机械科学与工程学院

数控技术

华中科技大学机械科学与工程学院第4章进给伺服驱动系统

4.1概述4.2位置检测装置4.3进给电机及驱动4.4进给伺服系统的控制原理和方法14.2位置检测装置位置检测装置：

检测位移（线位移或角位移）和速度，反馈至数控装置或伺服驱动器，构成伺服驱动系统闭环或半闭环控制，使工作台按指令路径精确地移动。（1）组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。（2）常用检测装置：旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等2（3）精度：系统精度、分辨率系统精度：一定范围内测量累积误差最大值。直线位测量精度：±0.002～0.02㎜／m；回转角测量精度：±5″／360°系统分辨率：能正确检测的最小位移量。直线位移分辨率：1μm，高精度0.1μm；回转分辨率：可达2″(0.087″)。大型机床：速度为主；中小型机床、高精度机床：精度为主。数控机床加工精度主要由检测系统精度决定。4.2位置检测装置3（4）安装位置半闭环控制的数控机床旋转变压器、编码器等。安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。4.2位置检测装置4（5）数控机床对检测装置的要求受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强在机床移动范围内满足精度和速度要求使用维护方便，适合机床运行环境成本低易于实现高速的动态测量。4.2位置检测装置54.2.1位置检测装置分类

数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转型增量式脉冲编码器圆光栅绝对式脉冲编码器

旋转变压器圆感应同步器圆磁尺多极旋转变压器3速圆感应同步器直线型计量光栅激光干涉仪多通道透射光栅

直线感应同步器光栅尺

3速直线感应同步器绝对值式磁尺4.2位置检测装置6（1）增量式与绝对式

增量式检测方式功能：测量增量，移动1个测量单位发出1个测量信号。如：测量单位为0.001mm，每移动0.001mm发出1个脉冲信号，对脉冲计数得到位移量。优点：装置较简单，任何一个对中点均可作测量起点；缺点：一旦计数有误，此后测量结果全错；发生故障（如断电、断刀等）时不能找到事故前的位置，须将工作台移至起点重新计数。增量式检测装置：有脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等4.2位置检测装置7绝对式检测方式功能：被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。优点：避免了增量式检测方式的缺陷缺点：结构较复杂。绝对式检测装置：有绝对式脉冲编码器、三速式绝对编码器（或称多圈式绝对编码器）等

4.2位置检测装置8（2）数字式与模拟式数字式测量方式以数字形式表示被测量，测量信号一般为脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理。特点：便于显示、处理；测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存在累加误差）检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。4.2位置检测装置9模拟拟式式测测量量方方式式用连连续续的的变变量量表表示示被被测测量量，，如如用用相相位位变变化化、、电电压压变变化化表表示示。。特点点：：直接接对对被被测测量量进进行行检检测测；；在小小量量程程内内可可以以实实现现高高精精度度测测量量；；可用用于于直直接接检检测测和和间间接接检检测测。。6.1概述述4.2位置置检检测测装装置置10（3）直直接接测测量量与与间间接接测测量量6.1概述述直接接测测量量用直直线线式式检测测装装置置测直直线线位位移移，，作为为全全闭闭环环伺伺服服系系统统的的位位置置反反馈馈信信号号，，构构成成闭闭环环控控制制。。对机机床床的的直直线线位位移移采采用用直直线线型型检检测测装装置置测测量量。。优点点：：测量量精精度度取取决决于于测测量量元元件件的的精精度度，，不不受受机机床床传传动动精精度度的的影影响响。。缺点点：：检测测装装置置要要与与行行程程等等长长，，对对大大型型数数控控机机床床来来说说，，是是一一个个很很大大的的限限制制。。4.2位置置检检测测装装置置11间接接测测量量检测测装装置置测量量只只是是中中间间值值，，再再由由它它推推算算出出与与之之关关联联的的位位移移量量，，作为为半半闭闭环环伺伺服服系系统统的的位位置置反反馈馈。。对机机床床的的直直线线位位移移采采用用回回转转型型检检测测装装置置测测量量，，称称为为间间接接测测量量。。优点：使用可靠方方便，无长长度限制，，缺点：检测信号号中加入入了直线线运动转转变为旋旋转运动动的传动动链误差差，影响响检测精精度。为为提高定定位精度度，常需需要对机机床的传传动误差差进行补补偿。4.2位置检测测装置124.2.2编码器编码器：：将测量的的角位移移以编码码的形式式输出的的位置检检测装置置，属于于间接测测量的数数字式检检测装置置。输出信号号的形式式：绝对式、、脉冲增增量式内部结构构和检测测方式：：接触式、、光电式式、电磁磁式。4.2位置检测测装置13工作台丝杠编码器电机安装方式式1）与伺服服电机同同轴联接接，编码码器在进进给传动动链前端端；安装装方便；；2）连在滚滚珠丝杠杠末端，，包含的的传动链链误差比比前者多多，位置置控制精精度较高高。4.2位置检测测装置14码盘及狭缝转轴光敏元件光栏板及辨向用的A组、B组狭缝光源零位标志C1.增量式光光电编码码器（1）结构4.2位置检测测装置15（2）原理将机械转转角变成成电脉冲冲信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距τm+τ/44.2位置检测测装置16AB90°Z……码盘转一一圈光敏元件件把此光光信号转转换成电电信号，，通过信信号处理理装置的的整形、、放大等等处理后后输出。。输出的波波形有六六路：4.2位置检测测装置17输出信号号的作用用及其处处理A、B两相的作作用：根据脉冲冲数目可可测角位位移根据脉冲冲频率可可得轴的的转速根据A、B两相的相相位超前前滞后关关系可判判断被测测轴旋转转方向4.2位置检测测装置18ABCP90O后续电路路可利用用A、B两相的90°相位差进进行四倍倍频细分分处理，，提高分分辨率。。4.2位置检测测装置19（3）增量式码码盘的规规格及分分辨率规格分辨率α增量式码码盘的规规格是指指码盘每每转一圈圈发出的的脉冲数数。市场场上提供供的规格格从36线/转到10万线/转都有。最最大达1600万线（禁禁运）。。选择原则则伺服系统统要求的的分辨率率；考虑机械械传动系系统的参参数。整整数原则则。4.2位置检测测装置202.绝对式光光电编码码器每一位置置均由唯唯一对应应的编码码输出电源切除除后位置置信息不不会丢失失数控机床床无需执执行回参参考点操操作就能能直接提提供当前前的位置置值，没没有累积积误差特点：4.2位置检测测装置21（1）结构和工工作原理理码盘基片片上有多多圈码道道，且每每码道的的刻线数数相等对应每圈圈都有光光电传感感器输出信号号的路数数与码盘盘圈数成成正比检测信号号按某种种规律编编码输出出，故可可测得被被测轴的的周向绝绝对位置置0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100232221204.2位置检测测装置22（2）绝对编码码盘的编编码方式式及其特特点二进制编编码：特点：编码循序序与位置置循序相相一致，，但可能能产生非非单值性性误差。。缺点：在1100和1011的交界处处，可能能会出现现二义：：11110000导致较大大的误差差。0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100232221204.2位置检测测装置23010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120格雷码（（循环码码）特点：任何两个个编码之之间只有有一位是是变化的的，因而而可把误误差控制制在最小小单位上上。但编编码与位位置循序序无直接接规律优点：最大误差差为一个个分辨率率。4.2位置检测测装置24格雷码的的编码方方法从二进制制码转换换而来的的，转换换规则为为：将二进制制码与其其本身右右移一位位后并舍舍去末位位的数码码作不进进位加法法，得出出的结果果即为格格雷码(循环码)。例：将将二进制制码0101转换成对对应的格格雷码4.2位置检测测装置25（3）绝对式编编码器的的规格及及分辨率率规格分辨率α绝对式码码盘的规规格与码码盘码道道数n有关；现在市场场上提供供从4道到27道都有。。（23道以上禁禁运）选择原则则①伺服系系统要求求的分辨辨率；②②考考虑机械械传动系系统的参参数。4.2位置检测测装置263.编码器的的信号传传输方式式（1）传输对象象：伺服电机机、数控控装置（2）传输方式式：并行或串串行并行传输输：每位数据据需要一一根数据据电缆线线。特点：仅适用于于短距离离传输和和特殊要要求的场场合。串行传输输：通过一根根双绞线线实现数数据传送送，分为为单工、、半双工工和全双双工，同同步串行行通信或或异步串串行通信信。特点：用线少、、成本低低、传输输距离远远、数据据安全可可靠。应应用于远远距离传传输和高高精密的的场合。。4.2位置检测测装置27并行传输输增量式编编码器的的数据输输出多以以并行传传输方式式为主。。输出信信号通常常有A、/A、B、/B和C、/C六路信号号，有些些还输出出U、V、W三路信号号，用于于电机矢矢量控制制中电枢枢初始角角度的计计算。4.2位置检测测装置28串行传输输绝对式编编码器多多以同步步串行传传输方式式为主。。串行传传输的方方式很多多，以德德国海德德汉公司司的全双双工同步步串行EnDat为例，有有EnDat2.1和EnDat2.2两个版本本。EnDat2.2不仅能为为增量式式和绝对对式编码码器传输输位置值值，同时时还能够够传输附附加信息息值或更更新存储储在编码码器中的的信息，，或保存存新的信信息，具具有效率率更高、、速度更更快（时时钟频率率16MHz）。4.2位置检测测装置294.编码器的的选择（1）电源。常用的编编码器电电源有5V、12V、24V几种类型型。（2）机械允许许转速。。取决于编编码器测测量系统统处理时时间、分分辨率和和结构尺尺寸，处处理时间间越短，，尺寸越越小，机机械允许许转速越越高。（3）分辨率。。应根据测测量精度度要求选选择编码码器分辨辨率，综综合考虑虑性价比比。（4）输出信号号类型。。类型决定定后续接接收电路路。（5）使用环境境。4.2位置检测测装置30根据测量量对象分分：直线光栅栅（测量量直线位位移）和和圆光栅栅（测量量角位移移）根据用途途和材质质分：玻璃透射射光栅、、金属反反射光栅栅。根据刻度度方法及及信号输输出形式式分：绝对式光光栅和增增量式光光栅。光栅：是利用光光的透射射、衍射射现象制制成的光光电检测测装置，，用于测测量运动动部件的的直线位位移和角角位移。。4.2.3光栅1.光栅的种种类4.2位置检测测装置31（1）直线光栅栅玻璃透射射光栅：：在玻璃表表面上用用真空镀镀膜法镀镀一层金金属膜，，再涂上上一层均均匀的感感光材料料，用照照相腐蚀蚀法制成成透明与与不透明明间隔相相等的线线纹。特点：光源可采采用垂直直入射，，光电元元件直接接接受光光信号，，因此信信号幅度度大，读读数头结结构较简简单；一般为为100、125、250条/mm，经过过电路路细分分，可可做到到微米米级的的分辨辨率。。4.2位置检检测装装置32金属反反射光光栅：：在钢尺尺或不不锈钢钢的镜镜面上上用照照相腐腐蚀法法或用用钻石石刀刻刻划制制成光光栅线线纹；；常用用4、10、25、40、50条/mm，分辨辨率低低。特点：标尺光光栅的的线膨膨胀系系数易易于与与机床床材料料一致致；标尺光光栅的的安装装和调调整较较方便便；安装面面积较较小；；易于接接长或或制成成整根根的钢钢带长长光栅栅；不易碰碰碎。。4.2位置检检测装装置33直线光光栅的的结构构由标尺尺光栅栅和光光栅读读数头头（即即指示示光栅栅）两两部分分组成成。光光栅读读数头头中有有光源源、透透镜、、扫描描光栅栅、光光电池池和信信号处处理电电路等等。4.2位置检检测装装置34（2）圆光光栅在玻璃璃圆盘盘外环环端面面上，，做成成黑白白相间间、呈呈辐射射状条条纹，，相互互间夹夹角（（栅距距角））相等等。根据不不同使使用要要求，，在圆圆周上上的条条纹数数不同同。一一般有有3种形式式。①六十十进制制，如如10800、21600、32400、64800等；②十进进制，，如1000、2500、5000等③二进进制，，如512、1024、2048等4.2位置检检测装装置35（3）绝对对式直直线光光栅尺尺利用光光电转转换原原理将将运动动部件件位置置值以以编码码形式式输出出，每每个位位置均均有唯唯一对对应代代码输输出。。有两条条刻线线轨道道—增量轨轨和绝绝对轨轨。绝绝对轨轨用于于确定定运动动部件件位置置值信信息，，条纹纹一般般采用用复杂杂的排排列算算法，，如伪伪随机机编码码方式式等，，以提提高数数据容容量和和安全全性。。增量量轨条条纹为为等距距条纹纹，用用于信信号细细分，，提供供更高高分辨辨率的的信号号。精精度可可达±3µµm/m，分辨辨率可可达5nm4.2位置检检测装装置36（4）增量量式直直线光光栅尺尺利用光光电转转换原原理将将位移移的增增量值值以脉脉冲形形式输输出，，通过过对脉脉冲计计数从从而计计算出出位移移值和和位置置值。。有两条条刻线线轨道道—增量轨轨和参参考点点轨。。增量量轨条条纹进进行位位移量量的计计算。。参考考点轨轨用于于回零零操作作。4.2位置检检测装装置374.2位置检检测装装置2.光栅的的工作作原理理（1）成像扫扫描。透射射光生生成位位置测测量信信号。。指示示光栅栅和标标尺光光栅的的光线线投射射到规规则排排列的的光电电池上上。当当指示示光栅栅和标标尺光光栅相相对运运动时时，光光电池池接收收到的的光强强不断断变化化，产产生近近似正正弦变变化的的周期期电信信号。。38（2）干涉扫扫描。。利用精精密光光栅的的衍射射和干干涉形形成位位置测测量信信号。。4.2位置检检测装装置39dw4.2位置检检测装装置40放大比比k为：：若d=0.01mm，θ＝0.01rad，则w＝1mm，k＝100莫尔条条纹特特性：：光学放放大作作用4.2位置检检测装装置413.光栅测测量系系统（1）4倍频细细分及及辩向向4.2位置检检测装装置42（2）电子子细分分根据细细分原原理可可分为为幅值细细分和鉴相细细分。电子子细分分电路路要求求光栅栅输出出信号号为一一组频频率和和幅值值相同同、相相位相相差90度的正正弦波波信号号。电阻链链移相相细分分电阻链链移相相细分分属于于幅值细细分。。将两个个相位位不同同的交交变信信号施施加在在电阻阻链两两端，，由于于电压压合成成的移移相作作用，，在电电阻链链的各各电阻阻抽头头上将将得到到幅值值和相相位各各不相相同的的一系系列移移相信信号，，再用用鉴零零器对对它进进行鉴鉴幅、、整形形，便便可在在莫尔尔条纹纹一周周期内内得到到若干干个脉脉冲信信号而而达到到细分分的目目的。。4.2位置检检测装装置43应用叠叠加原原理，，接点点处输输出电电压：：4.2位置检检测装装置44以上是是在＝＝0°至90°°第一象象限的的情况况。第第二至至第四四象限限可采采取同同样方方法。。当增加加多个个电阻阻时，，可以以构成成如图图所示示串联联电阻阻移相相桥，，它共共有16个输出出端，，实现现16倍细分分。各各点输输出电电压信信号经经比较较器整整形为为方波波，然然后经经逻辑辑电路路处理理即可可实现现细分分。4.2位置检测装装置45鉴相式细分分通过信号的的相位差来来模拟光栅栅系统的位位移，然后后对信号的的相位差进进行细分。。4.2位置检测装装置464.2.4旋转变压器器旋转变压器器是一种输出电电压与角位位移量成连连续函数关关系的感应应式微电机机检测装置置，主要用用于半闭环控制的数控控机床。优点：结构简单、、动作灵敏敏、工作可可靠、对环环境条件要要求低（特特别是高温温、高粉尘尘地方）、、输出信号号幅度大、、抗干扰能能力强。缺点：信号处理比比较复杂。。分类：按有无电刷刷分：接触触式和无接接触式两种种按极对数分分：单对极极和多对极极4.2位置检测装装置471.旋转变压器器的结构与两相绕线线式异步电电机相似，，由定子和转转子组成，，是一种旋转转式的小型型交流电机机。定子绕组通通过固定在在壳体上的的接线柱直直接引出。。转子绕组组有两种不不同的引出出方式。根根据转子绕绕组两种不不同的引出出方式，旋旋转变压器器分为有刷刷式和无刷刷式两种结结构形式。。4.2位置检检测装装置48（1）有刷式式旋转转变压压器转子绕绕组通通过滑滑环和和电刷刷直接接引出出。特点：：结构简简单，，体积积小缺点：：电刷与与滑环环是机机械滑滑动接接触的的，所所以旋旋转变变压器器的可可靠性性差，，寿命命也较较短。。4.2位置检检测装装置49（2）无刷式式旋转转变压压器由本体体和附附加变变压器器组成成。附加变变压器器原、、副边边铁心心及线线圈成成环形形，分分别固固定于于转子子轴和和壳体体上，，径向向留有有一定定的间间隙。。本体的的转子子绕组组与附附加变变压器器原边边线圈圈连在在一起起，在在附加加变压压器原原边线线圈中中的电电信号号，即即转子子绕组组中的的电信信号，，通过过电磁磁耦合合，经经附加加变压压器副副边线线圈间间接地地送出出。4.2位置检检测装装置50无刷式式旋转转变压压器避免了了电刷刷与滑滑环之之间的的不良良接触触造成成的影影响，，提高高了旋旋转变变压器器的可可靠性性及使使用寿寿命，，但其其体积积、质质量、、成本本均有有所增增加。。4.2位置检检测装装置512.旋转变变压器器工作作原理理旋转变变压器器利用绕绕组间间的互互感原原理。。当定定子加加上一一定频频率的的激磁磁电压压时，，通过过电磁磁耦合合，转转子绕绕组产产生感感应电电势，，其输输出电电压的的大小小取决决于定定子和和转子子两个个绕组组轴线线在空空间的的相对对位置置。Φ2＝kΦΦ1sinθU2＝nUmsinωtsinθ4.2位置检检测装装置52Um—激磁电电压幅幅值n—绕组匝匝数比比θ—转子偏偏转角角定子绕绕组励励磁电电压：：转子产产生感感应电电势：：4.2位置检检测装装置53（1）鉴相工工作方方式定子的的两个个绕组组通同同幅值值、频频率，，但相相位差差π/2的交流流激磁磁电压压。U1s＝UmsinωtU1c＝Um（sinωt+ππ/2）＝Umcosωt转子正正转时时：转子感感应电电压U23.旋转变变压器器的工工作方方式4.2位置检检测装装置54U2＝kUmsinωtsinθθ＋kUmcosωtcosθθ=kUmcos（ωt-θ）Um——激磁电电压幅幅值；；k——电磁耦耦合系系数，，k<1；θ——相位角角，即即：转转子偏偏转角角。转子反反转时时：U2＝kUmcos（ωt+θ）相位角角的测测量：：转子输输出电电压的的相位位角ωt+θ和θ间有对对应关关系，，检测测出ωt+θ，可得得θ（被测轴轴角位位移））。实实际应应用时时，把把定子子余弦弦绕组组激磁磁电压压的相相位ωt作为基基准相相位，，与ωt+