第第4章 伺服驱动系统设计

1、第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 第第4章章 伺服驱动系统设计伺服驱动系统设计 4.1 概述概述 4.2 传感与检测传感与检测 4.3 驱动元件驱动元件 4.4 伺服驱动系统设计伺服驱动系统设计 4.5 数控机床设计实例数控机床设计实例 思考题思考题 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 4.1 概述概述 4.1.1 伺服驱动系统的基本概念伺服驱动系统的基本概念 一、基本概念一、基本概念 伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进 行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自 动控制系统。动控制系统。

2、 p 152 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 二、伺服系统的基本结构形式二、伺服系统的基本结构形式 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多， 但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般 包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较 环节等五部分。环节等五部分。 图图4-1给出了伺服系统组成原理框图。给出了伺服系统组成原理框图。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 图图4-1 伺服系统组成原理框图伺服系统组成原理框图 比较 元件 调节 元件 执行

3、元件 被控 对象 测量、反馈元 件 输入指令输出量 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 1.比较环节比较环节; 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比 较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的 电路或计算机来实现。电路或计算机来实现。 2.控制器控制器; 控制器通常是计算机或控制器通常是计算机或pid控制电路，其主要任务是对控制电路，其主要任务是对 比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按 要求动作。要求动作

4、。 3.执行环节执行环节; 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形 式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系 统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 4.被控对象被控对象; 5.检测环节检测环节; 检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所 需需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。要的量纲的装置，一般包括传感器和

5、转换电路。 伺服系统的分类伺服系统的分类 伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三 种。种。 (1)按被控量参数特性分类。按被控量参数特性分类。 (2)按驱动元件的类型分类。按驱动元件的类型分类。 (3)按控制原理分类。按控制原理分类。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 4.1.2 伺服控制系统设计方法及步骤伺服控制系统设计方法及步骤 一、伺服控制系统的基本要求一、伺服控制系统的基本要求 1、稳定性、稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消 失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能失以后，

6、系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者力；或者 当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运 行状态的能力。行状态的能力。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 2、系统精度、系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的 精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差、 稳态误差和静态误差三个方面组成。稳态误差和静态误差三个方面组成。 稳定的伺服系统对输入变化是以一种振荡衰减的稳定的伺服系统对输入变化是以一种振荡衰减的 形式反映出来，振荡的幅度和过程产生了

7、系统的动态形式反映出来，振荡的幅度和过程产生了系统的动态 误差；当系统振荡衰减到一定程度以后，我们称其为误差；当系统振荡衰减到一定程度以后，我们称其为 稳态，此时的系统误差就是稳态误差；由设备自身零稳态，此时的系统误差就是稳态误差；由设备自身零 件精度和装配精度所决定的误差通常指静态误差。件精度和装配精度所决定的误差通常指静态误差。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 3、响应特性、响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速 度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关， 如计算机的

8、运行速度、运动系统的阻尼和质量等。如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 4、工作频率、工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。 当工作频率信号输入时，系统能够按技术当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；要求正常工作； 而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。 上述的四项特性是相互关联的，是系统动态特性的上述的四项特性是相互关联的，是系统动态特性的 表现特征。利用自动控制理论来研究、分析所设计系统表现特征。利用自动控制理论来研究、分析所设计系

9、统 的频率特性，就可以确定系统的各项动态指标。系统设的频率特性，就可以确定系统的各项动态指标。系统设 计时，在满足系统工作要求（包括工作频率）的前提下，计时，在满足系统工作要求（包括工作频率）的前提下， 首先要保证系统的稳定性和精度，并尽量提高系统的响首先要保证系统的稳定性和精度，并尽量提高系统的响 应速度。应速度。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 二、系统伺服设计的一般步骤二、系统伺服设计的一般步骤 1、设计要求分析、设计要求分析 分析技术指标；明确应用场合和目的；根据技术分析技术指标；明确应用场合和目的；根据技术 条件设定设计思路、方案；经论证，选定设计方案。条件设定设计思路、方案；

10、经论证，选定设计方案。 2、系统系能分析、系统系能分析 系统主程序流程；对前述的基本要求相关指标，系统主程序流程；对前述的基本要求相关指标， 依次进行分析（稳定性尤重）；依次进行分析（稳定性尤重）； 3、计算选定测量或执行元件等、计算选定测量或执行元件等 4、设计机械传动和执行部分、设计机械传动和执行部分 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 5、控制系统设计、控制系统设计 主要有信号处理、功放电路、校正设计、伺服电主要有信号处理、功放电路、校正设计、伺服电 机、驱动电路、接口设计等。机、驱动电路、接口设计等。 6、系统性能复查、系统性能复查 边计算边调整，直至满意为止；边计算边调整，直至满意

11、为止； 7、依据前、依据前6个步骤，确定设计方案，编写说明书，进个步骤，确定设计方案，编写说明书，进 行样机试制。行样机试制。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 编码器编码器 模拟量编码器模拟量编码器数字编码器数字编码器 旋转变压器旋转变压器sin/cos sin/cos 编码器编码器 增量编码器增量编码器绝对值编码器绝对值编码器 a, a, b, b, c, c _ 格雷码格雷码二进制码二进制码 4.2 伺服驱动系统中的传感与检测伺服驱动系统中的传感与检测 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 4.2.1 位置检测元件位置检测元件 一、光电旋转编码器一、光电旋转编码器 光电编码器是一种旋

12、转式测量装置，通常安装在光电编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在 被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移 转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。 所谓增量式，即只测量位移增量，并用数字脉冲所谓增量式，即只测量位移增量，并用数字脉冲 的个数表示单位位移的数量。的个数表示单位位移的数量。 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感 应式和电容式。应式和电容式。 根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、 绝对式以及混合

13、式三种。绝对式以及混合式三种。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的 机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是 目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光 电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分 地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴， 电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二电动机旋转时，光栅

14、盘与电动机同速旋转，经发光二 极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信 号，其原理示意图如图所示号，其原理示意图如图所示 ： 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光 栅盘、光栅板、光电管、信号处理电路等组成。光栅栅盘、光栅板、光电管、信号处理电路等组成。光栅 盘和光栅板用玻璃研磨抛光制成，玻璃的表面在真空盘和光栅板用玻璃研磨抛光制成，玻璃的表面在真空 中镀一层不透明的铬，然后用照相腐蚀法，在光栅盘中镀一层不透明的铬，然后用照相腐蚀法，在光栅盘 的边缘上开有间距

15、相等的透光狭缝。在光栅板上制成的边缘上开有间距相等的透光狭缝。在光栅板上制成 两条狭缝，每条狭缝的后面对应安装一个光电管。两条狭缝，每条狭缝的后面对应安装一个光电管。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 当光栅盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个当光栅盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个 缝隙，光电管就会感受到一次光线的明暗变化，使光缝隙，光电管就会感受到一次光线的明暗变化，使光 电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成 电信号的强弱变化，而这个电信号的强弱变化近似于电信号的强弱变化，而这个电信号的强弱变化近似于 正弦波的信号，经过整形和放

16、大等处理，变换成脉冲正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲 信号。信号。 通过计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动通过计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动 的角位移；通过计量脉冲的频率，即可测定旋转运动的角位移；通过计量脉冲的频率，即可测定旋转运动 的转速，测量结果可以通过数字显示装置进行显示或的转速，测量结果可以通过数字显示装置进行显示或 直接输入到控制系统中。直接输入到控制系统中。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 增量式光电编码器外形结构见图增量式光电编码器外形结构见图4-3。 实际应用的光电编码器的光栅板上有两组条纹实际应用的光电编

17、码器的光栅板上有两组条纹a、 a和和b、b，a组与组与b组的条纹彼此错开组的条纹彼此错开14节距，两组节距，两组 条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差90相相 位，用于辨向。此外，在光电码盘的里圈里还有一条位，用于辨向。此外，在光电码盘的里圈里还有一条 透光条纹透光条纹c(零标志刻线零标志刻线)，用以每转产生一个脉冲，该，用以每转产生一个脉冲，该 脉冲信号又称零标志脉冲，脉冲信号又称零标志脉冲， 作为测量基准。作为测量基准。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 通过光栏板两条狭缝的光信号通过光栏板两条狭缝的光信号a和和b，相位角相差，相位角相差 9

18、0，通过光电管转换并经过信号的放大整形后，成为，通过光电管转换并经过信号的放大整形后，成为 两相方波信号。两相方波信号。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度， 而这与光栅盘圆周的条纹数有关，即分辨角而这与光栅盘圆周的条纹数有关，即分辨角 分辨角分辨角=360/条纹条纹 如果数条纹数为如果数条纹数为1024， 则分辨角则分辨角=360/1024=0.352。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 增量式旋转编码器的特点：增量式旋转编码器的特点： 编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉编码器每转动

19、一个预先设定的角度将输出一个脉 冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度， 因此编码器输出的位置数据是相对的由于采用固定脉因此编码器输出的位置数据是相对的由于采用固定脉 冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定。冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定。 由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度数据会由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度数据会 丢失需要重新复位。丢失需要重新复位。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 2、绝对式旋转编码器、绝对式旋转编码器 用光信号扫描分度盘（分度盘与传动轴相联）上用光信号扫描分度盘（分度盘与传动轴相联）上 的

20、格雷码刻度盘以确定被测物的绝对位置值，然后将的格雷码刻度盘以确定被测物的绝对位置值，然后将 检测到的格雷码数据转换为电信号以脉冲的形式输出检测到的格雷码数据转换为电信号以脉冲的形式输出 测量的位移量。测量的位移量。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 绝对式旋转编码器的特点：绝对式旋转编码器的特点： 在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷码在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷码 编码，因此编码器输出的位置数据是唯一的编码，因此编码器输出的位置数据是唯一的 因使用机械连接的方式，在掉电时编码器的位置因使用机械连接的方式，在掉电时编码器的位置 不会改变，上电后立即可以取得当前位置数据检测到

21、不会改变，上电后立即可以取得当前位置数据检测到 的数据为格雷码，因此不存在模拟量信号的检测误差。的数据为格雷码，因此不存在模拟量信号的检测误差。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 编码器在扩展轴上 编码器在实体轴上 绝对编码器 分解器临近传感器 通用编码器安装在扩展轴上 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 二、光栅传感器二、光栅传感器 光栅的组成结构和检测原理光栅的组成结构和检测原理 光栅是一种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻光栅是一种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻 上平行、等距的密集刻线，制成的光学元件。数控机上平行、等距的密集刻线，制成的光学元件。数控机 床上用的光栅尺，是利用两个

22、光栅相互重叠时形成的床上用的光栅尺，是利用两个光栅相互重叠时形成的 莫尔条纹现象，制成的光电式位移测量装置。莫尔条纹现象，制成的光电式位移测量装置。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 按制造工艺不同可分为透射光栅和反射光栅。按制造工艺不同可分为透射光栅和反射光栅。 透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不 透明的线纹制成的，线纹密度可达到每毫米透明的线纹制成的，线纹密度可达到每毫米100条以上；条以上； 反射光栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距反射光栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距 的密集刻线，利用反射光进行测量，其刻线密度一般的密

23、集刻线，利用反射光进行测量，其刻线密度一般 为每毫米为每毫米450条。条。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 光栅是一种高精度的位移传感器，按结构可分为直线光栅是一种高精度的位移传感器，按结构可分为直线 光栅和圆光栅，直线光栅用于测量直线位移，园光栅用来光栅和圆光栅，直线光栅用于测量直线位移，园光栅用来 测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、工具显微测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、工具显微 镜镜x-y工作台上广泛使用的位置检测装置，光栅主要用于工作台上广泛使用的位置检测装置，光栅主要用于 测量运动位移，确定工作台运动方向及确定工作台运动的测量运动位移，确定工作台运动方向及确定

24、工作台运动的 速度。图速度。图4-5是光栅尺在车床上的安装示意图。是光栅尺在车床上的安装示意图。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 示例为图示例为图4-6直线透射光栅尺直线透射光栅尺 由光源、长光栅由光源、长光栅(标尺光栅标尺光栅)、短光栅、短光栅(指示光栅指示光栅)、 光电元件等组成，一般移动的光栅为短光栅，长光栅光电元件等组成，一般移动的光栅为短光栅，长光栅 装在机床的固定部件上。短光栅随工作台一起移动，装在机床的固定部件上。短光栅随工作台一起移动， 长光栅的有效长度即为测量范围。两块光栅的刻线密长光栅的有效长度即为测量范围。两块光栅的刻线密 度度(即栅距即栅距)相等，其相互平行并保持

25、一定的间隙相等，其相互平行并保持一定的间隙 (0.050.1 mm)，并且使两块光栅的刻线相互倾斜一个，并且使两块光栅的刻线相互倾斜一个 微小的角度微小的角度。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 当光线平行照射光栅时，由于光的透射及衍射效应，当光线平行照射光栅时，由于光的透射及衍射效应， 在与线纹垂直的方向上，准确地说，在与两光栅线纹夹角在与线纹垂直的方向上，准确地说，在与两光栅线纹夹角 的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等 的粗条纹，这就是的粗条纹，这就是“莫尔干涉条纹莫尔干涉条纹”，简称莫尔条纹。，简称莫尔条纹。 图图4-6直

26、线透射光栅尺直线透射光栅尺 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 图图4-7是莫尔条纹形成的原理图是莫尔条纹形成的原理图 当光栅移动一个栅距形时，莫尔条纹也相应移动一莫当光栅移动一个栅距形时，莫尔条纹也相应移动一莫 尔条纹的间距尔条纹的间距b b，即光栅某一固定点的光强按明一暗一明，即光栅某一固定点的光强按明一暗一明 规律交替变化一次。因此，光电元件只要读出移动的莫尔规律交替变化一次。因此，光电元件只要读出移动的莫尔 条纹数目，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了条纹数目，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了 运动部件的准确位移量。运动部件的准确位移量。 第第4章章 伺服控制系统伺服控

27、制系统 为了对莫尔条纹的移动计数，并判别工作台移动为了对莫尔条纹的移动计数，并判别工作台移动 的方向，在光栅尺的一侧安装上光源，另一侧安装上的方向，在光栅尺的一侧安装上光源，另一侧安装上4 个光敏元件，每个光敏元件相距为四分之一光栅刻线个光敏元件，每个光敏元件相距为四分之一光栅刻线 间距间距( 4)，如图，如图4-8所示。所示。 当标尺光栅随机床运动部件移动时：当标尺光栅随机床运动部件移动时： 1）照射到光敏元件上的光线也随着莫尔条纹移动而产生）照射到光敏元件上的光线也随着莫尔条纹移动而产生 明暗相间的变化，经过光敏元件的明暗相间的变化，经过光敏元件的“光一电光一电”变换，变换， 得到与刻线移

28、动，相对应的正弦波信号，经过放大、得到与刻线移动，相对应的正弦波信号，经过放大、 整形等处理后，变成测量脉冲输出，波形如图整形等处理后，变成测量脉冲输出，波形如图4-8所示。所示。 脉冲数等于移动过的刻线数，将该脉冲信号送到计数脉冲数等于移动过的刻线数，将该脉冲信号送到计数 器中计数，则计数值就反映了光栅尺移动的距离。器中计数，则计数值就反映了光栅尺移动的距离。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 2 2）每个光敏元件相距为四分）每个光敏元件相距为四分 之一光栅刻线间距之一光栅刻线间距( ( 4)4)， 使输出信号的相位差为使输出信号的相位差为9090， 通过过鉴相电路可判别其运动通过过鉴相

29、电路可判别其运动 方向。方向。 图图4-8输出信号波形图输出信号波形图 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 图图4-9 四倍频辨向计数电路四倍频辨向计数电路 此外，为了提出高测量精度，常用倍频细分法对输出信号进行处理。此外，为了提出高测量精度，常用倍频细分法对输出信号进行处理。 图图4-9所示为四倍频电路，所示为四倍频电路，4个光敏元件的安装位置彼此相差个光敏元件的安装位置彼此相差14栅距，栅距， （也就是在一个变化周期内，将光电管由一个增加到四个）这样，产（也就是在一个变化周期内，将光电管由一个增加到四个）这样，产 生生4列彼此相差列彼此相差90的信号，为了在的信号，为了在0，90，180

30、，270的位置的位置 上都能得到脉冲，必须把两路相差上都能得到脉冲，必须把两路相差90 的方波各自反相一次，然后再的方波各自反相一次，然后再 微分，就可得到微分，就可得到4个脉冲，从而使分辨率提高个脉冲，从而使分辨率提高4倍。倍。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 为了辨别方向，正向运动时，为了辨别方向，正向运动时， 用用“与或与或”门门yhl（图（图4-9所示）所示） 得到得到ab+ad+cd+bc的的4个个 正向输出脉冲；反向运动时，正向输出脉冲；反向运动时， 用用“与或与或”门门yh2得到得到 ab+bc+cd+ad的的4 个反向个反向 输出脉冲。输出脉冲。 其波形如图其波形如图4-

31、10所示。所示。 图图4-10四倍频波形图四倍频波形图 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 三、感应同步器三、感应同步器 利用电磁感应原理制成的位移测量装置。利用电磁感应原理制成的位移测量装置。 按结构和用途可分为直线感应同步器和圆盘旋转按结构和用途可分为直线感应同步器和圆盘旋转 式感应同步器两类，直线感应同步器用于测量直线位式感应同步器两类，直线感应同步器用于测量直线位 移，圆盘旋转式感应同步器用于测量角位移，两者的移，圆盘旋转式感应同步器用于测量角位移，两者的 工作原理基本相同。工作原理基本相同。 感应同步器具有较高的测量精度和分辨率，工作感应同步器具有较高的测量精度和分辨率，工作 可靠

32、，抗干扰能力强，使用寿命长。目前，直线式感可靠，抗干扰能力强，使用寿命长。目前，直线式感 应同步器的测量精度可达应同步器的测量精度可达1.5m1.5m，测量分辨率可，测量分辨率可 0.05m0.05m，并可测量较大位移。因此，感应同步器广泛，并可测量较大位移。因此，感应同步器广泛 应用于坐标镗床、坐标铣床及其他机床的定位；旋转应用于坐标镗床、坐标铣床及其他机床的定位；旋转 式感应同步器常用于雷达天线定位跟踪、精密机床或式感应同步器常用于雷达天线定位跟踪、精密机床或 测量仪器的分度装置等。测量仪器的分度装置等。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 感应同步器的结构感应同步器的结构 直线式感应同

33、步器由定尺和滑尺两部分组成，图直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，图4-114-11 是感应同步器结构示意图。定尺和滑尺分别安装在机床床是感应同步器结构示意图。定尺和滑尺分别安装在机床床 身和移动部件上，定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平身和移动部件上，定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平 行放置，保持行放置，保持0.20.20.3mm0.3mm间隙。标准的感应同步器定尺间隙。标准的感应同步器定尺 250mm250mm，尺上有一组感应绕组；滑尺长，尺上有一组感应绕组；滑尺长100mm100mm，尺上有两组，尺上有两组 励磁绕组，一组为正弦励磁绕组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组usus，一组为余

34、弦励磁绕组，一组为余弦励磁绕组 ucuc。绕组的节距与定尺绕组节距相同，均为。绕组的节距与定尺绕组节距相同，均为2mm2mm，用，用表示。表示。 当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺 绕组相差绕组相差1 14 4节距。由于定尺绕组是均匀的，因此，滑尺节距。由于定尺绕组是均匀的，因此，滑尺 上的两个绕组在空间位置上相差上的两个绕组在空间位置上相差1 14 4节距，即节距，即 /2/2相位角。相位角。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 图图4-11 感应同步器结构示意图感应同步器结构示意图 a)外观及安装形式外观及安装形式 b)绕

35、组绕组 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 感应同步器在实际应用时，如果被测量的位移长感应同步器在实际应用时，如果被测量的位移长 度比定尺长，怎样解决呢？度比定尺长，怎样解决呢？ 我们可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔通过我们可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔通过 调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大 偏差。在行程为几米到几十米的中型或大型机床中，偏差。在行程为几米到几十米的中型或大型机床中， 工作台位移的直线测量大多数采用感应同步器来实现。工作台位移的直线测量大多数采用感应同步器来实现。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 感应同步

36、器的工作原理：感应同步器的工作原理： 感应同步器一般当在滑尺的正弦绕组加一组交流感应同步器一般当在滑尺的正弦绕组加一组交流 电压，产生励磁，绕组中产生励磁电流，并产生交变电压，产生励磁，绕组中产生励磁电流，并产生交变 磁通，这个交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上磁通，这个交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上 分别感应出同频率的交流电压。分别感应出同频率的交流电压。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 图图4-12 定尺绕组感应电动势产生原理定尺绕组感应电动势产生原理 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 图图4-124-12所示为滑尺在不同位置时定尺上的感应电压。如果滑尺处于所示为滑尺在不

37、同位置时定尺上的感应电压。如果滑尺处于 图中图中a a点位置，就是，滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，那么，由电工点位置，就是，滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，那么，由电工 学知识我们知道：定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移学知识我们知道：定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移 动，感应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中动，感应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中b b点位置，与定尺绕组刚好错点位置，与定尺绕组刚好错 开开1 14 4节距时，感应电压为零。再继续移至节距时，感应电压为零。再继续移至1 12 2节距处，即图中节距处，即图中c c点位点位 置时，为最大的负值电压置时，为最大

38、的负值电压( (即感应电压的幅值与即感应电压的幅值与a a点相同但极性相反点相同但极性相反) )。再。再 移至移至3 34 4节距，即图中节距，即图中d d点位置时，感应电压又变为零。当移动到一个节点位置时，感应电压又变为零。当移动到一个节 距位置即图中距位置即图中e e点，又恢复初始状态，即与点，又恢复初始状态，即与a a点情况相同。同学们看看图点情况相同。同学们看看图 4-124-12所示的感应电压，从我们刚才的分析可以看出：显然在定尺和滑尺所示的感应电压，从我们刚才的分析可以看出：显然在定尺和滑尺 的相对位移中，感应电压呈周期性变化，其波形为余弦函数。在滑尺移的相对位移中，感应电压呈周期

39、性变化，其波形为余弦函数。在滑尺移 动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦周期。动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦周期。 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 组中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。组中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。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 图图4-13 感应同步器相位工作方式感应同步器相位工作方式 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 4.2.2 速度检测元件速度检测元件 一、测速电机一、测速电机 直流测速发电机在结构上

40、与普通小微型直流发电机直流测速发电机在结构上与普通小微型直流发电机 相同，通常是两极电机，分为他励式和永磁式两种。相同，通常是两极电机，分为他励式和永磁式两种。 他励式测速发电机的磁极由铁心和励磁绕组构成，他励式测速发电机的磁极由铁心和励磁绕组构成， 在励磁绕组中通入直流电流便可以建立极性恒定的磁场。在励磁绕组中通入直流电流便可以建立极性恒定的磁场。 它的励磁绕组电阻会因电机工作温度的变化而变化，使它的励磁绕组电阻会因电机工作温度的变化而变化，使 励磁电流及其生成的磁通随之变化，产生线性误差。励磁电流及其生成的磁通随之变化，产生线性误差。 永磁式测速发电机的磁极由永久磁铁构成，不需励永磁式测速

41、发电机的磁极由永久磁铁构成，不需励 磁电源。磁极的热稳定性较好，磁通随电机工作温度的磁电源。磁极的热稳定性较好，磁通随电机工作温度的 变化而变化的程度很小，但易受机械振动的影响而引发变化而变化的程度很小，但易受机械振动的影响而引发 不同程度的退磁。不同程度的退磁。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 直流测速发电机的工作原理可由直流测速发电机的工作原理可由 图图4-14来说明。当励磁电压来说明。当励磁电压uf恒定且恒定且 主磁通主磁通 不变时，测速发电机的电枢不变时，测速发电机的电枢 与被测机械连轴而随之以转速与被测机械连轴而随之以转速n旋转，旋转， 电枢导体切割主磁通电枢导体切割主磁通 而

42、在其中生成而在其中生成 感应电动势感应电动势e。电动势。电动势e的极性决定于的极性决定于 测速发电机的转向，电动势测速发电机的转向，电动势e的大小的大小 与转速成正比，即与转速成正比，即 测速发电机空载时，其输出电测速发电机空载时，其输出电 压压u为为 ne e c neu e c 图4-14 直流测速发电机原理图 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 测速发电机负载时，电枢绕组中因流测速发电机负载时，电枢绕组中因流 过电枢电流过电枢电流i而在电枢绕组电阻而在电枢绕组电阻ra上产生电压上产生电压 降降ira，如果忽略电枢反应、工作温度对主磁，如果忽略电枢反应、工作温度对主磁 通通 的影响，忽略

43、电刷与换向器之间的接触的影响，忽略电刷与换向器之间的接触 压降，则有压降，则有 得得 由上式可见，只要主磁通由上式可见，只要主磁通 、接触电压降、电、接触电压降、电 枢电阻枢电阻ra、负载电阻、负载电阻rl为常数，则输出电压为常数，则输出电压u 与电机的转速与电机的转速n成线性关系。输出电压成线性关系。输出电压u随电随电 机转速机转速n变化而变化的关系曲变化而变化的关系曲 线线 ，称，称 为输出特性，如图为输出特性，如图4-15所示。负载电阻所示。负载电阻rl的的 值越大时，值越大时， 斜率越大，测速发电机斜率越大，测速发电机 的灵敏度越高。的灵敏度越高。 a l a r r u erieu

44、n r r r r e u l a l a 1 c 1 e )(nfu )(nfu 1rl较小；2rl较大 图4-15 直流测速发电机输出特性 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 二、光电编码器二、光电编码器 上节已介绍。上节已介绍。 光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数 字测速装置。字测速装置。 p 165 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 4.2.3 检测方案设计检测方案设计 一、传感器的选择一、传感器的选择 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据 具体的测量目的、测量对象以及测量环境合

45、理地选用具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用 传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。 当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设 备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上 取决于传感器的选用是否合理。取决于传感器的选用是否合理。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行 个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感个具体的测量工作，首

46、先要考虑采用何种原理的传感 器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为， 即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供 选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被 测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问 题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测 量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有 线或是非

47、接触测量；传感器的来源，国产还是进口，线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口， 价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后 就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器 的具体性能指标。的具体性能指标。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 2、灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传、灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传 感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被 测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号测量变化对应的

48、输出信号的值才比较大，有利于信号 处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量 无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大， 影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的 信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。传感器的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。传感器的 灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其 方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感 器

49、；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵 敏度越小越好。敏度越小越好。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 3、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的 频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量 条件，实际上传感器的响应总有条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟定延迟，希望延迟 时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频 率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统率范围就宽，而由

50、于受到结构特性的影响，机械系统 的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较 低。在动态测量中，应根据信号的特点低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、稳态、瞬态、 随机等随机等)响应特性，以免产生过火的误差。响应特性，以免产生过火的误差。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 4、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的 范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。 传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证传感器的线性范围越宽，则

51、其量程越大，并且能保证 一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类 确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上， 任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相 对的。对的。 当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内， 可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会 给测量带来极大的方便。给测量带来极大的方便。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 5、 稳定性传感

52、器使用一段时间后，其性能保持不变稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变 化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素 除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因 此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有 较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使 用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的 传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器，或采

53、取适当的措施，减小环境的影响。 传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后， 在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否 发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻 易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更 严格，要能够经受住长时间的考验。严格，要能够经受住长时间的考验。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 6、精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系、精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关

54、系 到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的 精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要 满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。 这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择 比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析 的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量 值精度高的；如果是为了定量分

55、析，必须获得精确的值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的 测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 传感器的另外选择传感器的另外选择 1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何个具体的测量工作，首先要考虑采用何 种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能 确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理 的传感器可供选用，

56、哪一种原理的传感器更为合适，的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适， 则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以 下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体 积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的 引出方法，有线或是非接触测量引出方法，有线或是非接触测量.在考虑上述问题之后在考虑上述问题之后 就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器 的具体性能指标。的具体性能指标。 第第4章章 伺服控

57、制系统伺服控制系统 2、灵敏度的选择、灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵 敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化 对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但 要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外 界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量 精度。精度。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 3、频率响应特性、频率响应特性 传

58、感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围， 必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际 上传感器的响应总有上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越定延迟，希望延迟时间越短越 好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽， 而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大， 因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测 量中，应根据信号的特点量中，应根据信号的特

59、点(稳态、瞬态、随机等稳态、瞬态、随机等)响应特响应特 性，以免产生过火的误差。性，以免产生过火的误差。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 4、线性范围、线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。 以理论上讲，在此范围内灵敏度保持定值。传感器的以理论上讲，在此范围内灵敏度保持定值。传感器的 线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测 量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后 首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感首先要看其量程

60、是否满足要求。但实际上，任何传感 器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当 所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非 线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量 带来极大的方便。带来极大的方便。 第第4章章 伺服控制系统伺服控制系统 5、稳定性、稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能 力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感 器本身结构外