第6章 位置检测装置

5.测量范围和量程 6.零漂与温漂 其它：可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。
旋
感
转
应
变
同
压
步
器
器
光 栅 尺
编
码
磁
器
栅
6.2 旋转变压器 6.3 感应同步器 6.4 光栅 6.5 编码盘 6.6 磁栅 6.7 激光干涉仪
6.2 旋转变压器
旋转变压器（resolver/transformer）是一 种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测 量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体 的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。
V2
A M
OB
E N 正弦绕组
DP
C 余弦绕组
应用 有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。
1. 鉴相工作方式
供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，
相位相差900的交流励磁电压
Us Um sin t
Uc Um cos t
根据叠加原理，定尺上的总感应电压为
U2
KUm
cos t
cosq +KUm
6.2 旋转变压器
1.结构
有刷旋转变压器
结构上看，旋转变压器相当 于一台两相的绕线转子异步 电动机。其一、二次侧绕组 分别放在定、转子上，一次 侧绕组与二次侧绕组之间的 电磁耦合程度与转子的转角 密切相关，输出电压与转子 转角成一定函数关系。
按照输出电压与转子转角间的函数关系，旋转变 压器可以分为： （1）正余弦旋转变压器 输出电压与转子转角成正余弦函数关系 （2）线性旋转变压器 输出电压在一定转角范围内与转子转角
E
2t
V2
A OB
E 正弦绕组
D P 移动距离 C
定尺
滑A
尺 B 1 2t
4
位 C 1 2t
2
置 D 3 2t
4
E 2t
如果滑尺处于A位置，即滑尺绕 组与定尺绕组完全对应重合，定尺 绕组线圈中穿入的磁通最多，则定 尺上的感应电压最大。随着滑尺相 对定尺做平行移动，穿入定尺的磁 通逐渐减少，感应电压逐渐减小。 当滑尺移到图中B点位置，与定尺 绕组刚好错开1/4节距时，感应电 压为零。再移动至1/2节距处，即 图中C点位置时，定尺线圈中穿出 的磁通最多，感应电压最大，但极 性相反。再移至3/4节距，即图中 D点位置时，感应电压又变为零， 当移动一个节距位置如图中E点， 又恢复到初始状态，与A点相同。 显然，在定尺移动一个节距的过程 中，感应电压近似于余弦函数变化 了一个周期，如图中ABCDE。
间接测将量旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通
过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作 为半闭环伺服系统的位置反馈用。
优点：测量方便、无长度限制 缺点：测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动 链误差，影响测量精度。
数字式测量和模拟式测量
数字式测量将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉
•
U1
S3
S4
余弦绕组
S2
R2
(a ) 定子绕组
R1
q
(b) 转子绕组
（1）鉴相工作方式
给定子正交绕组分别输入的激磁信号是频率、幅值相同，
相位相差900的交流励磁电压
Vs Um sin t
Vc Um cost
根据叠加原理，转子绕组上的总感应电压为
U 来自百度文库KUm cos(t q机 )
通过鉴别转子绕组输出电压的相位，即可测量转子相 对定子的转角，从而可以求得执行部件的直线位移或角 位移。
第 6 章 位置检测装置
数控机床的组成
输
入 装 置
计 算 机
数
控
输
装
出
置
装
置
主轴控制单元 PLC
速度控制单元
伺服电机
位置检测反馈装置
主轴
机床
工 作 台
6.1 概 述
组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处 理装置组成的。
作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成 位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反 馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环 进给伺服系统的重要组成部分。
式中 K—耦合系数；
Um—激磁电压的幅值； ω—激磁电压的角频率； θ—与位移对应的角度。
感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。 在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如 图中M、N两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错 开1/4节距处，配置了余弦绕组。同样，若在滑尺的余弦绕 组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组感应电压与两 尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系(图中 OP)。若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感 应电压值所对应的唯一确定的位移。
励磁绕组电压： U1 Um sin t 输出绕组感应电压： E2 kU1 kUm sin t 任意夹角θ时： E2 kU1 sinq kUm sin t sinq
转子绕组输出电压的幅值严格按照转子偏转角的 正弦规律变化
6.2 旋转变压器
3.应用
➢ 鉴相工作方式 ➢ 鉴幅工作方式
S1 正弦绕组
冲，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。
模拟量测将量被测的量用连续变量来表示，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。
增量式测量和绝对式测量
增量式测量
在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只 测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm 就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中 点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得， 但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。
分类
增量式
绝对式
回转型——脉冲编码器、自整 多极旋转变压器 、绝对脉
角机 、旋转变压器、圆感应同 冲编码器 绝对值式光栅 、
位移 传感器
步器 、光栅角度传感器 、圆 光栅、圆磁栅
直线型——直线应同步器 、光
三速圆感应同步器 、磁阻 式多极旋转变压器 三速感应同步器 、绝对值
栅尺、磁栅尺 、激光干涉仪 磁尺、光电编码尺 、磁性
定尺
U2
直
线
感
应
同
步
器
滑尺
结 构
正弦绕组
US
Uc
余弦绕组
感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定尺 的节距均为2τ，这是衡量感应同步器精度的主要参数。标准 感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm。 定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组， 一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组 对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。
U2
定尺
正弦绕组
US
Uc
2τ
滑尺 余弦绕组
当滑尺任意一绕组加交流激磁电压时，由于电磁感应作用 ，在定尺绕组中必然产生感应电压，该感应电压取决于滑尺 和定尺的相对位置。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时， 定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系如图所示。
定尺
滑A
尺 B 1 2t 4
位 C 1 2t 2
置 D 3 2t 4
（2）鉴幅工作方式
给定子正交绕组输入的激磁信号电压频率相同、相位相同 但幅值不同。
Us Um sinq电 sin t Uc Um cosq电 sin t
式中 q—电 给定的电气角。
则在转子绕组产生的总感应电压为
U＝KUm cos q电 q机 sint
由式可知，若电气角 已q电知，只要测出U的幅值，便能求 机械角位移 。q机实际测量时，不断调整 ，q让电幅值为KUm， 则 的变q化电量就代表了机械角位移 。 q机
感应同步器按其结构特点一般分为： ➢ 直线式 ➢ 旋转式
直线式感应同步 器由定尺和滑尺 组成，用于直线 位移测量。
旋转式感应同步器由转子和 定子组成，用于角位移测量。
构如直图线所感示应，同定步尺器和相5滑当.1尺于.的一1基个板结展采开构用的与特多机极点床旋热转膨变胀压系器数，相其近结
的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的 办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上， 短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持 0.25~0.05mm间隙。
成正比
（3）特种函数旋转变压器 可见，旋转变压器是将角度信号转换成与其成某
种函数关系的电压信号，其主要用途就是进行三角 函数计算、坐标变换和角度数据传输等。
2.工作原理
6.2 旋转变压器
正余弦旋转变压器为例
•
U1
S3
S1 正弦绕组
S4
R1
q
余弦绕组
S2
R2
(a ) 定子绕组
(b) 转子绕组
旋转变压器的绕组结构
绝对式测量
绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点 标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较 增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一 组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求 的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。
6.1 概 述
数控机床检测装置分类
sin t
cos q
2
KUm
cos(t
q)
通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和 滑尺之间的相对位移。例如定尺感应输出电压与滑尺励 磁电压之间的相位差为3.60，当节距为2mm的情况下， 表明滑尺移动了? 0.02mm
2. 鉴幅工作方式 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相 同但幅值不同。
6.2 旋转变压器
4.选用
主要技术数据 (1) 额定电压。 指励磁绕组应加的电压，有12、16、
26、36、60、90、110、115、220V等几种。 (2) 额定频率。 指励磁电压的频率，有50Hz、400Hz、
500Hz等。选择时应根据自己的需要，一般工频50Hz的 使用起来比较方便，但性能会差一些，而400Hz的性能较 好，但成本较高，故应选择性价比比较适中的产品。
☆检测信号的类型— 模拟式和数字式；
☆运动型式—
回转型和直线型；
☆信号转换的原理— 光电效应、光栅效应、
电磁感应原理、压电效应、
压阻效应和磁阻效应等。
直接测量和间接测量
直接测量将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作
台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位 置闭环控制。
优点：准确性高、可靠性好 缺点：测量装置要和工作台行程等长，大型数控机床上受制。
(5) 开路输入阻抗（空载输入阻抗）。 输出绕组开路时， 从励磁绕组看进去的等效阻抗值。标准开路输入阻抗有200、 400、600、1000、2000、3000、4000、6000和 10000等几种。
6.3 感应同步器
6.3 感应同步器
感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置， 属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随 被测直线位移或角位移而改变。
6.1 概 述
性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。 1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作
精度。高精度和高速实时测量。
2.分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。 3.灵敏度 灵敏度高、一致。 4.迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输
出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。
闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测 装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其 是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。
6.1 概 述
位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几 种分类方法：
6.1 概 述
☆安装的位置及耦合方式—直接测量和间接测量；
☆测量方法—
增量型和绝对型;
主要技术数据
(3) 变比。指在规定的励磁一方的励磁绕组上加上额定频 率的额定电压时，与励磁绕组轴线一致的处于零位的非励磁 一方绕组的开路输出电压与励磁电压的比值，有0.15、 0.56、0.65、0.78、1.0和2.0等几种。
(4) 输出相位移。 指输出电压与输入电压的相位差。该 值越小越好，一般约在3º～l2º电角度左右。
若设定尺绕组节距为2τ，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑尺 移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系
q x 2 2t
可得
q 2x x
2t t
设表示滑尺上一相绕组的激磁电压 U
Us
Um sin t
则定尺绕组感应电压为 U2 KUs cosq KUm cosq sin t
霍耳位置传感器
编码器
速度 交、直流测速发电机 、 数字 速度—角度传感器（
传感器 脉编码式速度传感器 、霍耳速 Tachsyn）、数字电磁、
度传感器
磁敏式速度传感器
电流 霍耳电流传感器
传感器
6.1 概 述
数控机床对位置检测装置的要求如下： （1） 工作可靠，抗干扰能力强； （2） 满足精度和速度的要求； （3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境； 成本 低。
Us Um sin sin t Uc Um cos sin t
式中 α—给定的电气角。 则在定尺绕组产生的总感应电压为