢測裝置的分類測角測長位移檢測裝置數(shù)字式增量式光電盤圓光柵數(shù)碼盤絕對式—模擬式增量式同步分解器圓感應(yīng)同步器磁盤絕對式多極同步分解器同步分解器組件三重式圓感應(yīng)同步器長光柵多通道透射光柵直線感應(yīng)同步器磁尺數(shù)字式增量式絕對式模擬式增量式絕對式多重式直線感應(yīng)同步器———位移檢測裝置的分類測角測長位移檢測裝置數(shù)字式增量式光電盤圓光37.1速度傳感器速度傳感器分直線速度型和角速度型。測速發(fā)電機(jī)也是一種常用的速度傳感器。速度傳感器一般用于數(shù)控系統(tǒng)伺服單元的速度檢測控制中，因此角速度傳感器用得較多。7.1速度傳感器速度傳感器分直線速度型和角速度型。測速發(fā)47.1.1測速發(fā)電機(jī)是一種能把機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅?。它與一般的發(fā)電機(jī)相比有如下兩個特點。(1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格地呈線性關(guān)系。(2)輸出電勢與轉(zhuǎn)速比的斜率大。測速發(fā)電機(jī)分交流和直流兩大類。交流測速發(fā)電機(jī)又有同步、異步之分。在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中，常用的是交流異步測速發(fā)電機(jī)和直流測速發(fā)電機(jī)。7.1.1測速發(fā)電機(jī)是一種能把機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲?1.交流測速發(fā)電機(jī)如圖1所示，定子為兩組在空間相互成90°角安置的繞組，轉(zhuǎn)子則為空心杯形結(jié)構(gòu)。當(dāng)在勵磁繞組上施加恒定的單相交流電壓U1時，發(fā)電機(jī)工作繞組便會輸出與轉(zhuǎn)速n大小成正比的交流電壓信號U2，其有效值為：

E2=4.44N2f1KΦdn∝n式中，N2為輸出繞組的線圈匝數(shù)；f1為勵磁電壓的頻率；K為繞組系數(shù)(K≈1)；Φd為電機(jī)中的合成磁通。圖1交流測速發(fā)電機(jī)工作原理圖1.交流測速發(fā)電機(jī)如圖1所示，定子為兩組在空間相互成90°62.直流測速發(fā)電機(jī)它一般都做成永磁式，其工作原理如圖7-2所示。在恒定磁場Φ下，當(dāng)電樞以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，電樞上的導(dǎo)體切割磁力線，在瞬間產(chǎn)生空載感應(yīng)電動勢Eo，它的值由下式確定：

Eo=KeΦn式中，Ke為電勢常數(shù)；Φ為磁通。從上式可以看出，空載輸出電壓U=Eo，它與轉(zhuǎn)速n成正比。當(dāng)存在負(fù)載電阻RL和電樞回路總電阻Ro時，則U=Eo-IRo=Eo-URo/RLU=Eo/(1+Ro/RL)U=KeΦn/(1+Ro/RL)

由此可以看出，當(dāng)Φ、Ro、RL不變時，測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n成正比。2.直流測速發(fā)電機(jī)它一般都做成永磁式，其工作原理如圖7-27影響直流測速發(fā)電機(jī)測量結(jié)果的因素(1)周圍環(huán)境溫度的變化使繞組電阻發(fā)生變化，從而產(chǎn)生線性誤差。(2)電樞反應(yīng)，也就是由于電樞電流所產(chǎn)生的磁場會影響測速發(fā)電機(jī)的磁場，從而引起測量誤差。(3)電樞回路的電阻隨電樞電流的變化而變化，破壞了輸出電壓與轉(zhuǎn)速的線性關(guān)系。為了減少以上影響：測速發(fā)電機(jī)的磁路應(yīng)選得足夠飽和；同時還應(yīng)將負(fù)載電流限制在較小的范圍內(nèi)。注意：影響直流測速發(fā)電機(jī)測量結(jié)果的因素(1)周圍環(huán)境溫度的變化使8在一些控制系統(tǒng)中，為了滿足電動機(jī)穩(wěn)速或系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，也常采用簡單的速度反饋方法，以獲得與速度成正比的電氣信號。通常電氣信號取自由電動機(jī)組成的橋式測速電路。這種電氣信號的線性精度不高，但能滿足某些系統(tǒng)的要求。7.1.2橋式速度傳感器在一些控制系統(tǒng)中，為了滿足電動機(jī)穩(wěn)速或系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，也常采9橋式速度傳感器又分為由直流電動機(jī)組成的和交流電動機(jī)組成的測速電路。直流橋式速度傳感器的測速電路是利用直流電動機(jī)的電動勢正比于速度的原理構(gòu)成的，其電路如圖7.6所示。由圖可以求得橋路的輸出電壓為7.1.2橋式速度傳感器橋式速度傳感器又分為由直流電動機(jī)組成的和交流電動機(jī)組成的測速10橋式測速電路的輸出電壓正比于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方法可以得到較高的測速精度。7.1.2橋式速度傳感器橋式測速電路的輸出電壓正比于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，7.1.2橋式速度117.1.3脈沖編碼器脈沖編碼器是一種回轉(zhuǎn)編碼器，可以用來測相對位移，單位時間內(nèi)的相對角位移就是角速度。回轉(zhuǎn)編碼器在檢測角位移的同時，配以定時器便可檢測出角速度。7.1.3脈沖編碼器脈沖編碼器是一種回轉(zhuǎn)編碼器，可以用來12脈沖編碼器作速度檢測的原理脈沖編碼器在經(jīng)過一個單位角位移時，便產(chǎn)生一個脈沖，下圖是用脈沖編碼器作速度檢測的原理圖。PG(A)是脈沖編碼器的輸出脈沖?？梢钥闯觯妹}沖編碼器輸出信號的上升沿打開計數(shù)器，對高頻時鐘信號進(jìn)行計數(shù)；用其下降沿打開鎖存器，對計數(shù)器內(nèi)的計數(shù)值進(jìn)行鎖存，這樣，鎖存器的內(nèi)容就是角位移所經(jīng)過的時間，求其倒數(shù)，便可得到速度。脈沖編碼器作速度檢測原理圖脈沖編碼器作速度檢測的原理脈沖編碼器在經(jīng)過一個單位角位移時，13

增量式脈沖編碼器

增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。就精度和可靠性來講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號是用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）來區(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)10萬個脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測外，還可以用于速度檢測。光電式脈沖編碼器通常與電機(jī)做在一起，或者安裝在電機(jī)非軸伸端，電動機(jī)可直接與滾珠絲杠相連，或通過減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個脈沖對應(yīng)機(jī)床工作臺移動的距離可用下式計算：增量式脈沖編碼器14式中

—脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；S—滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）；i—減速齒輪的減速比；M—脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)（p/r）。增量式編碼器的優(yōu)點：沒有接觸磨損，允許的轉(zhuǎn)速高精度高及可靠性好。增量式編碼器的缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜價格高安裝困難。第7章-機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中常用的檢測元件課件15

根據(jù)脈沖數(shù)和頻率可測量出工作軸的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖

16

光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成（圖7-7）。光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與工作軸連在一起，光電盤轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號，經(jīng)過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號。通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測出轉(zhuǎn)角。測出脈沖的變化率，即單位時間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、17

為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的兩個窄縫距離彼此錯開1/4節(jié)距，使兩個光電元件輸出信號相位差900。如圖7-8所示，A、B信號為具有900相位差的正弦波，經(jīng)放大和整形變?yōu)榉讲ˋ1、B1。設(shè)A相比B相超前時為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相超前A相就是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，利用A相與B相的相位關(guān)系可以判別旋轉(zhuǎn)方向。此外，在光電盤的里圈不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用以產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖信號，它是軸旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個脈沖。

為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的兩個窄縫距18

電流

AB

節(jié)距

ωt

A1

B1

900

圖脈沖編碼器輸出波形

電流19

在數(shù)控機(jī)床上，光電脈沖編碼器作為位置檢測裝置，用在數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，將位置檢測信號反饋給CNC裝置。圖5-17所示為辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖。脈沖編碼器輸出的交變信號經(jīng)過差分驅(qū)動和差分接收進(jìn)入CNC裝置，再經(jīng)過整形放大電路變成二個方波系列。將和它的反向信號微分（上升沿微分）后得到和脈沖系列，作為加、減計數(shù)脈沖。路方波信號被用作加、減計數(shù)脈沖的控制信號，正走時（A超前B），由Y2門輸出加計數(shù)脈沖，此時Y1門輸出為低電平（圖5-17）；反走時（B超前A），由Y1門輸出減計數(shù)脈沖，此時Y2門輸出為低電平。這種讀數(shù)方式每次反映的都是相對于上一次讀數(shù)的增量，而不能反映轉(zhuǎn)軸在空間的絕對位置，所以是增量讀數(shù)法。

在數(shù)控機(jī)床上，光電脈沖編碼器作為位置檢測裝置，20

減計數(shù)

加計數(shù)

辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖差分整形放大Y1微分差分整形放大Y21微分差整形放大Y1微差整形放大Y21微21

辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖第7章-機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中常用的檢測元件課件22

光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)（圖5-18）的工作原理如下：光電脈沖編碼器與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖序列，其脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。若工作臺靜止，指令脈沖和反饋脈沖都為零，兩路脈沖送入數(shù)字脈沖比較器中進(jìn)行比較，結(jié)果輸出也為零。因伺服電機(jī)的速度給定為零，工作臺依然不動。隨著指令脈沖的輸出，指令脈沖不為零，在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖仍為零，比較器輸出指令信號與反饋信號的差值，經(jīng)放大后，驅(qū)動電機(jī)帶動工作臺移動。電機(jī)運轉(zhuǎn)后，光電脈沖編碼器將輸出反饋脈沖送入比較器，與指令脈沖進(jìn)行比較，如果偏差不為零，工作臺繼續(xù)移動，不斷反饋，直到偏差為零，即反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)時，工作臺停在指令規(guī)定的位置上。光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服23

數(shù)字比較伺服系統(tǒng)

24*

7.1.4磁性編碼器(電磁式脈沖發(fā)生器)

和增量式光電編碼器一樣，磁性編碼器也是由位移量變換成數(shù)字式電脈沖信號的傳感器，近年來發(fā)展相當(dāng)迅速，已有磁鼓式、磁敏電阻式、勵磁磁環(huán)式、霍爾元件式等多種類型。它也是計數(shù)型速度傳感器。*

7.1.4磁性編碼器(電磁式脈沖發(fā)生器)

和251、磁鼓式編碼器(見圖7.9)工作原理*

7.1.4磁性編碼器(電磁式脈沖發(fā)生器)

當(dāng)工作軸轉(zhuǎn)動時，磁性傳感器檢測到磁通的變化所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，通過轉(zhuǎn)換電路輸出三路方波脈沖A,B和Z，其中A和B兩路相位差90oZ脈沖是指工作軸每轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個脈沖。1、磁鼓式編碼器(見圖7.9)工作原理*

7.1.4262、磁鼓式編碼器的優(yōu)點是:(1)不用發(fā)光二極管，所以耗電低;(2)結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，響應(yīng)速度快，壽命長，成本低;(3)因外形是鼓狀，適合高速運轉(zhuǎn);(4)適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，不怕灰塵、油污和水露，更適合于惡劣環(huán)境下工作。磁鼓式編碼器的不足之處是:

(1)因是磁鼓狀，故慣性大;(2)目前尚不容易得到高分辨率，一般1024脈沖/r，但可在12000r/min的高速下運行。(3)編碼器也可做成增量式或絕對值式，在數(shù)字隨動系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。*

7.1.4磁性編碼器(電磁式脈沖發(fā)生器)

2、磁鼓式編碼器的優(yōu)點是:*

7.1.4磁性編碼器27三、絕對式編碼器與增量式編碼器相比有哪些特點1、坐標(biāo)值從絕對編碼盤中直接讀出，不會有累計誤差2、運轉(zhuǎn)速度可以提高。3、編碼器本身具有機(jī)械式存儲功能，因停電或其它原因造成坐標(biāo)值清除，通電后仍能找到原絕對坐標(biāo)。4、當(dāng)進(jìn)給轉(zhuǎn)速大于一轉(zhuǎn)，需要作特別處理。三、絕對式編碼器與增量式編碼器相比有哪些特點287.2線位移傳感器精確而可靠地發(fā)出位置給定信號并檢測被控對象的位移是位置伺服系統(tǒng)工作良好的基本保證。位置傳感器將具體的直線或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成模擬的或數(shù)字的電量，再通過信號處理電路或算法，形成與控制器輸人量相匹配的位置誤差信號。位置傳感器線位移傳感器角位移傳感器，二者可以互相轉(zhuǎn)化｛7.2線位移傳感器｛297.2.1差動變壓器1差動變壓器工作原理及特性

差動變壓器結(jié)構(gòu)如圖所示。

7.2.1差動變壓器1差動變壓器工作原理及特性

差動變30當(dāng)鐵芯處于中間位置時，輸出電壓:

當(dāng)鐵芯向右移動時，則輸出電壓:

當(dāng)鐵芯向左移動時，則輸出電壓:

輸出電壓的方向反映了鐵芯的運動方向，大小反映了鐵芯的位移大小。

7.2.1差動變壓器當(dāng)鐵芯處于中間位置時，輸出電壓:

31輸出特性如圖所示。7.2.1差動變壓器輸出特性如圖所示。7.2.1差動變壓器327.2差動變壓器2、差動變壓器位移計的測量電路

1).大位移測量電路

電路如圖所示。只測位移大小時，用圖a、b電路；大小、方向都測時，用圖c、d的相敏檢波電路。

7.2差動變壓器2、差動變壓器位移計的測量電路

1).大337.2差動變壓器2).微小位移測量電路

DGS—20C/A型測微儀的框圖如示。

7.2差動變壓器2).微小位移測量電路

DGS—20C347.2.2感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式兩類。直線式感應(yīng)同步器是由可以相對移動的定尺滑尺組成。定尺和滑尺均粘有用印制電路方法制成的矩形繞組按工作狀態(tài)：感應(yīng)同步器又可分為鑒相型(滑尺兩繞組勵磁電壓幅值相同而相位不同)和鑒幅型(滑尺兩繞組勵磁電壓相位相同而幅值不同)兩類。7.2.2感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式兩類357.2.2感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種：

直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位移測量。圖6-6感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)圖7.2.2感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁36直線感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，鋼板上用銅箔印刷繞組（印刷電路）。長尺叫定尺，安裝在機(jī)床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動部件上，兩者平行放置，保持0.25-0.05mm間隙。感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)圖7.2.2感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，定尺和377.2.2感應(yīng)同步器

1.鑒相型系統(tǒng)的工作原理鑒相測量方式是在滑尺A,B兩勵磁繞組分別加上兩個同頻率、同幅值而相位差為90“的交流電壓uA、uB，其中uA=Umsint,uB=Umcosωt.

當(dāng)滑尺兩繞組加上交流電壓后，則在定尺繞組上將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。設(shè)滑尺位移x,在空間上對應(yīng)的電角度為θ,則因繞組A產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為kUmsinωtcosθ

，因繞組B產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為kUmcosωtcos(θ+900)由于A,B兩繞組在空間上差90“電角度)。式中k為定尺與滑尺的電磁禍合系數(shù)，根據(jù)疊加原理，定尺上感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢e為二者之和，7.2.2感應(yīng)同步器1.鑒相型系統(tǒng)的工作原理38在定尺繞組上產(chǎn)生合成電壓為

kUmmsin(ωt-θ)若感應(yīng)同步器的節(jié)距為2τ，則滑尺直線位移量x與θ之間的關(guān)系為θ=2πx2τ=πxτ可見，在一個節(jié)距內(nèi)θ與x是一一對應(yīng)的。通過測量定尺感應(yīng)電壓的相位θ，即可測量出定尺相對滑尺的位移x。鑒相系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖7.2.2感應(yīng)同步器在定尺繞組上產(chǎn)生合成電壓為鑒相系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖7.2.239鑒幅方式則感應(yīng)到定尺繞組電勢為V=-KVmsin(θm-θ)sinωt(6-15a)若θm=θ，則V=0。給滑尺的正弦繞組S和余弦繞組C分別通以頻率相同、相位相同但幅值不同且能由指令角位移θ調(diào)節(jié)的交流電壓，即Us=VmsinθsinωtUc=Vmcosθsinωt圖6-9鑒幅系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖鑒幅方式則感應(yīng)到定尺繞組電勢為給滑尺的正弦繞組S和余弦繞組C40感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系圖感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對41

若設(shè)定尺繞組節(jié)距為，它對應(yīng)的感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化了，當(dāng)滑尺移動距離為時，則對應(yīng)感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化相位角。由比例關(guān)系

可得

設(shè)表示滑尺上一相繞組的激磁電壓

則定尺繞組感應(yīng)電壓為

式中K—耦合系數(shù)；

—激磁電壓的幅值；

ω—激磁電壓的角頻率；

—與位移對應(yīng)的角度。若設(shè)定尺繞組節(jié)距為，它對應(yīng)的感應(yīng)電壓以42感應(yīng)電壓的幅值變化規(guī)律就是一個周期性的余弦曲線。在一個周期內(nèi)，感應(yīng)電壓的某一幅值對應(yīng)兩個位移點，如關(guān)系圖中M、N兩點。為確定唯一位移，在滑尺上與正弦繞組錯開1/4節(jié)距處，配置了余弦繞組。同樣，若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵磁電壓，也能得出定尺繞組感應(yīng)電壓與兩尺相對位移的關(guān)系曲線，它們之間為正弦函數(shù)關(guān)系(圖中OP)。若滑尺上的正、余弦繞組同時勵磁，就可以分辨出感應(yīng)電壓值所對應(yīng)的唯一確定的位移。感應(yīng)電壓的幅值變化規(guī)律就是一個周期性的余弦曲線。在一個周期內(nèi)43假定激磁電壓的θ與定尺、滑尺的實際相位角θm不一致時，設(shè)θm=θ+α，則V=-KVmsinαsinωt(615b)當(dāng)α很小時，上式可近似表示為V=-(KVmsinωt)α(615c)由上式可知，定尺上感應(yīng)電勢與α成正比，即V隨指令給定的位移量x(θ)與工作臺實際位移量x1(θm)的差值Δx(α)成正比變化。因此通過測量V的幅值，就可以測定位移量Δx的大小。當(dāng)工作臺位移值未達(dá)到指令要求值時，即x1≠x(θm≠θ)時，定尺上感應(yīng)電壓V≠0。該電壓經(jīng)檢波放大控制伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動機(jī)床工作臺移動。當(dāng)工作臺移動至x1=x(θm=θ)時，定尺上感應(yīng)電壓V=0，誤差信號消失，工作臺停止移動。定尺上感應(yīng)電壓V同時輸至相敏放大器，與來自相位補(bǔ)償器的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號進(jìn)行比較，以控制工作臺的運動方向。注意：假定激磁電壓的θ與定尺、滑尺的實際相位角θm不一致時，設(shè)θm44感應(yīng)同步器的特點(1)精度高感應(yīng)同步器的極對數(shù)多，平均效應(yīng)所產(chǎn)生的測量精度要比制造精度高，且輸出信號是由滑尺和定尺之間相對移動產(chǎn)生的，中間無機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以測量結(jié)果只受本身精度的影響。(2)測量長度不受限制當(dāng)測量長度大于250mm時，可以采用多塊尺接長，相鄰定尺間隔可用塊規(guī)或激光測長儀進(jìn)行調(diào)整，使總長度上的累積誤差不大于單塊定尺的最大偏差。(3)對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)直線式感應(yīng)同步器的金屬基尺與安裝部件的材料的膨脹系數(shù)相似，當(dāng)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。(4)維護(hù)簡單、壽命長定尺、滑尺之間無接觸磨損，在機(jī)床上安裝簡單。但使用時需要加防護(hù)罩，防止切屑進(jìn)入定、滑尺之間劃傷導(dǎo)片。由于感應(yīng)同步器具有一系列的優(yōu)點，所以廣泛用于位移檢測。感應(yīng)同步器安裝時，要注意定尺與滑尺之間的間隙，一般在(0.25±0.05)mm范圍內(nèi)。間隙變化也必須控制在0.01mm之內(nèi)。如間隙過大，將影響測量信號的靈敏度。其特點如下。感應(yīng)同步器的特點(1)精度高感應(yīng)同步器的極對數(shù)多，平均效應(yīng)45小結(jié)作為位置檢測裝置，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)輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測位移量。

感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。是根據(jù)互感原理工作的。小結(jié)作為位置檢測裝置，鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位467.3.1伺服電位器

最常用的伺服電位器是接觸式電阻變換器，或稱為電阻式位移變換器。它的工作原理是:在輸入位移的作用下，改變接人電路中的固定電阻，即改變其電阻值的大小。實際應(yīng)用中通常將兩個電位器并聯(lián)構(gòu)成橋式電路，用以測量系統(tǒng)位移誤差的大小，7.3.1伺服電位器477.3.1伺服電位器如圖7.18所示。電位器的滑動端固定在轉(zhuǎn)軸上，其戶指令軸相連的稱為發(fā)送電位器RPT，和輸出軸相連的睡收電位器RPR。兩滑動端之間的輸出電壓△U與輸出角位移差△θ。成正比，即

7.3.1伺服電位器如圖7.18所示。電位器的滑動端固定在轉(zhuǎn)487.3.2自整角機(jī)

自整角機(jī)是自動控制系統(tǒng)中的同步元件。利用兩臺或多臺自整角機(jī)在電路上的聯(lián)系，可以使相隔一定距離、機(jī)械上互不連接的兩根或多根轉(zhuǎn)軸保持同步旋轉(zhuǎn)或產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)角變化。

與發(fā)送軸（即主動軸）耦合的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)；與接收軸（即被動軸）耦合的自整角機(jī)稱為接收機(jī)。7.3.2自整角機(jī)自整角機(jī)是自動控制系統(tǒng)中的同497.3.3旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器（又稱同步分解器)是一種旋轉(zhuǎn)式的小型交流電機(jī)，它由定子和轉(zhuǎn)子組成。圖6-3所示的是一種無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)圖，左邊為分解器，右邊為變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的。圖6-3無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)圖1—電機(jī)軸；2—外殼；3—分解器定子；4—變壓器定子繞組；5—變壓器轉(zhuǎn)子繞組；6—變壓器轉(zhuǎn)子；7—變壓器定子；8—分解器轉(zhuǎn)子；9—分解器定子繞組；10—分解器轉(zhuǎn)子繞組7.3.3旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器（又稱同步分解器)是一種50旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用實際使用時通常采用多極形式，如正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子均由兩個匝數(shù)相等，軸線相互垂直的繞組構(gòu)成，如圖6-5所示。一個轉(zhuǎn)子繞組接高阻抗作為補(bǔ)償，另一個轉(zhuǎn)子繞組作為輸出，應(yīng)用疊加原理，其磁通為：轉(zhuǎn)子輸出電壓則為：應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器作位置檢測元件，有兩種方法：鑒相型和鑒幅型應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用實際使用時通常采用多極形式，如正余弦旋轉(zhuǎn)變壓51ΦcΦsΦccosθΦsθθΦssinθΦc正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器ΦcΦsΦccosθΦsθθΦssinθΦc正余弦旋轉(zhuǎn)變壓52（1）鑒相型應(yīng)用在此狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子兩相正交繞組即正弦繞組S和余弦繞組C中分別加上幅值相等、頻率相同而相位相差90°的正弦交流電壓(如圖6-5所示)，

Us=Vmsinωt（6-2）Uc=Vmcosωt(6-3)這兩相激磁電壓會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在轉(zhuǎn)子繞組中(另一繞組短接)感應(yīng)電動勢為

U2=Ussinθ+Uccosθ即U2=KVmsinωt·sinθ+KVmcosωt·cosθ=KVmcos(ωt-θ)測量轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的相位角θ，即可測得轉(zhuǎn)子相對于定子的空間轉(zhuǎn)角位置。在實際應(yīng)用時，把對定子正弦繞組激磁的交流電壓相位作為基準(zhǔn)相位，與轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓相位作比較，來確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的位移。（1）鑒相型應(yīng)用在此狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子兩相正交繞組即正53(2)鑒幅型應(yīng)用這種應(yīng)用中，定子兩相繞組的激磁電壓為頻率相同、相位相同而幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓，即Us=Vmsinθsinωt(6-4)Uc=Vmcosθsinωt(6-5)激磁電壓頻率為2～4kHz。定子激磁信號產(chǎn)生的合成磁通在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢U2，其大小與轉(zhuǎn)子和定子的相對位置即θm有關(guān)，并與激磁的幅值Vmsinθ和Vmcosθ有關(guān)，即U2=KVmsin(θ-θm)sinωt(6-6)若θm=θ，則U2=0。(2)鑒幅型應(yīng)用這種應(yīng)用中，定子兩相繞組的激磁電壓為頻率相54小結(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測裝置，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)輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測位移量。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的。小結(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測裝置，鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相557.3.4絕對值式編碼器絕對式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測裝置，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其對應(yīng)的測量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動角度。絕對值式編碼器是利用其圓盤上的圖案來表示數(shù)值的。絕對式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種，以接觸式四位絕對編碼器為例來說明其工作原理。7.3.4絕對值式編碼器絕對式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測裝置56接觸式四位絕對編碼器

二進(jìn)制編碼器7.3.4絕對值式編碼器接觸式四位絕對編碼器二進(jìn)制編碼器7.3.4絕對值式編碼57碼位四位二進(jìn)制編碼盤a)b)7.3.4絕對值式編碼器碼位四位二進(jìn)制編碼盤a)58圖所示為二進(jìn)制編碼盤，圖中空白的部分透光，表示“0”；加點(陰影)的部分不透光，表示“1”。按照圓盤上形成的二進(jìn)位的每一環(huán)配置光電變換器，即圖中用黑點所示位置，隔著圓盤從后側(cè)用光源照射。此編碼盤共有四環(huán)，每一環(huán)配置的光電變換器對應(yīng)為20、21、22、23。圖中，內(nèi)側(cè)是二進(jìn)制的高位，即23；外側(cè)是二進(jìn)制的低位，如“1101”，讀出的是十進(jìn)制“13”的角度坐標(biāo)值。二進(jìn)制編碼器的主要缺點是圖案變化無規(guī)律，在使用中多位同時變化，易產(chǎn)生較多的誤讀。經(jīng)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖6-12所示的葛萊編碼盤，它的特點是，每相鄰十進(jìn)制數(shù)之間只一位二進(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數(shù)單位之內(nèi)，提高了可靠性。7.3.4絕對值式編碼器圖所示為二進(jìn)制編碼盤，圖中空白的部分透光，表示“0”；加點(59絕對值式編碼器的優(yōu)缺點絕對值式編碼器比增量編碼器具有較多優(yōu)點：坐標(biāo)值可從絕對編碼盤中直接讀出，不會有累積進(jìn)程中的誤計數(shù)；運轉(zhuǎn)速度可以提高，編碼器本身具有機(jī)械式存儲功能，即便因停電或其他原因造成坐標(biāo)值清除，通電后，仍可找到原絕對坐標(biāo)位置。其缺點是，當(dāng)進(jìn)給轉(zhuǎn)數(shù)大于一轉(zhuǎn)時，需作特別處理，如用減速齒輪將兩個以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。7.3.4絕對值式編碼器絕對值式編碼器的優(yōu)缺點絕對值式編碼器比增量編碼器具有較多優(yōu)點60第7章機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中常用的檢測元件第7章機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中常用的61檢測元件的作用與分類位置檢測裝置按工作條件和測量要求不同，有下面幾種分類方法：直接測量和間接測量直接測量間接測量數(shù)字式測量和模擬式測量數(shù)字式測量模擬量測量增量式測量和絕對式測量增量式測量絕對式測量檢測元件的作用與分類位置檢測裝置按工作條件和測量要求不同，有62位移檢測裝置的分類測角測長位移檢測裝置數(shù)字式增量式光電盤圓光柵數(shù)碼盤絕對式—模擬式增量式同步分解器圓感應(yīng)同步器磁盤絕對式多極同步分解器同步分解器組件三重式圓感應(yīng)同步器長光柵多通道透射光柵直線感應(yīng)同步器磁尺數(shù)字式增量式絕對式模擬式增量式絕對式多重式直線感應(yīng)同步器———位移檢測裝置的分類測角測長位移檢測裝置數(shù)字式增量式光電盤圓光637.1速度傳感器速度傳感器分直線速度型和角速度型。測速發(fā)電機(jī)也是一種常用的速度傳感器。速度傳感器一般用于數(shù)控系統(tǒng)伺服單元的速度檢測控制中，因此角速度傳感器用得較多。7.1速度傳感器速度傳感器分直線速度型和角速度型。測速發(fā)647.1.1測速發(fā)電機(jī)是一種能把機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅?。它與一般的發(fā)電機(jī)相比有如下兩個特點。(1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格地呈線性關(guān)系。(2)輸出電勢與轉(zhuǎn)速比的斜率大。測速發(fā)電機(jī)分交流和直流兩大類。交流測速發(fā)電機(jī)又有同步、異步之分。在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中，常用的是交流異步測速發(fā)電機(jī)和直流測速發(fā)電機(jī)。7.1.1測速發(fā)電機(jī)是一種能把機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲?51.交流測速發(fā)電機(jī)如圖1所示，定子為兩組在空間相互成90°角安置的繞組，轉(zhuǎn)子則為空心杯形結(jié)構(gòu)。當(dāng)在勵磁繞組上施加恒定的單相交流電壓U1時，發(fā)電機(jī)工作繞組便會輸出與轉(zhuǎn)速n大小成正比的交流電壓信號U2，其有效值為：

E2=4.44N2f1KΦdn∝n式中，N2為輸出繞組的線圈匝數(shù)；f1為勵磁電壓的頻率；K為繞組系數(shù)(K≈1)；Φd為電機(jī)中的合成磁通。圖1交流測速發(fā)電機(jī)工作原理圖1.交流測速發(fā)電機(jī)如圖1所示，定子為兩組在空間相互成90°662.直流測速發(fā)電機(jī)它一般都做成永磁式，其工作原理如圖7-2所示。在恒定磁場Φ下，當(dāng)電樞以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，電樞上的導(dǎo)體切割磁力線，在瞬間產(chǎn)生空載感應(yīng)電動勢Eo，它的值由下式確定：

Eo=KeΦn式中，Ke為電勢常數(shù)；Φ為磁通。從上式可以看出，空載輸出電壓U=Eo，它與轉(zhuǎn)速n成正比。當(dāng)存在負(fù)載電阻RL和電樞回路總電阻Ro時，則U=Eo-IRo=Eo-URo/RLU=Eo/(1+Ro/RL)U=KeΦn/(1+Ro/RL)

由此可以看出，當(dāng)Φ、Ro、RL不變時，測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n成正比。2.直流測速發(fā)電機(jī)它一般都做成永磁式，其工作原理如圖7-267影響直流測速發(fā)電機(jī)測量結(jié)果的因素(1)周圍環(huán)境溫度的變化使繞組電阻發(fā)生變化，從而產(chǎn)生線性誤差。(2)電樞反應(yīng)，也就是由于電樞電流所產(chǎn)生的磁場會影響測速發(fā)電機(jī)的磁場，從而引起測量誤差。(3)電樞回路的電阻隨電樞電流的變化而變化，破壞了輸出電壓與轉(zhuǎn)速的線性關(guān)系。為了減少以上影響：測速發(fā)電機(jī)的磁路應(yīng)選得足夠飽和；同時還應(yīng)將負(fù)載電流限制在較小的范圍內(nèi)。注意：影響直流測速發(fā)電機(jī)測量結(jié)果的因素(1)周圍環(huán)境溫度的變化使68在一些控制系統(tǒng)中，為了滿足電動機(jī)穩(wěn)速或系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，也常采用簡單的速度反饋方法，以獲得與速度成正比的電氣信號。通常電氣信號取自由電動機(jī)組成的橋式測速電路。這種電氣信號的線性精度不高，但能滿足某些系統(tǒng)的要求。7.1.2橋式速度傳感器在一些控制系統(tǒng)中，為了滿足電動機(jī)穩(wěn)速或系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，也常采69橋式速度傳感器又分為由直流電動機(jī)組成的和交流電動機(jī)組成的測速電路。直流橋式速度傳感器的測速電路是利用直流電動機(jī)的電動勢正比于速度的原理構(gòu)成的，其電路如圖7.6所示。由圖可以求得橋路的輸出電壓為7.1.2橋式速度傳感器橋式速度傳感器又分為由直流電動機(jī)組成的和交流電動機(jī)組成的測速70橋式測速電路的輸出電壓正比于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方法可以得到較高的測速精度。7.1.2橋式速度傳感器橋式測速電路的輸出電壓正比于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，7.1.2橋式速度717.1.3脈沖編碼器脈沖編碼器是一種回轉(zhuǎn)編碼器，可以用來測相對位移，單位時間內(nèi)的相對角位移就是角速度?；剞D(zhuǎn)編碼器在檢測角位移的同時，配以定時器便可檢測出角速度。7.1.3脈沖編碼器脈沖編碼器是一種回轉(zhuǎn)編碼器，可以用來72脈沖編碼器作速度檢測的原理脈沖編碼器在經(jīng)過一個單位角位移時，便產(chǎn)生一個脈沖，下圖是用脈沖編碼器作速度檢測的原理圖。PG(A)是脈沖編碼器的輸出脈沖?？梢钥闯觯妹}沖編碼器輸出信號的上升沿打開計數(shù)器，對高頻時鐘信號進(jìn)行計數(shù)；用其下降沿打開鎖存器，對計數(shù)器內(nèi)的計數(shù)值進(jìn)行鎖存，這樣，鎖存器的內(nèi)容就是角位移所經(jīng)過的時間，求其倒數(shù)，便可得到速度。脈沖編碼器作速度檢測原理圖脈沖編碼器作速度檢測的原理脈沖編碼器在經(jīng)過一個單位角位移時，73

增量式脈沖編碼器

增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。就精度和可靠性來講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號是用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）來區(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)10萬個脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測外，還可以用于速度檢測。光電式脈沖編碼器通常與電機(jī)做在一起，或者安裝在電機(jī)非軸伸端，電動機(jī)可直接與滾珠絲杠相連，或通過減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個脈沖對應(yīng)機(jī)床工作臺移動的距離可用下式計算：增量式脈沖編碼器74式中

—脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；S—滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）；i—減速齒輪的減速比；M—脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)（p/r）。增量式編碼器的優(yōu)點：沒有接觸磨損，允許的轉(zhuǎn)速高精度高及可靠性好。增量式編碼器的缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜價格高安裝困難。第7章-機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中常用的檢測元件課件75

根據(jù)脈沖數(shù)和頻率可測量出工作軸的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖

76

光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成（圖7-7）。光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與工作軸連在一起，光電盤轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號，經(jīng)過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號。通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測出轉(zhuǎn)角。測出脈沖的變化率，即單位時間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、77

為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的兩個窄縫距離彼此錯開1/4節(jié)距，使兩個光電元件輸出信號相位差900。如圖7-8所示，A、B信號為具有900相位差的正弦波，經(jīng)放大和整形變?yōu)榉讲ˋ1、B1。設(shè)A相比B相超前時為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相超前A相就是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，利用A相與B相的相位關(guān)系可以判別旋轉(zhuǎn)方向。此外，在光電盤的里圈不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用以產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖信號，它是軸旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個脈沖。

為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的兩個窄縫距78

電流

AB

節(jié)距

ωt

A1

B1

900

圖脈沖編碼器輸出波形

電流79

在數(shù)控機(jī)床上，光電脈沖編碼器作為位置檢測裝置，用在數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，將位置檢測信號反饋給CNC裝置。圖5-17所示為辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖。脈沖編碼器輸出的交變信號經(jīng)過差分驅(qū)動和差分接收進(jìn)入CNC裝置，再經(jīng)過整形放大電路變成二個方波系列。將和它的反向信號微分（上升沿微分）后得到和脈沖系列，作為加、減計數(shù)脈沖。路方波信號被用作加、減計數(shù)脈沖的控制信號，正走時（A超前B），由Y2門輸出加計數(shù)脈沖，此時Y1門輸出為低電平（圖5-17）；反走時（B超前A），由Y1門輸出減計數(shù)脈沖，此時Y2門輸出為低電平。這種讀數(shù)方式每次反映的都是相對于上一次讀數(shù)的增量，而不能反映轉(zhuǎn)軸在空間的絕對位置，所以是增量讀數(shù)法。

在數(shù)控機(jī)床上，光電脈沖編碼器作為位置檢測裝置，80

減計數(shù)

加計數(shù)

辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖差分整形放大Y1微分差分整形放大Y21微分差整形放大Y1微差整形放大Y21微81

辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖第7章-機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中常用的檢測元件課件82

光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)（圖5-18）的工作原理如下：光電脈沖編碼器與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖序列，其脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。若工作臺靜止，指令脈沖和反饋脈沖都為零，兩路脈沖送入數(shù)字脈沖比較器中進(jìn)行比較，結(jié)果輸出也為零。因伺服電機(jī)的速度給定為零，工作臺依然不動。隨著指令脈沖的輸出，指令脈沖不為零，在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖仍為零，比較器輸出指令信號與反饋信號的差值，經(jīng)放大后，驅(qū)動電機(jī)帶動工作臺移動。電機(jī)運轉(zhuǎn)后，光電脈沖編碼器將輸出反饋脈沖送入比較器，與指令脈沖進(jìn)行比較，如果偏差不為零，工作臺繼續(xù)移動，不斷反饋，直到偏差為零，即反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)時，工作臺停在指令規(guī)定的位置上。光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服83

數(shù)字比較伺服系統(tǒng)

84*

7.1.4磁性編碼器(電磁式脈沖發(fā)生器)

和增量式光電編碼器一樣，磁性編碼器也是由位移量變換成數(shù)字式電脈沖信號的傳感器，近年來發(fā)展相當(dāng)迅速，已有磁鼓式、磁敏電阻式、勵磁磁環(huán)式、霍爾元件式等多種類型。它也是計數(shù)型速度傳感器。*

7.1.4磁性編碼器(電磁式脈沖發(fā)生器)

和851、磁鼓式編碼器(見圖7.9)工作原理*

7.1.4磁性編碼器(電磁式脈沖發(fā)生器)

當(dāng)工作軸轉(zhuǎn)動時，磁性傳感器檢測到磁通的變化所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，通過轉(zhuǎn)換電路輸出三路方波脈沖A,B和Z，其中A和B兩路相位差90oZ脈沖是指工作軸每轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個脈沖。1、磁鼓式編碼器(見圖7.9)工作原理*

7.1.4862、磁鼓式編碼器的優(yōu)點是:(1)不用發(fā)光二極管，所以耗電低;(2)結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，響應(yīng)速度快，壽命長，成本低;(3)因外形是鼓狀，適合高速運轉(zhuǎn);(4)適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，不怕灰塵、油污和水露，更適合于惡劣環(huán)境下工作。磁鼓式編碼器的不足之處是:

(1)因是磁鼓狀，故慣性大;(2)目前尚不容易得到高分辨率，一般1024脈沖/r，但可在12000r/min的高速下運行。(3)編碼器也可做成增量式或絕對值式，在數(shù)字隨動系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。*

7.1.4磁性編碼器(電磁式脈沖發(fā)生器)

2、磁鼓式編碼器的優(yōu)點是:*

7.1.4磁性編碼器87三、絕對式編碼器與增量式編碼器相比有哪些特點1、坐標(biāo)值從絕對編碼盤中直接讀出，不會有累計誤差2、運轉(zhuǎn)速度可以提高。3、編碼器本身具有機(jī)械式存儲功能，因停電或其它原因造成坐標(biāo)值清除，通電后仍能找到原絕對坐標(biāo)。4、當(dāng)進(jìn)給轉(zhuǎn)速大于一轉(zhuǎn)，需要作特別處理。三、絕對式編碼器與增量式編碼器相比有哪些特點887.2線位移傳感器精確而可靠地發(fā)出位置給定信號并檢測被控對象的位移是位置伺服系統(tǒng)工作良好的基本保證。位置傳感器將具體的直線或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成模擬的或數(shù)字的電量，再通過信號處理電路或算法，形成與控制器輸人量相匹配的位置誤差信號。位置傳感器線位移傳感器角位移傳感器，二者可以互相轉(zhuǎn)化｛7.2線位移傳感器｛897.2.1差動變壓器1差動變壓器工作原理及特性

差動變壓器結(jié)構(gòu)如圖所示。

7.2.1差動變壓器1差動變壓器工作原理及特性

差動變90當(dāng)鐵芯處于中間位置時，輸出電壓:

當(dāng)鐵芯向右移動時，則輸出電壓:

當(dāng)鐵芯向左移動時，則輸出電壓:

輸出電壓的方向反映了鐵芯的運動方向，大小反映了鐵芯的位移大小。

7.2.1差動變壓器當(dāng)鐵芯處于中間位置時，輸出電壓:

91輸出特性如圖所示。7.2.1差動變壓器輸出特性如圖所示。7.2.1差動變壓器927.2差動變壓器2、差動變壓器位移計的測量電路

1).大位移測量電路

電路如圖所示。只測位移大小時，用圖a、b電路；大小、方向都測時，用圖c、d的相敏檢波電路。

7.2差動變壓器2、差動變壓器位移計的測量電路

1).大937.2差動變壓器2).微小位移測量電路

DGS—20C/A型測微儀的框圖如示。

7.2差動變壓器2).微小位移測量電路

DGS—20C947.2.2感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式兩類。直線式感應(yīng)同步器是由可以相對移動的定尺滑尺組成。定尺和滑尺均粘有用印制電路方法制成的矩形繞組按工作狀態(tài)：感應(yīng)同步器又可分為鑒相型(滑尺兩繞組勵磁電壓幅值相同而相位不同)和鑒幅型(滑尺兩繞組勵磁電壓相位相同而幅值不同)兩類。7.2.2感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式兩類957.2.2感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種：

直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位移測量。圖6-6感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)圖7.2.2感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁96直線感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，鋼板上用銅箔印刷繞組（印刷電路）。長尺叫定尺，安裝在機(jī)床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動部件上，兩者平行放置，保持0.25-0.05mm間隙。感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)圖7.2.2感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，定尺和977.2.2感應(yīng)同步器

1.鑒相型系統(tǒng)的工作原理鑒相測量方式是在滑尺A,B兩勵磁繞組分別加上兩個同頻率、同幅值而相位差為90“的交流電壓uA、uB，其中uA=Umsint,uB=Umcosωt.

當(dāng)滑尺兩繞組加上交流電壓后，則在定尺繞組上將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。設(shè)滑尺位移x,在空間上對應(yīng)的電角度為θ,則因繞組A產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為kUmsinωtcosθ

，因繞組B產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為kUmcosωtcos(θ+900)由于A,B兩繞組在空間上差90“電角度)。式中k為定尺與滑尺的電磁禍合系數(shù)，根據(jù)疊加原理，定尺上感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢e為二者之和，7.2.2感應(yīng)同步器1.鑒相型系統(tǒng)的工作原理98在定尺繞組上產(chǎn)生合成電壓為

kUmmsin(ωt-θ)若感應(yīng)同步器的節(jié)距為2τ，則滑尺直線位移量x與θ之間的關(guān)系為θ=2πx2τ=πxτ可見，在一個節(jié)距內(nèi)θ與x是一一對應(yīng)的。通過測量定尺感應(yīng)電壓的相位θ，即可測量出定尺相對滑尺的位移x。鑒相系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖7.2.2感應(yīng)同步器在定尺繞組上產(chǎn)生合成電壓為鑒相系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖7.2.299鑒幅方式則感應(yīng)到定尺繞組電勢為V=-KVmsin(θm-θ)sinωt(6-15a)若θm=θ，則V=0。給滑尺的正弦繞組S和余弦繞組C分別通以頻率相同、相位相同但幅值不同且能由指令角位移θ調(diào)節(jié)的交流電壓，即Us=VmsinθsinωtUc=Vmcosθsinωt圖6-9鑒幅系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖鑒幅方式則感應(yīng)到定尺繞組電勢為給滑尺的正弦繞組S和余弦繞組C100感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系圖感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對101

若設(shè)定尺繞組節(jié)距為，它對應(yīng)的感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化了，當(dāng)滑尺移動距離為時，則對應(yīng)感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化相位角。由比例關(guān)系

可得

設(shè)表示滑尺上一相繞組的激磁電壓

則定尺繞組感應(yīng)電壓為

式中K—耦合系數(shù)；

—激磁電壓的幅值；

ω—激磁電壓的角頻率；

—與位移對應(yīng)的角度。若設(shè)定尺繞組節(jié)距為，它對應(yīng)的感應(yīng)電壓以102感應(yīng)電壓的幅值變化規(guī)律就是一個周期性的余弦曲線。在一個周期內(nèi)，感應(yīng)電壓的某一幅值對應(yīng)兩個位移點，如關(guān)系圖中M、N兩點。為確定唯一位移，在滑尺上與正弦繞組錯開1/4節(jié)距處，配置了余弦繞組。同樣，若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵磁電壓，也能得出定尺繞組感應(yīng)電壓與兩尺相對位移的關(guān)系曲線，它們之間為正弦函數(shù)關(guān)系(圖中OP)。若滑尺上的正、余弦繞組同時勵磁，就可以分辨出感應(yīng)電壓值所對應(yīng)的唯一確定的位移。感應(yīng)電壓的幅值變化規(guī)律就是一個周期性的余弦曲線。在一個周期內(nèi)103假定激磁電壓的θ與定尺、滑尺的實際相位角θm不一致時，設(shè)θm=θ+α，則V=-KVmsinαsinωt(615b)當(dāng)α很小時，上式可近似表示為V=-(KVmsinωt)α(615c)由上式可知，定尺上感應(yīng)電勢與α成正比，即V隨指令給定的位移量x(θ)與工作臺實際位移量x1(θm)的差值Δx(α)成正比變化。因此通過測量V的幅值，就可以測定位移量Δx的大小。當(dāng)工作臺位移值未達(dá)到指令要求值時，即x1≠x(θm≠θ)時，定尺上感應(yīng)電壓V≠0。該電壓經(jīng)檢波放大控制伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動機(jī)床工作臺移動。當(dāng)工作臺移動至x1=x(θm=θ)時，定尺上感應(yīng)電壓V=0，誤差信號消失，工作臺停止移動。定尺上感應(yīng)電壓V同時輸至相敏放大器，與來自相位補(bǔ)償器的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號進(jìn)行比較，以控制工作臺的運動方向。注意：假定激磁電壓的θ與定尺、滑尺的實際相位角θm不一致時，設(shè)θm104感應(yīng)同步器的特點(1)精度高感應(yīng)同步器的極對數(shù)多，平均效應(yīng)所產(chǎn)生的測量精度要比制造精度高，且輸出信號是由滑尺和定尺之間相對移動產(chǎn)生的，中間無機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以測量結(jié)果只受本身精度的影響。(2)測量長度不受限制當(dāng)測量長度大于250mm時，可以采用多塊尺接長，相鄰定尺間隔可用塊規(guī)或激光測長儀進(jìn)行調(diào)整，使總長度上的累積誤差不大于單塊定尺的最大偏差。(3)對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)直線式感應(yīng)同步器的金屬基尺與安裝部件的材料的膨脹系數(shù)相似，當(dāng)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。(4)維護(hù)簡單、壽命長定尺、滑尺之間無接觸磨損，在機(jī)床上安裝簡單。但使用時需要加防護(hù)罩，防止切屑進(jìn)入定、滑尺之間劃傷導(dǎo)片。由于感應(yīng)同步器具有一系列的優(yōu)點，所以廣泛用于位移檢測。感應(yīng)同步器安裝時，要注意定尺與滑尺之間的間隙，一般在(0.25±0.05)mm范圍內(nèi)。間隙變化也必須控制在0.01mm之內(nèi)。如間隙過大，將影響測量信號的靈敏度。其特點如下。感應(yīng)同步器的特點(1)精度高感應(yīng)同步器的極對數(shù)多，平均效應(yīng)105小結(jié)作為位置檢測裝置，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)輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測位移量。

感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。是根據(jù)互感原理工作的。小結(jié)作為位置檢測裝置，鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位1067.3.1伺服電位器

最常用的伺服電位器是接觸式電阻變換器，或稱為電阻式位移變換器。它的工作原理是:在輸入位移的作用下，改變接人電路中的固定電阻，即改變其電阻值的大小。實際應(yīng)用中通常將兩個電位器并聯(lián)構(gòu)成橋式電路，用以測量系統(tǒng)位移誤差的大小，7.3.1伺服電位器1077.3.1伺服電位器如圖7.18所示。電位器的滑動端固定在轉(zhuǎn)軸上，其戶指令軸相連的稱為發(fā)送電位器RPT，和輸出軸相連的睡收電位器RPR。兩滑動端之間的輸出電壓△U與輸出角位移差△θ。成正比，即

7.3.1伺服電位器如圖7.18所示。電位器的滑動端固定在轉(zhuǎn)1087.3.2自整角機(jī)

自整角機(jī)是自動控制系統(tǒng)中的同步元件。利用兩臺或多臺自整角機(jī)在電路上的聯(lián)系，可以使相隔一定距離、機(jī)械