第五-伺服驱动系统-课件.ppt

1、第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节第一节 伺服系统概述伺服系统概述第二节第二节 伺服系统中常用的检测装置伺服系统中常用的检测装置第三节第三节 步进电机极其驱动系统步进电机极其驱动系统第四节第四节 直流电机与速度控制直流电机与速度控制第五节第五节 交流电机与速度控制交流电机与速度控制第六节第六节 主轴控制主轴控制第七节第七节 位置控制位置控制第一节第一节 伺服系统概述伺服系统概述伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。象的自动控制系统。一、数控机床伺服系统的分类一、数控机床伺服系统的分类二、数控机床对伺服系统的要求二、数控机床对伺服

2、系统的要求一、数控机床伺服系统的分类一、数控机床伺服系统的分类 按伺服系统调节理论，可分为按伺服系统调节理论，可分为开环开环、闭环闭环和和半闭环半闭环系统。系统。按驱动部件的动作原理：按驱动部件的动作原理：电液控制系统电液控制系统电气控制系统电气控制系统 步进电动机驱动系统步进电动机驱动系统 直流伺服系统直流伺服系统 交流伺服系统交流伺服系统 按反馈比较控制方式，有按反馈比较控制方式，有脉冲比较脉冲比较伺服系统、伺服系统、相位比较相位比较伺伺服系统、服系统、幅值比较幅值比较伺服系统和伺服系统和全数字全数字伺服系统。伺服系统。按控制对象和使用目的，主要分为按控制对象和使用目的，主要分为进给、主轴

3、、辅助进给、主轴、辅助驱动驱动进给驱动进给驱动 控制机床各坐标轴的切削进给控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种运动，是一种精密的位置跟踪与定位精密的位置跟踪与定位系统，它系统，它包括速度控制和位置控制。包括速度控制和位置控制。主轴驱动主轴驱动 控制机床主轴的旋转运动和切控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般以速度控制为主。削过程中的转矩和功率，一般以速度控制为主。辅助驱动辅助驱动 控制刀库、料库等辅助系统，控制刀库、料库等辅助系统，多采用简单的位置控制。多采用简单的位置控制。闭环进给伺服系统闭环进给伺服系统 闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测闭环伺服系统的位置

4、检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNCCNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。位置控制模块位置控制模块速度控制单元速度控制单元伺服电机伺服电机 工作台工作台 位置检测位置检测测量反馈测量反馈伺服驱动装置伺服驱动装置速度环速度环速度检测速度检测位置环位置环半闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统 半闭环伺服系统一般将位置检测元件

5、安装在电动机轴上，半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量将角度转换成工作台的位移，为间接测量(图图6-3)6-3)。即坐标。即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多。

6、较多。位置比较位置比较速度控制速度控制 工作台工作台伺服电机伺服电机位置反馈位置反馈速度反馈速度反馈指令指令+图图6-3 6-3 半闭环伺服系统简图半闭环伺服系统简图开环进给伺服系统开环进给伺服系统 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改造。如图造。如图6-26-2为开环伺服系统简图，步进电机转过的角度与指为开环伺服系统

7、简图，步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。工作台工作台驱动器驱动器图图6-26-2开环伺服系统简图开环伺服系统简图指令脉冲指令脉冲步进电机步进电机齿轮箱齿轮箱二、数控机床对伺服系统的要求二、数控机床对伺服系统的要求 数控机床对伺服系统的要求可归纳为以下几方面：数控机床对伺服系统的要求可归纳为以下几方面：1.1.高精度高精度 要求伺服系统的定位误差特别是重复定位要求伺服系统的定位误差特别是重复定位误差小，跟随误差小。误差小，跟随误差小。2.2.快速响应，无超调快速响应，无超调 加工过程中，要求加减速度足加工过程中，要求

8、加减速度足够大，以便缩短伺服系统过渡过程时间。够大，以便缩短伺服系统过渡过程时间。3.3.电机调速范围宽电机调速范围宽 加工工件的种类、加工用刀具的加工工件的种类、加工用刀具的不同，为保证在任何条件下都能得到最佳切削状态，要不同，为保证在任何条件下都能得到最佳切削状态，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。4.4.低速大扭矩低速大扭矩 根据机床加工的特点，大都是在低速根据机床加工的特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时，进给驱动系统能够提供足够进行重切削，即在低速时，进给驱动系统能够提供足够大的扭矩。大的扭矩。5.5.可靠性高可靠性高 对环境的适应性强，性

9、能稳定，使用寿对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长平均故障间隔时间长。命长平均故障间隔时间长。第二节第二节 伺服系统中常用的检测装置伺服系统中常用的检测装置检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成半闭环、闭环系统。构成半闭环、闭环系统。检测装置的性能检测装置的性能检测装置的性能指标主要反应在其检测装置的性能指标主要反应在其动态特性和静态特性动态特性和静态特性上。上。静态特性包括精度、分辨率、灵敏度、测量范围和量程、静态特性包括精度、分辨率、灵敏度、测量范围和量程、迟

10、滞、零漂与温漂。迟滞、零漂与温漂。检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。系统精度是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大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值系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量 动态特性主要指检测装置的输出量对随时间变化的输入量动态特性主要指检测装置的输出量对随时间变化的输入量的响应特性。的响应特性。常用位置检测元件及分类常用位置检测元件及分类一一 、旋转变压器、旋转变压器模拟型，增量式模拟型，增量式二、感应同步器二、感应同步器非接触式模拟式测量。非接触

11、式模拟式测量。两个其间保持均匀气隙的平面形印刷绕组，相对平行移动时，两个其间保持均匀气隙的平面形印刷绕组，相对平行移动时，根据交变磁场和互感原理而工作的。根据交变磁场和互感原理而工作的。直线型感应同步器：测量直线位移直线型感应同步器：测量直线位移,由定尺和滑尺组成；由定尺和滑尺组成；圆形感应同步器圆形感应同步器:测量角位移测量角位移,由转子和定子组成。由转子和定子组成。（一）感应同步器的结构（一）感应同步器的结构（二）感应同步器的工作原理（二）感应同步器的工作原理（三）感应同步器输出信号的处理方式（三）感应同步器输出信号的处理方式（四）感应同步器的特点（四）感应同步器的特点（一）感应同步器的结

12、构（一）感应同步器的结构定尺为连续绕组定尺为连续绕组滑尺为分段绕组，分为正弦绕组和余弦绕组两部分滑尺为分段绕组，分为正弦绕组和余弦绕组两部分节距一定，滑尺的正弦绕组与定尺绕组错开节距一定，滑尺的正弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。节距。（二）感应同步器的工作原理（二）感应同步器的工作原理感应同步器根据电磁感感应同步器根据电磁感应原理而工作。应原理而工作。感应电势的感应电势的变化，来检测在一个节距变化，来检测在一个节距w w内的位移量。内的位移量。（三）感应同步器输出信号的处理方式（三）感应同步器输出信号的处理方式鉴相方式鉴相方式根据感应输出电压的相位来检测位移。根据感应输出电压的相位来检测位移。

13、鉴幅方式鉴幅方式根据定尺输出的感应电势的幅值变化来检测位移根据定尺输出的感应电势的幅值变化来检测位移（四）感应同步器的特点（四）感应同步器的特点1.精度高精度高 其输出的电压是许多对极感应电压的平均值，其输出的电压是许多对极感应电压的平均值，在误差均化的作用下，使所得到的测量精度比元件本在误差均化的作用下，使所得到的测量精度比元件本身的制造精度高得多。身的制造精度高得多。2.可用于长距离位移测量可用于长距离位移测量 直线型感应同步器可方便地直线型感应同步器可方便地利用多根定尺接长来满足较大测量范围的要求。利用多根定尺接长来满足较大测量范围的要求。3.对环境的适应性强对环境的适应性强 它是利用电

14、磁感应原理产生信号，它是利用电磁感应原理产生信号，所以不怕油污和灰尘污染，测量信号与位置一一对应，所以不怕油污和灰尘污染，测量信号与位置一一对应，不易受干扰。不易受干扰。4.使用寿命长，维护简单。使用寿命长，维护简单。5.工艺性好，成本低。工艺性好，成本低。三、光栅三、光栅光栅是利用光的透射、反射和干涉现象制成的一种光光栅是利用光的透射、反射和干涉现象制成的一种光电检测装置。电检测装置。物理光栅通常用于光谱分析和光波波长的测定。物理光栅通常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅通常用于数字检测系统，用来检测高精度计量光栅通常用于数字检测系统，用来检测高精度直线位移和角度位移直线位移和角度位移计

15、量光栅的种类及结构计量光栅的种类及结构种类：种类：1.1.直线光栅直线光栅玻璃透射光栅玻璃透射光栅金属反射光栅金属反射光栅2.2.圆光栅圆光栅测量角位移。圆光栅是在玻璃圆盘的外环测量角位移。圆光栅是在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白间隔条纹，条纹呈辐射状、端面上，做成黑白间隔条纹，条纹呈辐射状、相互间的夹角相等。相互间的夹角相等。结构：标尺光栅结构：标尺光栅+读数头读数头 P1 P2 P3 P4 指示光栅 标尺光栅 硅光电池 聚光镜 光源 图5-19 光栅测量系统 光栅测量系统如图所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动光栅测量系统如图所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。读

16、数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。就是将电压信号进行电压和功率放大。除标尺光栅与除标尺光栅与工作台一

17、起移动外，工作台一起移动外，光源、聚光镜、指光源、聚光镜、指示光栅、光电元件示光栅、光电元件和驱动线路均装在和驱动线路均装在一个壳体内，作成一个壳体内，作成一个单独部件固定一个单独部件固定在机床上，这个部在机床上，这个部件称为光栅读数头，件称为光栅读数头，又叫光电转换器，又叫光电转换器，其作用把光栅莫尔其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成条纹的光信号变成电信号。电信号。（二）直线透射光栅的工作原理（二）直线透射光栅的工作原理 标尺光栅和指示光栅具有间距很小的光栅刻线，二者间标尺光栅和指示光栅具有间距很小的光栅刻线，二者间有一小夹角，使得其透射或反射光产生莫尔条纹，有一小夹角，使得其透射或反射光产生

18、莫尔条纹，莫尔条莫尔条纹间距纹间距W W（mmmm）与栅距）与栅距P P(mm)(mm)及其间夹角及其间夹角之间的关系为：之间的关系为：当标尺光栅与指示光栅相对移动时，照射到光敏元件当标尺光栅与指示光栅相对移动时，照射到光敏元件上的莫尔条纹也移动，光敏元件输出反映两尺相对移动量上的莫尔条纹也移动，光敏元件输出反映两尺相对移动量的正弦电信号，对其进行整形、细分、辨向等处理即可得的正弦电信号，对其进行整形、细分、辨向等处理即可得到表示位移量的电脉冲。到表示位移量的电脉冲。PPWsin23工作原理工作原理 当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度

19、放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。角的平分线相垂直。PPWsin莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点：1.1.放大作用放大作用 用用W W（mmmm）表示莫尔条纹的）表示莫尔条纹的宽度，宽度，

20、P P(mm)(mm)表示栅距，表示栅距，为为光栅线纹之间的夹角，则有光栅线纹之间的夹角，则有莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度W W与与角成反比，角成反比，越小，放大倍数越大。越小，放大倍数越大。2.2.均化误差作用均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200200条条/mm/mm的光栅，的光栅，10mm10mm宽的光栅就由宽的光栅就由20002000条线纹组成，这样栅距之条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。的误差。标尺光栅标尺光栅W W指示

21、光栅（斜）指示光栅（斜）P P3.3.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例 当光栅尺移动一个栅距当光栅尺移动一个栅距P P时，莫尔条纹也刚好移动了一个条时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度纹宽度W W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。标尺光栅W指示光栅（斜）P标尺方向指示尺转角方向莫尔条纹方向标尺方向指示尺转角方向莫

22、尔条纹方向（三）光栅位移数字转换系统（三）光栅位移数字转换系统 当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波。硅光电池将近似正大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经光栅位移弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经光栅位移数字变数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一

23、个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。台的移动距离。光栅位移电压O图5-21 光栅的输出波形图光栅位移O光栅的实际亮度变化亮度 采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。定位置看其明暗变化是相同的。为了确定运动方向，至少要为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距放置两个光电元件，两者相距1/41/4莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度。当

24、光栅移动。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，所以两个光电时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差9090o o。根据两。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。向。增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又困难，成本高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，通常采用能达到自动辨向的目的

25、，通常采用倍频或细分倍频或细分的方法来提高的方法来提高光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔元件，每隔1/41/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/41/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。案。P P1 1、P P3 3信号是相位差信号是相位差180180o o的的两个信号，差动得正弦信两个信号，差动得正弦信号。同理，号。同理，P P2 2、P P4 4信号送信号送另一个差动放大器，得余另一个差动放大

26、器，得余弦信号。正余弦经整形变弦信号。正余弦经整形变成方波成方波A A和和B B，为使每隔，为使每隔1/41/4节距都有脉冲，把节距都有脉冲，把A A、B B各各自反向一次得自反向一次得C C、D D信号，信号，A A、B B、C C、D D信号再经微分变成信号再经微分变成窄脉冲窄脉冲AA、BB、CC、DD，即在正走或反走时每，即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉个方波的上升沿产生窄脉冲，由与门电路把冲，由与门电路把0 0o o、9090o o、180180o o、270270o o四个位置上产四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正据不同的移动方向形

27、成正向或反向脉冲。向或反向脉冲。图中的图中的P P1 1、P P2 2、P P3 3、P P4 4是四块硅光电池，产生的信号相位彼此相差是四块硅光电池，产生的信号相位彼此相差9090o o。Y6微分微分微分整形P1P2P4P3 差动 放大器 差动放 大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分 BA D Ca)原理电路图正向运动时，用与门正向运动时，用与门Y Y1 1Y Y4 4及或门及或门H H1 1，得到，得到AB+AD+CD+BCAB+AD+CD+BC的四个输出脉的四个输出脉冲；反向运动时，用与门冲；反向运动时，用与门Y Y5 5Y Y8 8及或门及或门H H2 2，得到，得到BC+

28、CD+AD+ABBC+CD+AD+AB的四个的四个输出脉冲输出脉冲其波形图sincosABCDABCD正向 相加AB+AD+CD+BC反向 相加BC+CD+AD+AB图5-22 四倍频辨向电路波形返回课件首页返回本章首页 若光栅栅距若光栅栅距0.01mm0.01mm，则工作台每移动，则工作台每移动0.0025mm0.0025mm，就会送出一个脉冲，即分辨率为就会送出一个脉冲，即分辨率为0.0025mm0.0025mm。由此可。由此可见，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅见，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于鉴向倍频的倍数。除四倍频以外，还距，还取决于鉴向倍频的倍数。除四

29、倍频以外，还有十倍频、二十倍频等。有十倍频、二十倍频等。（四）光栅的特点（四）光栅的特点 精度高精度高 可用于大量程测量可用于大量程测量 可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化 具有较强的抗干扰能力具有较强的抗干扰能力 怕震动和油污怕震动和油污 高精度光栅制造成本高高精度光栅制造成本高四、磁尺四、磁尺五、编码器五、编码器旋转式的旋转式的检测角位移的传感器检测角位移的传感器，并将角位移用数字，并将角位移用数字(脉冲脉冲)形式表示，故又称脉冲编码器。也常用它作为速形式表示，故又称脉冲编码器。也常用它作为速度检测元件。度检测元件。按码盘信号的读取

30、方式可分为光电式、接触式和电磁式。按码盘信号的读取方式可分为光电式、接触式和电磁式。按测量的坐标系可分为增量式和绝对式。按测量的坐标系可分为增量式和绝对式。脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为分为增量式与绝对式增量式与绝对式两类。两类。从产生元件上分，脉冲编码器有从产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应式光电式、接触式、电磁感应式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主要使用三种，从精度和可

31、靠性来看，光电式较好，数控机床上主要使用的是光电式脉冲编码器。的是光电式脉冲编码器。型号用型号用 脉冲数脉冲数/转（转（p/rp/r）分，常用的）分，常用的20002000，25002500，3000p/r,3000p/r,现在有现在有1010万万p/rp/r以上的产品。以上的产品。它可以用于角度检测，也可用于速度检测。通常它与电机做成它可以用于角度检测，也可用于速度检测。通常它与电机做成一体，或安装在非轴伸端。一体，或安装在非轴伸端。a)b)（一）绝对式编码器（一）绝对式编码器 绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代

32、码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以接触式四位绝对编码器绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。为例来说明其工作原理。如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金属区使其如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金属区使其导电，其中有剖面线部分为导电区，用导电，其中有剖面

33、线部分为导电区，用“1”“1”表示；其它部分为绝缘区，用表示；其它部分为绝缘区，用“0”“0”表示。每一径向，由若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值，表示。每一径向，由若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值，通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈是公用的，它和通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源负极。在接触式码各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源负极。在接触式码盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到电源正极（图盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到电源正极（图5-11b5-11b）。当）。当检测对

34、象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通过，为若回路中的电阻上有电流通过，为“1”“1”；反之，电刷接触的是绝；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为缘区，电阻上无电流通过，为“0”“0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输出，图示为到按规定编码的数字信号输出，图示为4 4位二进制码盘，根据电刷位置得位二进制码盘，根据电刷位置得

35、到由到由“1”“1”和和“0”“0”组成的二进制码，输出为组成的二进制码，输出为00000000、00010001、0010111100101111。由图由图5-115-11可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角且高位在内，低位在外。其分辨角360360o o/2/24 4=22.5=22.5o o，若是若是n n位二进制码盘，就有位二进制码盘，就有n n圈码道，圈码道，分辨角分辨角360360o o/2/2n n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须

36、增多码道，即二进制位数越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。增多。目前接触式码盘一般可以做到目前接触式码盘一般可以做到9 9位二进制，光电式位二进制，光电式码盘可以做到码盘可以做到1818位二进制。位二进制。1000 1111 23 22 21 20 图图5-12 5-12 四位二进制码盘非单值性误差四位二进制码盘非单值性误差 用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。如图个别电刷错位，而出现很大的数值误差。如图5-125-12，当，当电刷由位置电刷由位置01110111向向10001000

37、过渡时，可能会出现从过渡时，可能会出现从8 8（10001000）到到1515（11111111）之间的读数误差，一般称这种误差为非单）之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。图图5-135-13为葛莱码盘，其各码道为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何两个相邻的数码不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范切换一位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码的法围内。二进制码转换成葛莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去则是：将二进制

38、码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。进位加法，结果即为葛莱码。1000 1 3 2 6 7 4 12 13 14 15 10 11 9 0000 5 0 0001 0011 0010 0110 0111 0101 1001 1011 1010 1110 1111 1101 0100 1100 8 图5-13 葛莱码盘 例如，二进制码例如，二进制码11011101对应的葛莱码为对应的葛莱码为10111011，其演算过程如下：，其演算过程如下：1101 1101（二进制码）（二进制码）1101 1101（不进位相加，舍去末位）（不进

39、位相加，舍去末位）1011 1011（葛莱码）（葛莱码）（二）增量式脉冲编码器（二）增量式脉冲编码器 分辨力：分辨力：光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为比为i i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：床工作台移动的距离可用下式计算：iMS式中式中 脉冲当量（脉冲当量（mm/mm/脉冲）；脉冲）；S S滚珠丝杠的导程（滚珠丝杠的导程（mmm

40、m）；）；i i减速齿轮的减速比；减速齿轮的减速比；M M脉冲编码器每转的脉冲数（脉冲编码器每转的脉冲数（p/rp/r）i1个脉冲（）-mmM个脉冲(360，1转)M/i个脉冲（1/i转）-S1/i mmiMS推导：结构及工作原理结构及工作原理：数字显示 信号处理电路 圆光栅 指示光栅 光电元件 聚光镜 光源 圆光栅是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光圆光栅是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。

41、指示光栅也用玻璃材料研磨抛光制成，其透其数量从几百条到几千条不等。指示光栅也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。圆光栅与工作轴连在一光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。圆光栅与工作轴连在一起起 ，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过圆光栅，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过圆光栅和指示光栅射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、和指示光栅射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通

42、过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。光电式脉冲光电式脉冲编码器，它由编码器，它由光源、聚光镜、光源、聚光镜、圆光栅、指示圆光栅、指示光栅、光电元光栅、光电元件和信号处理件和信号处理电路等组成电路等组成（如图）。（如图）。电流AB节距tA1B1900脉冲编码器输出波形 为了判断旋转方向，指示光为了判断旋转方向，指示光栅的两个窄缝彼此错开栅的两个窄缝彼此错开1/41/4节距，节距，使两个光电元件输出信号相位差使两个光电元件输出信号相位差90900 0。如图。如图5-155-15所示，所

43、示，A A、B B信号信号为具有为具有90900 0相位差的正弦波，经相位差的正弦波，经放大和整形变为方波放大和整形变为方波A A1 1、B B1 1。设设A A相比相比B B相超前时为正方向相超前时为正方向旋转，则旋转，则B B相超前相超前A A相就是负方向相就是负方向旋转，利用旋转，利用A A相与相与B B相的相位关系相的相位关系可以判别旋转方向。此外，在光可以判别旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，它是轴旋转个的零位脉冲信号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。一周在固定

44、位置上产生一个脉冲。辨向技术辨向技术 在数控机床上，光电脉冲编码器作为位置检测装置，用在数字比较伺在数控机床上，光电脉冲编码器作为位置检测装置，用在数字比较伺服系统中，将位置检测信号反馈给服系统中，将位置检测信号反馈给CNCCNC装置。装置。图示为辨向环节框图图示为辨向环节框图和波形图。脉冲编码器输和波形图。脉冲编码器输出的交变信号出的交变信号 A,A,B,B B，经过差分驱动和差分接收经过差分驱动和差分接收进入进入CNCCNC装置，再经过整形装置，再经过整形放大电路变成二个方波系放大电路变成二个方波系列列 A A1 1,B,B1 1。将。将 A A1 1 和它的和它的反向信号反向信号1 1

45、微分（上升微分（上升沿微分）后得到沿微分）后得到 和和 脉冲系列，作为加、减计脉冲系列，作为加、减计数脉冲。数脉冲。差分整形放大Y1微分差分整形放大Y2微分AA1A1A1A1BBB1A辨向环节框图加计数减计数 B B1 1路方波信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时（路方波信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时（A A超前超前B B），），由由Y Y2 2门输出加计数脉冲，此时门输出加计数脉冲，此时Y Y1 1门输出为低电平（图门输出为低电平（图5-165-16）；反走时（）；反走时（B B超超前前A A），由），由Y Y1 1门输出减计数脉冲，此时门输出减计数脉冲，此时Y Y2 2门

46、输出为低电平。这种读数方式每门输出为低电平。这种读数方式每次反映的都是相对于上一次读数的增量，而不能反映转轴在空间的绝对位次反映的都是相对于上一次读数的增量，而不能反映转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法。置，所以是增量读数法。1A1A图5-16 辨向环节波形图1A1B1A1A1A1B1A1B1A2Y1Y 光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统的工作原理如下：光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着电机的转动产生脉冲序列，光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。若工作台静止，指令

47、脉冲和反馈脉其脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因冲都为零，两路脉冲送入数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉伺服电机的速度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出指令信号冲不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移动。电机运转后，光与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移动。电机运转

48、后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器，与指令脉冲进行比较，如果偏差电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器，与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指不为零，工作台继续移动，不断反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台停在指令规定的位置上。令脉冲数时，工作台停在指令规定的位置上。放大环节 指令信号 比较器 伺服电机 反馈信号 工作台 数字比较伺服系统应用应用第三节第三节 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统 一、步进电机的工作原理和性能指标一、步进电机的工作原理和性能指标（一）步进电机的分类（一）步进电机的分类（二）步进

49、电机的结构和工作原理（二）步进电机的结构和工作原理（三）步进电机的主要性能指标（三）步进电机的主要性能指标 二、步进电机的驱动和控制技术二、步进电机的驱动和控制技术一、一、步进电机的工作原理和性能指标步进电机的工作原理和性能指标步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移的控制电动机。的控制电动机。步进电动机定子绕组所加的电源是脉冲电压、步进电动机定子绕组所加的电源是脉冲电压、电流。电流。步进电动机的运动状态是步进形式的，角位移步进电动机的运动状态是步进形式的，角位移由脉冲数控制，转速由脉冲频率控制，旋转方向由由脉冲数控制，转速由脉冲频率控制，旋转方向由分配

50、脉冲的相序控制。分配脉冲的相序控制。特点：特点：（一）分类（一）分类按运动方式：有旋转式、直线运动式、平面运动式。按运动方式：有旋转式、直线运动式、平面运动式。按工作原理：按工作原理：反应式反应式(磁阻式磁阻式-VR,variable reluctance)VR,variable reluctance)永磁式永磁式(PM,permanent magnet)(PM,permanent magnet)电磁式电磁式(混合式混合式-HB,hybrid-HB,hybrid)。按使用场合：有功率步进电机和控制步进电机。按使用场合：有功率步进电机和控制步进电机。按电机结构：有单段式、多段式、印刷绕组式。按电