位置检测及控制基础Word文档下载推荐.docx

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（2）直线型

一、脉冲编码器及其应用

编码器是一种旋转式脉冲发生器。

它通常安装在被测轴上，与被测轴一起转动，将机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移检测元件。

脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。

（就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码优于其它两种。

）

数控机床上主要使用光电式脉冲编码器，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。

光电式脉冲编码器又称光电码盘，按其编码方式分为：

1．增量式光电编码器（特点：

每产生一个输出脉冲信号，就对应一个增量角位移）

（1）基本结构

光电编码器由LED、光栏板、码盘、光敏元件及印刷电路板组成。

（2）工作过程

当码盘随轴一起，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，由光敏元件接受后，变成一次电信号的强弱变化，这一变化规律近似于正弦函数。

光敏元件输出的信号经信号处理电路的整形、放大和微分处理后，便得到脉冲输出信号，脉冲数就等于转过的缝隙数，脉冲频率就表示了转速。

增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘圆周内的狭缝数有关，其分辨角

2．绝对式脉冲编码器

绝对式脉冲编码器可直接将被测角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也能测出被测轴的当前位置，即具有断电记忆功能，绝对式编码器可以分为接触式、光点式和电磁式三种。

（1）接触式码盘

（2）绝对是光电码盘

3．脉冲编码器在数控机床上的应用

光电式脉冲编码器在数控机床中可用于工作台或刀架的直线位移的测量；

数控机床回转工作台中，通过回转轴末端安装编码器，可以直接测量回转台的位移；

数控机床的主轴上安装编码器后，可以实现C轴控制，用以控制自动换刀时的主轴准停和车削螺纹时的进刀和退刀点的定位；

在交流伺服电动机中的光电编码器可以检测电动机转子磁极相对于定子绕组的角度位置，控制电控机的运转，并可以通过频率/电压（f/U）转换电路、提供速度反馈信号等，此外，在进给坐标轴中，还应用一种手摇脉冲发生器，用于慢速对刀和手动调整机床。

二、光栅及其应用

光栅是在透明玻璃上或金属镜面上刻制的平行等间距的线纹，是数控机床和数显系统常用的光电检测元件，它是有精度高、响应快的特点。

常见的光栅分为长光栅和圆光栅。

长光栅用于直线位移的检测，又称为直线光栅；

圆光栅用于角位移的测量。

1．光栅的结构和检测原理

光栅的位置测量装置由光源、聚光镜、短光栅（指示光栅）、长光栅（标尺光栅）、硅光电池组等光电元件组成。

通常标尺光栅固定在机床活动部分（工作台）上，指示光栅连同光源、聚光镜及光电源组等安装在机床的固定部分上，标尺光栅和指示光栅同保持一定的间隙，重叠在一起，并在自身的平面内转一个很小的角度。

指示光栅和标尺光栅上均刻有很多等距的条纹，形成透光和不透光两个区域，通常情况下光栅尺刻线的透光和不透光宽度相等。

当光源的光线经聚光镜呈平行光线垂直照射到标尺光栅上时，在与两块光栅线纹相交的钝角角平分线上，出现粗大条纹，并随标尺光栅的移动而上下明暗交替地运动，此条纹称为莫尔条纹。

图中相邻两条亮带（或暗带）之间的距离称为莫尔条纹的纹距W，则W与光栅的栅距τ、两光栅线纹间的夹角θ（θ较小时）之间的关系可近似地表示成：

光栅的莫尔条纹具有以下特点：

①莫尔条纹具有放大作用，莫尔条纹宽度把光栅栅距放大1／θ倍。

②莫尔条纹有平均误差的作用，能消除栅距不均匀造成的影响。

③莫尔条纹的移动与两光栅之间的相对移动具有对应关系，即当两光栅相对移动时，莫尔条纹就沿垂直于光栅运动的方向移动，并且光栅每移动一个栅距，莫尔条纹就准确地移动一个纹距W，只要测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少栅距。

2．光栅测量系统

图中所示为光栅测量系统，A、B两组光电池用于接收光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号，其中A、

（或B、

）为差分信号，起到抗传输干扰的作用；

A组和B组的光电池之间彼此错开W／4，使莫尔条纹经光电转换后形成的脉冲信号相位差90O，这样可根据相位的超前和滞后来判别光栅移动的方向。

上述两组信号，经差分放大、整形、鉴向等电路的处理后，就可根据莫尔条纹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，测量出光栅的实际位移。

三、旋转变压器和感应同步器

旋转变压器和感应同步器都属于电磁式位置检测装置，旋转变压器可单独和滚珠丝杠相连，也可以与伺服电动机组成一体，用于角位移的测量；

感应同步器可以安装在机床的床身及移动部件上，用于直线位移的测量。

1．旋转变压器

旋转变压器（又称同步分解器）是一种旋转式小型电动机，由定子和转子组成，分为有刷和无刷两种。

常用的无刷旋转变压器，因无滑环和电刷，因此可靠性高、寿命长，更适用于数控机床。

（1）无刷旋转变压器的结构

图9．8所示为无刷旋转变压器的结构。

由图可知，它由两部分组成：

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，其一次绕组与分解器转子上的分解器绕组相连，并与转子轴固连在一起，随转子一起旋转，其二次绕组与分解器中的定子绕组一样固定在旋转变压器的壳体上。

工作时，分解器的定子绕组外加励磁电压，转子绕组即耦合出与偏转角相关的感应电压，此信号接在变压器的一次绕组上经耦合由变压器的二次绕组输出。

（2）工作过程

旋转变压器是根据互感原理工作的，如图9．9所示。

其定子与转子之间的气隙磁通呈正弦规律，因此当定子绕组加上交流电压u1，时，转子绕组输出电压的大小取决于定子和转子两绕组磁轴在空间的相对位置。

若定子和转子绕组匝数之比为众，两绕组轴线间夹角为o，则转子绕组产生的感应电压

只要测出转子绕组输出电压的幅值，即可得出转子相对定子的角位移θ的大小。

（3）旋转变压器的应用

实际应用的旋转变压器为正、余弦旋转变压器，其定子和转子各有互相垂直的两个绕组，如图9．10所示。

其中，定子绕组上分别为正弦绕组和余弦绕组，励磁电压用u1和u2表示，转子绕组中一个绕组为输出电压u2，另一绕组接高阻抗作为补偿；

θ为转子的偏转角。

当定子绕组通人不同的励磁电压，可得到相位和幅值两种工作方式。

①处于相位工作方式时，旋转变压器定子的正、余弦绕组分别通以同频率、同幅值而相位差为90o的交流励磁电压，即

则转子绕组中的感应电压

转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系。

这样，只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。

②处于幅值工作方式时，旋转变压器的定子正、余弦绕组分别通以同频率、同相位、但幅值不同的交流励磁电压，即

（α为给定的电气角）

转子感应电压的幅值随转子偏转角θ而变化。

测量出幅值，即可求得转子的转角。

2．感应同步器

感应同步器是由旋转变压器演变而来的，它相当于一个展开的多极旋转变压器，它是利用滑尺上的励磁绕组和定尺上的感应绕组之间相对位置变化而产生电磁耦合的变化，从而发出相应的位置电信号来实现位移检测。

（1）感应同步器的结构

图9．11所示为直线式感应同步器的外观及安装示意图。

由图可知，直线式感应同步器由相对平行移动的定尺和滑尺组成，定尺安装在床身上，滑尺安装在移动部件上与定尺保持0．2-0．3mm间隙平行放置，并随工作台一起移动。

定尺上的绕组是单向、均匀、连续的；

滑尺上有两组绕组，一组为正弦绕组us另一组为余弦绕组uc，其节距均与定尺绕组节距相同，为2mm，用τ表示。

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，即900相位角，如图9．12所示。

（2）感应同步器的工作过程

感应同步器的工作原理和旋转变压器相似，当滑尺相对定尺移动时，定尺上感应电压的大小取决于定尺和滑尺的相对位置，且呈周期性变化。

滑尺移动一个节距τ，感应电压变化一个周期。

当定尺和滑尺的相对位移是x，定子绕组感应电压因机械位移引起的相位角的变化为θ时，定尺绕组中的感应电压

。

只要测量出ud的值，便可得出θ角和滑尺相对于定尺移动的距离x。

（3）感应同步器的应用

同旋转变压器一样，根据励磁绕组中励磁方式的不同，感应同步器也有相位和幅值两种工作方式。

①处于相位工作方式时，滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以与旋转变压器相同的同频率、同幅值而相位差相差90o的励磁电压，则滑尺移动x时，定子绕组的感应电压

说明定尺绕组上感应电压的相位与滑尺的位移严格对应，只要测出定尺感应电压的相位，即可测得滑尺的位移量。

②处于幅值工作方式时，滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以与旋转变压器相同的同频率、同相位但幅值不同的励磁电压，则定尺绕组产生的感应电压可近似表示为

当滑尺的位移量△x较小时，感应电压的幅值和△x成正比，因此可以通过测量ud的幅值来测定△x的大小。

四、磁栅及其应用

磁栅（又称为磁尺）是一种利用电磁特性和录磁原理进行位移检测的元件，它具有调整方便、对使用环境的条件要求低、对周围电磁场的抗干扰能力强，在油污、粉尘较多的场合下使用有较好的稳定性的特点，故在数控机床、精密机床上得到广泛应用。

1．磁栅的基本结构

磁栅按其结构可分为直线型磁栅和圆型磁栅，分别用于直线位移和角位移的测量，如图9．13所示。

磁栅主要由磁尺（磁性标尺）、磁头和检测线路组成。

磁性标尺常采用不导磁材料作为基体，在上面镀上一层10~30μm厚的高导磁性材料，形成均匀磁膜，再用录磁磁头在磁膜上记录相等节距的周期性磁化信号（如方波和正弦波等），用以作为测量基准，最后在磁膜的表面涂上一层1~2μm厚的保护层，以防磨损。

磁头是一种磁电转换器，它把磁性标尺上的磁化信号检测出来并转换成电信号，数控机床常用的磁头为磁通响应式磁头，它在低速和静止时也能测出磁性标尺的磁化信号。

检测电路包括磁头励磁电路、信号放大电路、滤波及辨向电路、细分内插电路、显示及控制电路等。

2．磁头的工作过程

图9．14所示为磁通响应式磁头及双磁头辨向示意图。

由图可知，每个磁通响应式磁头由可饱和铁心、两个串联的励磁绕组和两个串联的拾磁绕组（用于输出信号）组成，磁性标尺的节距为λ。

当磁头的励磁绕组通人高频励磁电流

时，则励磁电流在可饱和铁心中产生的磁通与磁性标尺作用于磁头的磁通相叠加，使输出绕组上感应出频率为两倍高频励磁电流频率的输出电压，若磁头相对于磁性标尺的位移为x，则输出电压为

说明拾磁磁头输出电压的幅值是位移x的函数，与拾磁磁头和磁性标尺的相对速度无关。

图9．14中，在间距为

（m为正整数）的位置上安装的另一只磁头，其输出电压u2与u1相位差为900。

磁头在磁性标尺上的移动方向正是通过这两个磁头输出信号的超前和滞后来进行辨别的。

3．磁栅的应用

由于单个磁头输出的信号较小，为了提高输出信号的幅值，同时降低对录制的磁化信号正弦波形和节距误差的要求，在实际使用时，常将几个或几十个磁头以一定的方式连接起来，组成多间隙磁头。

多间隙磁头中的每一个磁头都以相同的间距λ／2放置，相邻两磁头的输出绕组反向串联，这样，输出信号为各磁头输出信号的叠加。

磁栅作为检测元件，根据对磁头上拾磁绕组输出电压的不同处理方式也可分为相位和幅值两种工作方式，其中相位工作方式应用较多。

第二节数控机床的位置控制基础

数控机床位置控制的作用是精确地控制机床运动部件的坐标位置，快速而准确地执行由CNC装置发来的运动命令。

位置控制按其结构可分为开环、半闭环和闭环控制，开环伺服系统位置控制比较简单，根据进给系统的需要由CNC装置发送所需的脉冲指令便实现了位置控制。

就闭环和半闭环伺服系统而言，位置控制的实质是位置随动控制。

一、数控机床的位置控制系统

数控机床位置闭环控制系统是由指令信号与反馈信号相比较得到偏差，再实现偏差控制的。

按位置检测元件不同，位置指令信号与反馈信号比较方式通常分为三种：

脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统。

1．脉冲比较伺服系统

在数控机床中，CNC装置发出的指令信号是数字脉冲，如果选择光栅、光电编码器等元件作为机床移动部件位移量的检测装置，输出的位置反馈信号也是数字脉冲。

这样给定量和反馈量的比较就是直接的脉冲比较，由此构成的位置控制系统就称为脉冲比较伺服系统。

图9．15所示是以光栅为检测元件的脉冲比较伺服系统的结构框图。

由图可知，该系统位置检测元件光栅产生的位置负反馈脉冲Pf与指令脉冲F相比较，得到位置偏差信号e=F-Pf。

现假设指令脉冲F=0，且工作台原来处于静止状态，此时反馈脉冲Pf=0，经比较环节可得e=0，工作台保持静止不动。

若此时有指令脉冲加入，则在工作台尚未动之前反馈脉冲Pf仍为零，经比较判别后e≠0。

当e=F—Pf>

0，该系统驱动工作台正向进给，随着电动机的运转，光栅将输出反馈脉冲Pf进入比较环节，直至e=0时，工作台才重新稳定在指令所规定的位置上。

由于比较后的偏差e为数字量，只有经过D／A转换后得到相应的模拟电压，才能控制电动机的运动。

该系统的比较环节采用可逆计数器，当指令脉冲为正，反馈脉冲为负时，计数器作加法运算；

当指令脉冲为负，反馈脉冲为正时，计数器作减法运算。

由于指令脉冲来自于CNC装置，反馈脉冲来自于检测元件，这两个脉冲源是相互独立的，故9和户f到来的时间可能不同，或执行加法计数与减法计数时发生重叠，引起误操作，因此在可逆计数器前还有脉冲分离处理电路。

2．相位比较伺服系统

在高精度的数控伺服系统中，旋转变压器和感应同步器或磁栅是应用广泛的位置检测元件。

如果它们采用相位工作方式时，控制系统要将指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过二者相位的比较，得到实际位置与指令位置的偏差，该系统称为相位比较伺服系统。

图9．16是以感应同步器为检测元件的相位比较伺服系统的结构框图。

图中，脉冲调相器也称为脉冲—相位变换器，其作用是将输入的指令脉冲数变换成输出信号的相位位移；

鉴相器又称相位比较器，其作用是鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别二者之间相位差的大小以及相位的超前、滞后变化，把它变成一个带极性的误差电压信号。

当感应同步器处于相位工作方式时，它是以定尺的相位检测信号经整形放大后所得到的PB（θ）作为位置检测信号。

指令脉冲F经脉冲调相器变换成重复频率为fo的脉冲信号PA（θ），它与PB（θ）是两个同频率的脉冲信号，其相位差

即为指令位置和实际位置的偏差。

调相器对PA（θ）和PB（θ）两个信号进行比较，判别出△θ的大小和极性，并输出与△θ成正比的电压信号，此信号经放大后驱动机床移动部件朝指令位置进给，实现精确的位置控制。

假设指令脉冲F=0，即工作台处于静止状态，PA（θ）和PB（θ）为两个同频率、同相位的脉冲信号，经鉴相器进行相位比较，其输出的相位差△θ=0，此时工作台维持静止状态；

当指令脉冲F卢0时，工作台将从静止状态向指令位置移动。

若F为正，经脉冲调相户，（"

）产生正的相位移+9D，经与反馈脉冲信号户。

（矽）比较后，鉴相器输出AO=+9。

>

0，伺服系统按指令脉冲的方向使工作台正向移动，以消除P（g）和P。

（g）间的相位差。

反之，当指令脉冲为负时，则P+（口）产生负的相位移—夕。

，此时AO：

—9。

<

0，伺服电动机驱动工作台反向运动，直到AO二0为止。

3．幅值比较伺服系统

在数控机床中，位置检测元件旋转变压器或感应同步器采用幅值工作方式，输出模拟信号，其特点是幅值的大小与机械位移成正比。

若将此信号作为位置反馈信号与指令信号比较而构成的闭环系统就称为幅值比较伺服系统。

图9．17所示是以感应同步器为检测元件的幅值比较伺服系统框图。

图中，比较环节采用的是与脉冲比较伺服系统中相同的可逆计数器；

鉴幅器的作用是将感应同步器输出的交变信号转换成相应的直流信号；

u／f变换器，即电压／频率器，其作用是将鉴幅器输出的直流电压信号变换成相应的脉冲序列。

实现电压／频率变换的方法很多，其中比较简单常用的电路是由CMOS施密特触发器组成的压控振荡器（简称VCO）；

正、余弦发生器是一些高频变压器绕组，其作用是供给滑尺正、余弦绕组的励磁信号，此信号为一系列脉宽可调的方波脉冲，它将给定的电气角与励磁脉冲宽度联系起来。

幅值比较伺服系统工作前，指令脉冲9与反馈脉冲信号Pf均为零，比较器输出e=0，这时伺服电动机不会转动。

当指令脉冲F建立后，比较器输出e30，其数据给D／A转换后，向速度控制电路发出电动机运转的信号，电动机带动工作台移动，同时位置检测元件将工作台的位移检测出来，经鉴幅器和电压／频率变换器处理后，转换成相应的数字脉冲信号，其输出一路作为位置反馈脉冲Pf，另一路经正、余弦发生器送人检测元件的励磁电路。

当指令脉冲与反馈脉冲相等时，比较器输出为0，说明工作台实际移动的距离等于指令信号要求的距离，电动机停止运转；

若二者不相等，则电动机就会继续运转，带动工作台移动直到比较器输出为0时停止。

在以上三种位置控制系统中，相位比较和幅值比较从结构和安装维护上都比脉冲比较伺服系统复杂，所以一般情况下脉冲比较伺服系统应用最广泛，随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统，使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。

由位置、速度、电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活、柔性好。

此外在位置伺服控制中引入前馈控制、预测控制、自适应控制、自学习控制方法，使位置伺服的响应速度和控制精度得到很大提高。

2．感应同步器

（1）感应同步器的结构

（2）感应同步器的工作过程

（3）感应同步器的应用

1．磁栅的基本结构

2．磁头的工作过程

3．磁栅的应用

第二节数控机床的位置控制基础

1．脉冲比较伺服系统

2．相位比较伺服系统

3．幅值比较伺服系统

二、位置控制的实现和运动控制技术

1．位置控制芯片

2．位置控制模板

3．运动控制器