第六章 位置检测技术.

图6-3 闭环控制系统示意图
第六章 位置检测技术
1.2 幅值伺服控制
第 一 节 位 置 伺 服 控 制
幅值伺服控制是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的 数值，并以此作为位置反馈信号，与指令信号进行比较，构成闭 环控制系统。 如图6-4所示为鉴幅式伺服系统框图。
图6-4 鉴幅式伺服系统框图
第六章 位置检测技术
第六章 位置检测技术
2.2 编码器在数控机床中的应用
第 二 节 光 电 编 码 器
2
位移测量
1
主轴控制
测速
零标志脉冲用于 回参考点控制
3
4
第六章 位置检测技术
3.1 光栅尺的结构及工作原理
第 三 节 光 电 尺 和 磁 栅 尺
光栅尺的结构组成
数控机床中用于直线位移检测的光栅尺有透射光栅和反射光栅 两大类 。
感应同步器和旋转变压器就是利用这个
特点进行测量的。所不同的是，旋转变 压器变化的是定子和转子的角位移，而 直线式感应同步器变化的是滑尺和定子 的直线位移。
图6-21 感应同步器的工作原理
第六章 位置检测技术
6.1 数控机床位置伺服系统可分为哪几类？
复 习 思 考 题
6.2 开环控制伺服系统有何特点？ 6.3 半闭环控制伺服系统有何特点？ 6.4 闭环控制伺服系统有何特点？ 6.5 简述光栅尺的结构组成和工作原理。 6.6 光栅尺的莫尔条纹有何特性？ 6.7 磁栅尺的优点有哪些？ 6.8 简述感应同步器的组成及工作原理。 6.9 简述旋转变压器的组成及工作原理。 6.10 简述光电编码器的组成及工作原理。
图6-14 四倍频电路信号处理波形
第六章 位置检测技术
3.3 磁栅尺的结构及工作原理
第 三 节 光 电 尺 和 磁 栅 尺
定义
磁栅是一种计算磁波数 目的位置检测元件。它由 磁性标尺、磁头和检测电 路组成。
作用
按其结构分为直线形和 圆形，分别用于直线位移 和角位移的检测。
特点
其优点是精度高，制造简单，安装方便，对使用环境 的条件要求较低，对周围电磁场的抗干扰能力较强，在
图6-7 增量式脉冲编码盘 的输出波形
第六章 位置检测技术
2.2 绝对式编码器
第 二 节 光 电 编 码 器
绝对式旋转编码器可直接将被测角度用数字代码表示出来，且每
一个角度位置均有对应的测量代码，因此，这种测量方式即使断电， 只要再通电就能读岀被测轴的角度位置，即具有断电记忆力功能。
图6-8 接触式码盘
360 = 式中，z为条纹数 z
1—转轴；2—发光二极管； 3—光栏板；4—零标志； 5—光敏元件；6—光电码 盘； 7—印制电路板； 8—电源及信号连接座 图6-6 增量式光电编码器 结构示意图
第六章 位置检测技术
2.1 增量式编码器
第 二 节 光 电 编 码 器
如果光栏板上两条夹缝中的信号分别 为A和B，相位相差90°，通过整形，成
第六章 位置检测技术
位置伺服控制 光电编码器
光栅尺和磁栅尺
旋转变压器和感应同步器
第六章 位置检测技术
1.1 位置伺服控制分类
第 一 节 位 置 伺 服 控 制
开环控制
开环控制系统是指不带位置反馈装置的控制系统。由功率型
步进电动机作为驱动元件的控制系统是典型的开环控制系统。
图6-1 开环控制系统示意图
油污、粉尘较多的场合下使用有好的稳定性。
第六章 位置检测技术
3.3 磁栅尺的结构及工作原理
第 三 节 光 电 尺 和 磁 栅 尺
磁性标尺
磁性标尺通常采用热膨胀系数与普通钢相同的不导磁材料做基体， 镀上一层10～30mm厚的高导磁性材料，形成均匀磁膜。再用录磁磁 头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号，作为测量基准，信号可为 正弦波、方波等。节距通常有0.05mm、0.1mm、0.2mm，最后在磁 尺表面还要涂上一层1～2mm厚的保护层，以防止磁头与磁尺频繁接 触而引起磁膜磨损。
图6-11 光栅尺工作原理
当工作台正向或反向移动一个栅距l时， 莫尔条纹向上或向下移动一个纹距p， 莫尔条纹经狭缝和透镜由光电元件接收， 把光信号转变为电信号。
p=
第六章 位置检测技术
3.2 光栅尺位移数字变换系统
第 三 节 光 电 尺 和 磁 栅 尺
图6-13中的a、b、c、d 是四块硅光电池，产生 的信号在相位上彼此相 差90°，a、b信号是相 位相差180°的两个信号， 送入差动放大器放大， 得到正弦信号，将信号 幅度放大到足够大。
旋转变压器是基于互感原理工作的，当对旋转变压器 的一次侧施加一定的交流电压励磁时，其二次侧的输出
电压将与转子转角严格保持某种函数关系。
第 四 节 旋 转 变 压 器 和 感 应 同 步 器
பைடு நூலகம்
第六章 位置检测技术
4.1 旋转变压器的结构和工作原理
结构组成
从转子感应电压的输出方式来看，旋转变压器分为有刷和无刷
图6-20 直线式感应同步器结构示意图 A—正弦励磁绕组；B—余弦励磁绕组
第 四 节 旋 转 变 压 器 和 感 应 同 步 器
第六章 位置检测技术
4.2 感应同步器的结构和工作原理
工作原理
感应同步器的工作原理与旋转变压器 相似。当励磁绕组和感应绕组间发生相 对位移时，由于电磁耦合的变化，感应 绕组中的感应电压随位移的变化而变化。
图6-15 磁通响应型磁头
第 四 节 旋 转 变 压 器 和 感 应 同 步 器
第六章 位置检测技术
4.1 旋转变压器的结构和工作原理
结构
在结构上与绕线转子异 步电动机相似，由定子和 转子组成，励磁电压接到 定子绕组上
作用 特点
其特点是坚固、耐热和 耐冲击，抗振性好，一般 用于精度要求不高的机床
原理
第 四 节 旋 转 变 压 器 和 感 应 同 步 器
第六章 位置检测技术
4.1 旋转变压器的结构和工作原理
工作原理
实际应用的旋转变压器为正、余弦 旋转变压器，其定子和转子各有相互 垂直的两个绕组，如图6-19所示为正、 余弦旋转变压器原理图。定子上的两 个绕组分别为正弦绕组和余弦绕组， 励磁电压用Us和Uc表示，转子绕组中
第六章 位置检测技术
1.1 位置伺服控制分类
第 一 节 位 置 伺 服 控 制
闭环控制
闭环控制系统是在机床最终的运动部件的相应位置，直接安装 直线或回转式检测装置，将直接测量到的位移或角位移反馈到数
控装置的比较器中，与输入指令位移量进行比较，用差值控制运
动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。
第六章 位置检测技术
1.1 位置伺服控制分类
第 一 节 位 置 伺 服 控 制
半闭环控制
半闭环控制系统是在开环控制伺服电动机轴上装有角位移检测 装置，通过检测伺服电动机的转角，间接地检测出运动部件的位
移，反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控
制运动部件。
图6-2 半闭环控制系统示意图
图6-9 光栅尺外观示意图 1—光栅尺；2—扫描头；3—电缆
图6-10 透射光栅组成示意图
第六章 位置检测技术
3.1 光栅尺的结构及工作原理
第 三 节 光 电 尺 和 磁 栅 尺
光栅尺的工作原理与特点
光栅尺上相邻两条光栅线纹间 的距离称为栅距或节距λ ，安装 时，要求标尺光栅和相互平行， 并且其线纹相互偏斜一个很小的 角度b，两光栅线纹相交，形成 透光和不透光的菱形条纹，这种 黑白相间的条纹称为莫尔条纹。 莫尔条纹的传播方向与光栅线纹 大致垂直。两条莫尔条纹间的距 离为p，因偏斜角度b很小，所以 有近似公式
第 二 节 光 电 编 码 器
编码器是一种旋转式转角位移检测元件，通常装在被检测的轴上。
随被测轴一起旋转，可将被测轴的角位移转换成增量式脉冲或绝对 式代码的形式。编码器根据输出信号的方式不同，可分为绝对值式 编码器和脉冲增量式编码器。
按输出信号 的方式分
绝对值式编 码器
脉冲增量式 编码器
第六章 位置检测技术
图6-13 四倍频电路
第六章 位置检测技术
3.2 光栅尺位移数字变换系统
第 三 节 光 电 尺 和 磁 栅 尺
同理，c、d信号送入另一个差动放 大器，得到余弦信号。正弦信号经整 形变成方波A，方波A信号经反相得到
方波B，余弦信号经整形变成方波C， 方波C信号经反相得到方波D，A、B、 C、D信号再经微分变成窄脉冲A′、B′、 C′、D′，即在顺时针或逆时针每个方波 的上升沿产生窄脉冲，如图6-14所示。 由与门电路把0°、90°、180°、 270°四个位置上产生的窄脉冲组合起 来，根据不同的移动方向形成正向脉 冲或反向脉冲，用可逆计数器进行计 数，就可测量出光栅的实际位移。
两种类型。 在有刷结构中，转子绕组的 端点通过电刷和滑环引出。无 刷旋转变压器由两部分组成： 一部分称为分解器，由旋转变 压器的定子和转子组成；另一 部分称为变压器，用它取代电 刷和滑环，其一次绕组与分解 器的转子轴固定在一起，与转 子轴一起旋转。
图6-18 无刷旋转变压器结构 1—壳体；2—转子轴；3—旋转变压器定子； 4—旋转变压器转子；5—变压器定子； 6—变压器转子；7—变压器一次绕组； 8—变压器二次绕组
为两个方波信号，光电编码盘的输出波
形如图6-7所示。根据A和B的先后顺序， 即可判断光电盘的正反转。若A相超前 于B相，对应转轴正转；若B相超前于A 相，则对应于轴反转。若以该方波的前 沿或后沿产生记数脉冲，可以形成代表 正向位移或反向位移的脉冲序列。除此 之外，光电脉冲编码盘每转一转还输出 一个零位脉冲的信号，这个信号可用做 加工螺纹时的同步信号。
一个绕组为输出电压U2，另一个绕组
短接。定子绕组通入不同的励磁电压， 可得到鉴相型和鉴幅型两种工作方式。
图6-19 正、余弦旋转 变压器原理图
第 四 节 旋 转 变 压 器 和 感 应 同 步 器
第六章 位置检测技术
4.2 感应同步器的结构和工作原理
结构组成
感应同步器也是一种电磁式 位置检测传感器，主要部件由 定尺和滑尺组成，定尺上是单 向、均匀、连续的感应绕组， 滑尺上有两组励磁绕组，一组 为正弦励磁绕组，其电压为Us， 另一组为余弦励磁绕组，其电 压为Uc。
2.1 增量式编码器
第 二 节 光 电 编 码 器
常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器，如图6-6所示。当 光电码盘旋转时，光线通过光栏板和光电码盘产生明暗相间的变化， 由光敏元件接收，光敏元件将光信号转换成电脉冲信号。光电编码 器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与光电码盘圆周 的条纹数有关，即分辨角为：
第六章 位置检测技术
3.3 磁栅尺的结构及工作原理
第 三 节 光 电 尺 和 磁 栅 尺
拾磁磁头
拾磁磁头是一种磁电转换装置，用来把磁性标尺上的磁化信号检测 出来变成电信号送给检测电路。 其工作原理是将高频励磁电流通入 励磁绕组时，在磁头上产生磁通， 当磁头靠近磁性标尺时，磁性标尺 上的磁信号产生的磁通通过磁头铁 芯，并被高频励磁电流产生的磁通 调制，从而在拾磁绕组中感应出电 压信号输出。
1.3 相位伺服控制
第 一 节 位 置 伺 服 控 制
相位伺服控制系统是采用相位比较方法实现位置闭环（及半闭 环）控制的伺服系统，是数控机床中使用较多的一种位置控制系 统。具有工作可靠、抗干扰性强、精度高等优点。如图6-5所示是 鉴相式伺服系统框图。
图6-5 鉴相式伺服系统框图
第六章 位置检测技术