第六章 伺服系统检测元件教材PPT课件
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位置检测装置的分类 按检测元件输出信号类型：数字式、模拟式、脉冲式 按检测量测量基准：绝对式、增量式 按被测位移量类型：直线式、回转式 按与被测对象联系方式：接触式、非接触式
常用的传感器：旋转变压器，感应同步器，光栅，光电盘和编 码盘
回转型：脉冲编码器，旋转变压器，圆感应同步器，圆光栅，磁栅，多 速旋转变压器，绝对脉冲编码器，三速感应同步器
闭环、实 位 反闭半际置馈环闭数环控进机给床伺的服实 速 反加际 度 馈系工统精的度重在要很组大成电机程部度分上。是由位
置检测装置的精度检决测与定反的馈 ，在设计数控机床进给伺服
单元
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。
综述
位置检测元件的性能要求 可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强 满足精度、速度和测量范围的要求 使用维护方便，便于与CNC系统相联 成本↓，寿命↑
U s U m s int和 U c U m c o st
相应的感应电动势分别为：
ud1 kUmcoscost
ud2
kUm
cos(
)sint
2
应用叠加原理，定尺上感应电动势为：
ud ud1 ud2
kUm cos cost kUm sin sint
kUm cos(t )
kUm
cos(t
直线型：直线感应同步器，计量光栅，磁尺，激光干涉仪，三速感应同 步器，绝对值式磁尺。
综述
分类
增量式
绝对式
回转型——脉冲编码器、 多极旋转变压器 、
自整角机 、旋转变压度传感式光栅 、 三速圆感应同
器 、圆光栅、圆磁栅
步器 、磁阻式多极旋转
传感器
它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：
u 2 km U sin si tn si nkm U c ossi tn c os kco s )U (m si tn
由上式中可以看出，电压的幅值随转子的偏转角的变
化而变化，测量幅值即可求出θ。α为电相角，通过不断 修改电相角，使其跟踪θ的变化。
二、感应同步器
第五章 伺服系统检测元件
综述（数控机床检测装置的类型与要求
位 置 控及制位置检测装速 置度 控的制分类 ）
CN 单元
单元
C插 + 一、位旋置转控制变压+器 速度控制
补 指令
二- 、感调节应器同步器-
调节与驱动
机械执行 部件
三四实位反、、际置馈 光磁栅尺测量装实 速 反置际 度 馈
电 机
五、脉冲编检码测单器与元反馈
变压器
直线型——直线应同步 三速感应同步器 、 器 、光栅尺、磁栅尺 、激 绝对值磁尺、光电编码 光干涉仪 霍耳位置传感器 尺 、磁性编码器
速度
交、直流测速发电机 、 速度 角度传感器
—
传感器 数字脉编码式速度传感器 、（Tachsyn）、数字电
霍耳速度传感器
磁、磁敏式速度传感器
电流 霍耳电流传感器
传感器
一、旋转变压器
1、工作原理 2、工作方式
1、工作原理
旋转变压器根据互感原理，在定子绕组上加交流励磁电 压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势。关系为：
u 2 k1s ui nkm U sitn sin
式中： k为定子与转子
绕组的匝数 比; Um电：压最大瞬时 θ ：两绕组轴 线间夹角。
2
W
x)
式中θ为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角。如两
尺相对位移为x，绕组节距为W，则相位角θ为：
2 x W
（2）鉴幅型
如滑尺上正余弦 绕组分别能以同 频同相但幅值不 等的交流励磁电
uc ucm sint和us usmsint ucm Um cos1 usm Um sin1
压：
1为给定的电相角
1、感应同步器的结构： 感应同步器按结构可 分为直线式和旋转式 两种。 直线式主要包括定尺 和滑尺两部分组成， 定尺上为连续绕组， 滑尺上为分段绕组。 相当于一个展开的多 极旋转变压器。
W W/4
2、感应同步器的工作原理
当励磁绕组用一定频率的正弦电压励磁时，产生 同频率的交变磁通，感应绕组与这个交变磁通耦 合，感应出同频率的交变电动势。
机床中常用 正余弦旋转 变压器
2、工作方式
1）旋转变压器的信号处理方式有两种：鉴相型工作方式和 鉴幅型工作方式。
2）鉴相型工作方式 ：当给定子两绕组分别通以同幅，同频 但相位相差90度的交流励磁电压，即
u1s Um sint u1c Um cost
它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：
u2kU msin tsinkU mco tsco s kU mcots()
测量转子绕组输出电压的相位角θ即可测得转子相对于定子 的转角位置。
2、工作方式
3）鉴幅型工作方式：当给定子两绕组分别通以同频同相位 但幅值不同的交流励磁电压，即
u u1 1c s U U c sm m s sii n ntt,式 中 U U c sm m ： U U m mc sio ns
ud
kusm
cos
cost
kucm
cos(
)cost
2
应用叠加 原理，定
k(usm cos ucm sin)cost
尺上感应 kUm sin(1 )cost
电动势为： kUm sin(1
2
W
x)cost
故定尺的感应电压的大小为：
|ud|kU msin 1 ()
当：1 时，ud 0 ，故在滑尺移动中出现的该点称为节距零点。
3、信号处理
根据精度和工作要求不同，主要有鉴相型 工作方式和鉴幅型工作方式
鉴相型：根据被测对象的信号相位角来鉴别位 移量
鉴幅型：根据被测对象的信号振幅来鉴别信号 位移量
（1）鉴相型
使滑尺上余弦和正弦绕组的配置错开1/4定 尺节距的距离，而且使两个绕组的励磁电压 同频等幅，彼此相差90度电相角，则励磁 信号分别为：
若改变滑尺的位置使1 ，则在定尺上出现感应电压
ud kUmsin(1)cost kUmsincost
综述
组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信
位号置处控理制装置组成的速。度 控 制
CN 单元作用：实时测量单执元行部件的位移和速度信号，并变
C插 补
换+ 成位- 置位控调置制节控器单制 元所+ 要- 求的调速节信度与控号驱制动形式，将运机部件械动执部行件现
指令 实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是
常用的传感器：旋转变压器，感应同步器，光栅，光电盘和编 码盘
回转型：脉冲编码器，旋转变压器，圆感应同步器，圆光栅，磁栅，多 速旋转变压器，绝对脉冲编码器，三速感应同步器
闭环、实 位 反闭半际置馈环闭数环控进机给床伺的服实 速 反加际 度 馈系工统精的度重在要很组大成电机程部度分上。是由位
置检测装置的精度检决测与定反的馈 ，在设计数控机床进给伺服
单元
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。
综述
位置检测元件的性能要求 可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强 满足精度、速度和测量范围的要求 使用维护方便，便于与CNC系统相联 成本↓，寿命↑
U s U m s int和 U c U m c o st
相应的感应电动势分别为：
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ud2
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)sint
2
应用叠加原理，定尺上感应电动势为：
ud ud1 ud2
kUm cos cost kUm sin sint
kUm cos(t )
kUm
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直线型：直线感应同步器，计量光栅，磁尺，激光干涉仪，三速感应同 步器，绝对值式磁尺。
综述
分类
增量式
绝对式
回转型——脉冲编码器、 多极旋转变压器 、
自整角机 、旋转变压度传感式光栅 、 三速圆感应同
器 、圆光栅、圆磁栅
步器 、磁阻式多极旋转
传感器
它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：
u 2 km U sin si tn si nkm U c ossi tn c os kco s )U (m si tn
由上式中可以看出，电压的幅值随转子的偏转角的变
化而变化，测量幅值即可求出θ。α为电相角，通过不断 修改电相角，使其跟踪θ的变化。
二、感应同步器
第五章 伺服系统检测元件
综述（数控机床检测装置的类型与要求
位 置 控及制位置检测装速 置度 控的制分类 ）
CN 单元
单元
C插 + 一、位旋置转控制变压+器 速度控制
补 指令
二- 、感调节应器同步器-
调节与驱动
机械执行 部件
三四实位反、、际置馈 光磁栅尺测量装实 速 反置际 度 馈
电 机
五、脉冲编检码测单器与元反馈
变压器
直线型——直线应同步 三速感应同步器 、 器 、光栅尺、磁栅尺 、激 绝对值磁尺、光电编码 光干涉仪 霍耳位置传感器 尺 、磁性编码器
速度
交、直流测速发电机 、 速度 角度传感器
—
传感器 数字脉编码式速度传感器 、（Tachsyn）、数字电
霍耳速度传感器
磁、磁敏式速度传感器
电流 霍耳电流传感器
传感器
一、旋转变压器
1、工作原理 2、工作方式
1、工作原理
旋转变压器根据互感原理，在定子绕组上加交流励磁电 压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势。关系为：
u 2 k1s ui nkm U sitn sin
式中： k为定子与转子
绕组的匝数 比; Um电：压最大瞬时 θ ：两绕组轴 线间夹角。
2
W
x)
式中θ为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角。如两
尺相对位移为x，绕组节距为W，则相位角θ为：
2 x W
（2）鉴幅型
如滑尺上正余弦 绕组分别能以同 频同相但幅值不 等的交流励磁电
uc ucm sint和us usmsint ucm Um cos1 usm Um sin1
压：
1为给定的电相角
1、感应同步器的结构： 感应同步器按结构可 分为直线式和旋转式 两种。 直线式主要包括定尺 和滑尺两部分组成， 定尺上为连续绕组， 滑尺上为分段绕组。 相当于一个展开的多 极旋转变压器。
W W/4
2、感应同步器的工作原理
当励磁绕组用一定频率的正弦电压励磁时，产生 同频率的交变磁通，感应绕组与这个交变磁通耦 合，感应出同频率的交变电动势。
机床中常用 正余弦旋转 变压器
2、工作方式
1）旋转变压器的信号处理方式有两种：鉴相型工作方式和 鉴幅型工作方式。
2）鉴相型工作方式 ：当给定子两绕组分别通以同幅，同频 但相位相差90度的交流励磁电压，即
u1s Um sint u1c Um cost
它们在转子的绕组中产生感应电压，并叠加得：
u2kU msin tsinkU mco tsco s kU mcots()
测量转子绕组输出电压的相位角θ即可测得转子相对于定子 的转角位置。
2、工作方式
3）鉴幅型工作方式：当给定子两绕组分别通以同频同相位 但幅值不同的交流励磁电压，即
u u1 1c s U U c sm m s sii n ntt,式 中 U U c sm m ： U U m mc sio ns
ud
kusm
cos
cost
kucm
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2
应用叠加 原理，定
k(usm cos ucm sin)cost
尺上感应 kUm sin(1 )cost
电动势为： kUm sin(1
2
W
x)cost
故定尺的感应电压的大小为：
|ud|kU msin 1 ()
当：1 时，ud 0 ，故在滑尺移动中出现的该点称为节距零点。
3、信号处理
根据精度和工作要求不同，主要有鉴相型 工作方式和鉴幅型工作方式
鉴相型：根据被测对象的信号相位角来鉴别位 移量
鉴幅型：根据被测对象的信号振幅来鉴别信号 位移量
（1）鉴相型
使滑尺上余弦和正弦绕组的配置错开1/4定 尺节距的距离，而且使两个绕组的励磁电压 同频等幅，彼此相差90度电相角，则励磁 信号分别为：
若改变滑尺的位置使1 ，则在定尺上出现感应电压
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综述
组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信
位号置处控理制装置组成的速。度 控 制
CN 单元作用：实时测量单执元行部件的位移和速度信号，并变
C插 补
换+ 成位- 置位控调置制节控器单制 元所+ 要- 求的调速节信度与控号驱制动形式，将运机部件械动执部行件现
指令 实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是