交流伺服运动控制系统检测技术及元件 课件.ppt

1、1 1）电流、电压检测）电流、电压检测2 2）磁极位置检测）磁极位置检测3 3）电机、功率器件温度检测）电机、功率器件温度检测4 4）电机动子位置、速度检测）电机动子位置、速度检测5 5）运动机构的速度及位置检测）运动机构的速度及位置检测2.1 2.1 交流伺服运动控制系统的检测要求交流伺服运动控制系统的检测要求p 检测的精确性、快速性、可靠性是反馈控制检测的精确性、快速性、可靠性是反馈控制性能的基础性能的基础 2.2 2.2 检测技术原理检测技术原理 检测技术是研究信息提取、信息转换及信检测技术是研究信息提取、信息转换及信息处理的理论和技术。息处理的理论和技术。通俗的讲，就是把一种不方便表示

2、的量转通俗的讲，就是把一种不方便表示的量转化为某种方便表示的量进行表示。化为某种方便表示的量进行表示。敏感元件（或传感器）：敏感元件（或传感器）：将感知的被测量按一定规律转化为某一种量将感知的被测量按一定规律转化为某一种量值输出，通常是值输出，通常是电信号电信号。信号调理电路信号调理电路实现信号实现信号转换和放大转换和放大滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处理滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处理p 检测系统构成检测系统构成 传感器是检测系统的第一个环节，顾名思义，传感器是检测系统的第一个环节，顾名思义，传感器的功能是传感器的功能是“感感+传传”，即感受被测信息，即感受被测信息，并传送出去。由

3、并传送出去。由敏感元件、转换元件、转换电敏感元件、转换元件、转换电路路三部分组成。三部分组成。敏感元件是能够灵敏地感受被测量并作出响敏感元件是能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件；应的元件；转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。量转换成电路参数的元件。1 传感器传传 感感 器器量程切换电路量程切换电路放放 大大 器器 解解 调调 器器信号分离电路信号分离电路运运 算算 电电 路路模数转换电路模数转换电路计计 算算 机机显示执行机构显示执行机构振振 荡荡 器器 电电 源源1）模拟式测量电路的基本组成2 信号调理电路 被测的量用被测的量

4、用连续变量连续变量来表示，如电压变化、相位来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。将模拟输入小信号放大到将模拟输入小信号放大到A/DA/D转换的量程范围转换的量程范围之内，如之内，如0-5VDC;0-5VDC;对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。单端同相放大或单端反相放大。信号源的一端若接放大器的正端为同相放大，信号源的一端若接放大器的正端为同相放大，放大倍数放大倍数G G=1+R2/R1=1+R2/R1；若接放大器的负端为反相放大，若接放大器的负端为

5、反相放大，G G=R2/R1R2/R1。a a）放大器的作用）放大器的作用VIVO1R2R图 2-5 放大电路VIVO1R2R(a)同相放大UsUs(b)反相放大原理：将被测电流通过一个已知的取样电阻，测量原理：将被测电流通过一个已知的取样电阻，测量电阻两端的电压即可得到被测电流。既可以测量直电阻两端的电压即可得到被测电流。既可以测量直流，也可以测量交流；不同量程的电流可以选择不流，也可以测量交流；不同量程的电流可以选择不同的取样电阻。同的取样电阻。选择取样电阻：选择取样电阻：1k1k、100100、1010、11、0.10.1，便可测量电流：便可测量电流：200A200A、2mA2mA、20

6、mA20mA、200mA200mA、2A2A输出电压：输出电压：200mv200mvA A/D DR Rx xIr-+A Am mp p取取样样电电阻阻b b）欧姆法测量电流欧姆法测量电流（I/VI/V变换变换 ）原理：电流流过导线，周围会感生出磁场，霍尔原理：电流流过导线，周围会感生出磁场，霍尔器件检测由电流感生的磁场器件检测由电流感生的磁场,霍尔输出电流放大后霍尔输出电流放大后通过补偿线圈，产生相反的磁场，使磁芯中磁通通过补偿线圈，产生相反的磁场，使磁芯中磁通为为0 0，达到平衡后，由，达到平衡后，由IsIs测量导线通过的电流。测量导线通过的电流。c c）闭环）闭环霍尔法测量电流霍尔法测量

7、电流指令传感器指令传感器传传 感感 器器显示执行机构显示执行机构计计 算算 机机锁锁 存存 器器计计 数数 器器转换电路转换电路脉冲当量脉冲当量放放 大大 器器整形电路整形电路细分电路细分电路手动采样手动采样锁存指令锁存指令辨向电路辨向电路2）数字式测量电路的基本组成 被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉脉冲冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。信号抗干扰能力强、处理简单。p 性能指标性能指标 系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最系统精度：是指在一定长度或转角内

8、测量积累误差的最大值，如大值，如0.0020.0020.02mm/m0.02mm/m，10/36010/360等等 系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如直线位移的分辨率为如直线位移的分辨率为0.0010.0010.01mm0.01mm。角位移分辨率为。角位移分辨率为22p 作用作用 检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环，对驱动装置进行控制。半闭环，对驱动装置进行控制。p 要求要求 工作可靠，抗干扰能力强工作可靠，抗干扰能力强满足精度、分辨率、测量范围满足精度、分辨率、测量范围使用维修

9、方便、成本低使用维修方便、成本低2.4 2.4 运动控制系统测量运动控制系统测量p 检测装置的分类 按检测信号分：数字式、模拟式按检测信号分：数字式、模拟式 按测量基准分：增量式、绝对式按测量基准分：增量式、绝对式 按安装位置关系分：直接测量、间接测量按安装位置关系分：直接测量、间接测量位置位置检测检测装置装置直线型直线型旋转型旋转型感应同步器感应同步器光栅光栅磁尺磁尺旋转变压器旋转变压器脉冲编码器脉冲编码器1 1 旋转变压器旋转变压器p 旋转变压器的结构旋转变压器的结构 在结构上和两相绕线式异步电动机相似，由在结构上和两相绕线式异步电动机相似，由定子和转于组成。定子和转于组成。定子绕组为变压

10、器的一次绕组定子绕组为变压器的一次绕组 转子绕组为变压器的二次绕组。转子绕组为变压器的二次绕组。根据互感原理工根据互感原理工作的，定子绕组加上作的，定子绕组加上励磁电压，通过电磁励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生耦合，转子绕组产生感应电功势感应电功势输出感应电功势输出感应电功势大小与转子位置有关大小与转子位置有关p 旋转变压器工旋转变压器工作原理作原理 特点特点 结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，广泛便，输出信号幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。应用于数控机床上。实际采用正余

11、实际采用正余弦旋转变压器，弦旋转变压器，其定子由两组匝其定子由两组匝数相等、互相垂数相等、互相垂直的绕组构成。直的绕组构成。p 旋转变压器旋转变压器的应用的应用鉴相方式鉴相方式 在旋转变压器定子的两相正交绕组上分别加上幅值相等、频率相同的正弦、余弦激磁电压 ，转子旋转后，两个激磁电压 在转子绕组中产生的感应电压线性叠加得总感应电压为：因此，只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角。鉴幅方式鉴幅方式 给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同的激磁电压 ，则在转子绕组上得到感应电压为 不断修改激磁调幅电压幅值的电气角电，使之跟踪机的变化，并测量感应电压幅值即可求得机械角位移机。t

12、UUmssinsin电1cossincmUUt电tkUkUkUUmcssincos(cossin）机电机机）机机机tkUkUkUUmcscos(cossintUUmssintUUmccos感应同步器是旋转感应同步器是旋转变压器演变而来，也是变压器演变而来，也是一种电磁感应式的位移一种电磁感应式的位移检测装置。检测装置。圆型感应同步器圆型感应同步器 由定子和转子组成，由定子和转子组成，用于测量角位移用于测量角位移直线型感应同步器直线型感应同步器 由定子和转子组成，由定子和转子组成，用于测量直线位移用于测量直线位移 2 2 感应同步器感应同步器p 直线感应同步器的结构直线感应同步器的结构 利用两个

13、平面形印刷利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气绕组，其间保持均匀气隙约为隙约为(0.25(0.250.05)mm 0.05)mm 作相对平行移动，根作相对平行移动，根据交变磁场和互感原理据交变磁场和互感原理而工作的而工作的滑尺上有正弦和余弦滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置励磁绕组，在空间位置上相差上相差1/41/4节距，定尺节距，定尺和滑尺绕组的节距相同和滑尺绕组的节距相同W 滑尺在移动一个节距的过程中，感滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势变化了一个周期。应电势变化了一个周期。若励磁电压若励磁电压u uUmsinUmsint t，那么在定，那么在定尺绕组产生的感应电势尺绕组产生的感应

14、电势e e为为 e ekUmcoskUmcoscoscost t 滑尺上的正弦、余滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差、同幅值、相位差9090的交流电压，即的交流电压，即 ususUmsinUmsint t uc ucUmcosUmcost t us us和和ucuc单独励磁，单独励磁，在定尺绕组上感应电势在定尺绕组上感应电势分别为分别为 eseskUmcoskUmcoscoscost t ec eckUmcos(kUmcos(/2)sin/2)sint t kUmsinkUmsinsinsint tp 感应同步器输出信号的处理方式感应同步器输出信号的处理方

15、式（鉴相方式）（鉴相方式）根据感应输出电压的相根据感应输出电压的相位来检测位移量。位来检测位移量。根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e e为为 e eesesecec kUmcoskUmcoscoscost tkUmsinkUmsinsinsint t kUmcos(kUmcos(t t)kUmcos(kUmcos(t t 2 2x/W)x/W)根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位置。即可测量定尺和滑尺之间的相对位置。例：感应电势与励磁电压相位差例：感应电势与励磁电压相位

16、差=1.8=1.8，节距，节距W=2mmW=2mm，=2=2x/W=0.01mmx/W=0.01mm光栅检测装置基本结构示意图光栅检测装置基本结构示意图 3 3 直线透射光栅直线透射光栅 由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为称为“莫尔条纹莫尔条纹”。p 直线透射光栅的工作原理直线透射光栅的工作原理B2Bp 莫尔条纹的莫尔条纹的放大作用放大作用 莫尔条纹莫尔条纹纹纹距距B 与光栅节距与光栅节距w和倾角和倾角之间之间的关系的关系：由于由于很小，因此很小，因此 22

17、sin/w B w B 为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开1/41/4纹距的光电纹距的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差元件，使输出电信号彼此在相位上差9090，若以其中的一个，若以其中的一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号9090，由此来确定运动方向。由此来确定运动方向。倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生若干个脉冲，达到细分的

18、目的。产生若干个脉冲，达到细分的目的。提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，精密机床的测量常采用高倍频。精密机床的测量常采用高倍频。例：栅距例：栅距 w=0.01mmw=0.01mm，十倍频后，最小读数值十倍频后，最小读数值1mm.1mm.p 直线透射光栅的直线透射光栅的辨向辨向p 直线透射光栅的直线透射光栅的倍频倍频 优点：优点：1 1）精度高，精度）精度高，精度 0.5-3mm0.5-3mm，分辨率，分辨率 0.1mm0.1mm 2 2）易实现动态测量和自动化测量）易实现动态测量和自动化测量 3 3）较强的抗干扰能力）较强的抗干扰能

19、力 缺点：缺点：1 1）对环境要求高，怕振动，怕油污）对环境要求高，怕振动，怕油污 2 2）高精度光栅制作成本高）高精度光栅制作成本高 目前多用于精密定位的数控机床。目前多用于精密定位的数控机床。p 直线透射光栅的特点直线透射光栅的特点 光电盘随主轴转动，光电元件把通过光电盘和光光电盘随主轴转动，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号近似于正弦信号)转转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，计算脉冲的数目，可测出工作轴的转角，测定信号，计算脉冲的数目，可测出工作轴的转角，测定计

20、数脉冲的频率，可测出工作轴的转速。计数脉冲的频率，可测出工作轴的转速。4 4 光电编码器光电编码器（1）分辩率）分辩率 改变一个计数字所对应的转速变化量来表示改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率分辨率Q，Q 越小，测速装置的分辩能力越强。越小，测速装置的分辩能力越强。（2）测速精度）测速精度 测量值与实际值的相对误差来表示，测量值与实际值的相对误差来表示，%100nn 的大小与测速方法有关。的大小与测速方法有关。p 数字测速方法：数字测速方法：M M法法脉冲直接计数法脉冲直接计数法 T T 法法脉冲时间计数法脉冲时间计数法 M/TM/T法法脉冲时间混合计数法脉冲时间混合计数法p M M

21、法测速法测速PLG倍频电路BusZ记录记录T Tc c时间内旋转编码器时间内旋转编码器PLGPLG发出的脉冲数发出的脉冲数M M1 1，则，则c160ZTMn Z=Z=倍频系数倍频系数PLGPLG光栅数。光栅数。测速原理与波形图CountercT1MM法测速适用于高速%1001%10060)1(60 601c1c1c1maxMZTMZTMZTMcc1c16060)1(60ZTZTMZTMQ分辨率：分辨率：误差率：误差率：PLG倍频电路ConterCPUINTnf0记录记录PLGPLG一个脉冲一个脉冲间间的高频的高频脉冲个数脉冲个数M M2 2，f f0 0为高频脉冲为高频脉冲频率，则频率，则电

22、路与波形2060ZMfn p T T法测速法测速%10011%10060 60 )1(602202020maxMZMfZMfMZf)1(6060)1(602202020MZMfZMfMZfQT法测速适用于低速 M/TM/T法既检测法既检测 T Tc c 时间内时间内PLGPLG输出的脉冲输出的脉冲个数个数M M1 1，又检测相同时，又检测相同时间间隔的高频时钟脉冲间间隔的高频时钟脉冲个数个数M M2 2。p M/T M/T法测速法测速测速原理与波形图C201t160 60ZMfMZTMn%1001M1%100ZMfM60 ZMfM60)1M(ZfM602201201201maxM/TM/T法测

23、速适用的转速范围宽，测速精度高法测速适用的转速范围宽，测速精度高p 结构结构 绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码(图案图案)来来表示轴的位置。表示轴的位置。5 5 绝对式光电脉冲编码器绝对式光电脉冲编码器p 码盘的种类码盘的种类 按码制不同分二进制码、格雷码（循环码）、十进按码制不同分二进制码、格雷码（循环码）、十进制码、六十进制码等，最常用的是二进制循环

24、码盘。制码、六十进制码等，最常用的是二进制循环码盘。纯二进制码有一个纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，多个数位要进行切换，增大了误读的机率。增大了误读的机率。而而码则不同，相码则不同，相邻两个二进制数码只有邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此两一个数位不同，因此两数切换时只在一位进行，数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。提高了读数的可靠性。p 工作原理工作原理 光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的排

25、列与码道一一对应，亮区输出为“1”，暗区输出为“0”，再经信息处理电路，进行放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码，从而实现了角度的绝对值测量。p 应用应用 在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度时，当编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解决和速度时，当编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解决方法：方法：在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所转过的圈数转过的圈数N，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数。之后将两个码盘所检测的

26、进行。之后将两个码盘所检测的进行(N360)的叠加。的叠加。在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上的在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上的一个专门的代码为一个专门的代码为“零零”代码，当码盘转过代码，当码盘转过“零零”代码时，计数代码时，计数器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测度数的器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测度数的目的。目的。磁尺位置检测装置是由磁性标尺（简称磁尺）、磁头和检测电路组成，该装置方框图如图所示。磁尺的测量原理类似于磁带的录音原理。在非导磁的材料如铜、不锈钢、玻璃或其他合金材料的基体上镀一层磁性薄膜。在测量前，先按标准尺度以一定间

27、隔(一般为0.05mm)在磁性薄膜上录制一系列的磁信号。这些磁信号就是一个个按SN-NS-SN-NS方向排列的小磁体，这时的磁性薄膜称为磁栅。测量时，磁栅随位移而移动（或转动）并用磁头读取(感应)这些移动的磁栅信号，使磁头内的线圈产生感应正弦电动势。对这些电动势的频率进行计数，就可以测量位移了。6 6 磁尺磁尺p 磁头将高频励磁电流通人励磁绕组时，在磁头上产生磁通1。当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁信号产生的磁通0进入磁头铁心，并被高频励磁电流产生的磁通1所调制。于是在拾磁线圈中感应电压为式中 U0感应电压系数；磁尺磁化信号的节距；x磁头相对于磁尺的位移；励磁电流的角频率。p 检测电路 有两种工作

28、方式，鉴相式和鉴幅式。（1）光栅传感器 光栅传感器的最大优点是信号处理方式简单，使用方便，测量精度高（国外著名厂家如德国Heidenhain、西班牙Fagor等公司制造的光栅传感器精度可达1m/m）；缺点是光栅尺价格较昂贵，对工作环境要求较高，玻璃光栅尺的线胀系数与机床不一致，易造成测量误差。（2）磁栅传感器 磁栅尺可分为线状（有效测量长度3m）和带状（有效测量长度可达30m）两种型式，其优点是制造成本较低，安装使用方便，线胀系数与机床相同；缺点是测量精度低于光栅尺，由于磁信号强度随使用时间而不断减弱，因此需要重新录磁，给使用带来不便。（3）感应同步器 感应同步器的优点是制造成本低，安装使用方

29、便，对工作环境条件要求不高；缺点是信号处理方式较复杂，测量精度受到测量方法的限制（传统测量方法的测量精度约为25m）。2.5 综合比较 模拟式传感器的输出信号需利用模数转换器模拟式传感器的输出信号需利用模数转换器(A/D)(A/D)进行数字化处理，而在高分辨率情况下进行数字化处理，而在高分辨率情况下A/DA/D转换的成转换的成本较高，此外解决微小模拟信号（如微伏级）的抗干本较高，此外解决微小模拟信号（如微伏级）的抗干扰问题也相当困难。扰问题也相当困难。在数字式传感器中，绝对式编码器可输出并行数在数字式传感器中，绝对式编码器可输出并行数字信号，无需字信号，无需A/DA/D转换，易与计算机接口。但

30、随着测转换，易与计算机接口。但随着测量精度的提高，绝对式编码器的成本也越来越高，甚量精度的提高，绝对式编码器的成本也越来越高，甚至高于高精度至高于高精度A/DA/D转换的成本，因此在许多实际应用转换的成本，因此在许多实际应用场合难以被接受。场合难以被接受。增量式传感器和信号调制式传感器的制造成本较低，增量式传感器和信号调制式传感器的制造成本较低，抗干扰能力较强，可在不改变编码器刻线密度的情况抗干扰能力较强，可在不改变编码器刻线密度的情况下采用细分技术大幅度提高分辨率，因此在传动链精下采用细分技术大幅度提高分辨率，因此在传动链精度测量中这两类传感器使用最多。度测量中这两类传感器使用最多。数字式数字式模拟式模拟式增量式增量式绝对式绝对式增量式增量式绝对式绝对式回转形回转形 圆光栅、圆光栅、编码盘编码盘编码盘编码盘旋转变压器、圆感旋转变压器、圆感应同步器、圆形磁应同步器、圆形磁栅栅多级旋转变压多级旋转变压器器直线形直线形 长光栅、长光栅、激光干涉激光干涉仪仪编码尺编码尺直线感应同步器、直线感应同步器、磁栅、磁栅、容栅容栅绝对值式磁尺绝对值式磁尺位置（角度）、速度检测装置分类位置（角度）、速度检测装置分类