交流伺服运动控制系统的检测技术及元件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2,交流伺服运动控制系统,检测技术及元件,1,）电流、电压检测,2,）磁极位置检测,3,）电机、功率器件温度检测,4,）电机动子位置、速度检测,5,）运动机构的速度及位置检测,2.1,交流伺服运动控制系统的检测要求,检测的精确性、快速性、可靠性是反馈控制性能的基础,2.2,检测技术原理,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。,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。,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值输出，通常是,电信号,。,信号调理电路,实现信号,转换和放大,滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处理,检测系统构成,传感器是检测系统的第一个环节，顾名思义，传感器的功能是,“,感,+,传,”,，即感受被测信息，并传送出去。由,敏感元件、转换元件、转换电路,三部分组成。,敏感元件是能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件；,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。,1,传感器,传 感 器,量程切换电路,放 大 器,解 调 器,信号分离电路,运 算 电 路,模数转换电路,计 算 机,显示执行机构,振 荡 器,电 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,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。,将模拟输入小信号放大到,A/D,转换的量程范围之内，如,0-5VDC;,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。,信号源的一端若接放大器的正端为同相放大，放大倍数,G,=1+R2/R1,；,若接放大器的负端为反相放大，,G,=,R2/R1,。,a,）放大器的作用,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。,选择取样电阻：,1k,、,100,、,10,、,1,、,0.1,，,便可测量电流：,200A,、,2mA,、,20mA,、,200mA,、,2A,输出电压：,200mv,A,/,D,R,x,I,r,-,+,A,m,p,取,样,电,阻,b,）,欧姆法测量电流（,I/V,变换）,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,霍尔输出电流放大后通过补偿线圈，产生相反的磁场，使磁芯中磁通为,0,，达到平衡后，由,Is,测量导线通过的电流。,c,）闭环,霍尔法测量电流,指令传感器,传 感 器,显示执行机构,计 算 机,锁 存 器,计 数 器,转换电路,脉冲当量,放 大 器,整形电路,细分电路,手动采样,锁存指令,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,脉冲,，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。,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大值，如,0.002,0.02mm/m,，,10,/360,等,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,0.001,0.01mm,。角位移分辨率为,2,作用,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。,要求,工作可靠，抗干扰能力强,满足精度、分辨率、测量范围,使用维修方便、成本低,2.4,运动控制系统测量,检测装置的分类,按检测信号分：数字式、模拟式,按测量基准分：增量式、绝对式,按安装位置关系分：直接测量、间接测量,位置,检测,装置,直线型,旋转型,感应同步器,光栅,磁尺,旋转变压器,脉冲编码器,1,旋转变压器,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，由定子和转于组成。,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。,根据互感原理工作的，定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电功势,输出感应电功势大小与转子位置有关,旋转变压器工作原理,特点,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，广泛应用于数控机床上。,实际采用正余弦旋转变压器，其定子由两组匝数相等、互相垂直的绕组构成。,旋转变压器,的应用,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,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,。,感应同步器是旋转变压器演变而来，也是一种电磁感应式的位移检测装置。,圆型感应同步器,由定子和转子组成，用于测量角位移,直线型感应同步器,由定子和转子组成，用于测量直线位移,2,感应同步器,直线感应同步器的结构,利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气隙约为,(0.25,0.05)mm,作相对平行移动，根据交变磁场和互感原理而工作的,滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差,1/4,节距，定尺和滑尺绕组的节距相同,W,滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势变化了一个周期。,若励磁电压,u,Umsin,t,，那么在定尺绕组产生的感应电势,e,为,e,kUmcos,cos,t,滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差,90,的交流电压，即,us,Umsin,t,uc,Umcos,t,us,和,uc,单独励磁，在定尺绕组上感应电势分别为,es,kUmcos,cos,t,ec,kUmcos(,/2)sin,t,kUmsin,sin,t,感应同步器输出信号的处理方式,（鉴相方式）,根据感应输出电压的相位来检测位移量。,根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势,e,为,e,es,ec,kUmcos,cos,t,kUmsin,sin,t,kUmcos(,t,),kUmcos(,t,2,x/W),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。,例：感应电势与励磁电压相位差,=1.8,，节距,W=2mm,，,=2,x/W=0.01mm,光栅检测装置基本结构示意图,3,直线透射光栅,由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为,“,莫尔条纹,”,。,直线透射光栅的工作原理,B,2B,莫尔条纹的,放大作用,莫尔条纹,纹,距,B,与光栅节距,w,和倾角,之间,的关系,：,由于,很小，因此,2,2sin,/,q,w,=,B,q,w,B,为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开,1/4,纹距的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差,90,，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,90,，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，达到细分的目的。,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。,例：栅距,w=0.01mm,，十倍频后，最小读数值,1mm.,直线透射光栅的,辨向,直线透射光栅的,倍频,优点：,1,）精度高，精度,0.5-3mm,，分辨率,0.1mm,2,）易实现动态测量和自动化测量,3,）较强的抗干扰能力,缺点：,1,）对环境要求高，怕振动，怕油污,2,）高精度光栅制作成本高,目前多用于精密定位的数控机床。,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栏板射过来的忽明忽暗的光信号,(,近似于正弦信号,),转换为电信号，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，测定计数脉冲的频率，可测出工作轴的转速。,4,光电编码器,（,1,）分辩率,改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率,Q,，,Q,越小，测速装置的分辩能力越强。,（,2,）测速精度,测量值与实际值的相对误差来表示，,的大小与测速方法有关。,数字测速方法：,M,法,脉冲直接计数法,T,法,脉冲时间计数法,M/T,法,脉冲时间混合计数法,M,法测速,PLG,倍频电路,Bus,Z,记录,T,c,时间内旋转编码器,PLG,发出的脉冲数,M,1,，则,Z=,倍频系数,PLG,光栅数。,测速原理与波形图,Counter,M,法测速适用于高速,分辨率：,误差率：,PLG,倍频电路,Conter,CPU,INT,n,f,0,记录,PLG,一个脉冲,间,的高频脉冲个数,M,2,，,f,0,为高频脉冲频率，则,电路与波形,T,法测速,T,法测速适用于低速,M/T,法既检测,T,c,时间内,PLG,输出的脉冲个数,M,1,，又检测相同时间间隔的高频时钟脉冲个数,M,2,。,M/T,法测速,测速原理与波形图,C,M/T,法测速适用的转速范围宽，测速精度高,结构,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。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码,(,图案,),来表示轴的位置。,5,绝对式光电脉冲编码器,码盘的种类,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码盘。,纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误读的机率。,而,格雷,码则不同，相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。,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。,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：,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,N,，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进行,(N360,),的叠加。,在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上的一个专门的代码为“零”代码，当码盘转过“零”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,磁尺,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,U,0,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。,检测电路,有两种工作方式，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