第四章伺服系統常用測量元件李鑫合肥工業大學電氣與自動化工程學院第四章伺服系統常用測量元件4.1概述4.2編碼器4.3旋轉變壓器4.4光柵4.5磁柵尺總結2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut24.1概述2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut3類型數字式模擬式增量式絕對式增量式絕對式回轉型光電盤、圓光柵編碼盤旋轉變壓器、感應同步器、圓形磁尺多級旋轉變壓器、旋轉變壓器組合直線型長光柵、激光干涉儀編碼尺直線感應同步器、磁尺絕對值式磁尺

測量元件是伺服系統重要組成單元，為了實現伺服系統的伺服性能，測量元件應能實時地對被測對象的伺服參數（位移、速度、加速度、加加速度和力、轉矩等機械量）進行檢測。常用的檢測（角）位移、（角）速度的測量元件有旋轉變壓器、感應同步器和編碼器。常用的位置檢測裝置分類見下表。4.2編碼器-結構與原理2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut4增量式光電編碼器原理圖增量式光電編碼器輸出信號（正轉）1.增量式光電編碼器4.2編碼器-結構與原理2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut5絕對式光電編碼器原理圖2.絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器碼盤4.2編碼器-主要參數2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut6電源電壓：工作電壓一般有DC10~30V和DC5V±10%倆種。耗流量（空載）：空載時的電流。分辨率：以編碼器軸轉動一周所產生的輸出信號腳本周期數來表示的，即脈沖數/轉。精度：是指編碼器輸出的信號數據對測量的真實角度的準確度，對應的參數是角分、角秒。最高響應頻率：一秒內能響應的最大脈沖數。最高轉速：可響應的最高轉速，在此轉速下發生的脈沖能被響應。截止頻率(-3dB、-6dB)信號輸出方式機械轉速（機械允許軸速）：編碼器的機械轉速以每分鐘最多可以旋轉的圈數來表示——r/min。軸載重能力：軸所能承受徑向和軸向載荷的能力。4.2編碼器-輸出信號2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut7集電極開路輸出電壓輸出差分長線驅動推挽式輸出

編碼器的信號輸出波形有正弦波（電流或電壓）,方波(TTL、HTL)。TTL晶體管邏輯(5V±0.25)，HTL也稱高壓晶體管(10-24V)邏輯；方波輸出的也有分集電極開路輸出（OpenCollector）、電壓輸出（Voltage）、差分長線驅動（LineDriver）、推挽式輸出（TotemPole）等4.2編碼器-應用8編碼器的脈沖信號一般連接計數器、PLC、計算機，可用于計數、測速、位置測量等作用EB62-CWZ6C輸出回路

NPN增量型接線原理4.3旋轉變壓器-結構9旋轉變壓器按用途的差異可分為計算用旋轉變壓器和數據傳輸用旋轉變壓器；按輸出電壓的轉子轉角之間的函數關系差異可分為正余弦旋轉變壓器、線性旋轉變壓器和比例旋轉變壓器等；按旋轉變壓器在由其構造的轉角運算或相關變換及信號傳輸系統中的相對位置關系及具體作用可分為旋變發送機、旋變差動發送機和旋變變壓器等；根據轉子電信號引進、引出的方式，分為有刷旋轉變壓器和無刷旋轉變壓器；按轉子旋轉角度限制義可分為有限轉角和無限轉角兩種類型；按極對數差異又可分為單對極和多對極旋轉變壓器。有刷旋轉變壓器2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfutA—普通旋轉變壓器B—環形變壓器無刷式旋轉變壓器結構示意磁阻式旋轉變壓器結構示意4.3旋轉變壓器-結構102024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut類型精度工藝相位移可靠性結構成本有刷型高差小差復雜高環變型高一般比較大好一般一般磁阻型低好大最好簡單低各種類型的旋轉變壓器性能、特點比較

有刷旋轉變壓器可以得到最小的電氣誤差、最大的精度。但是由于在結構上，存在著電的滑動接觸，因此可靠性差；環形變壓器型的旋變，也可達到高的精度，工藝性、結構情況、可靠性以及成本都比較好；磁阻式旋變的可靠性、工藝性、結構性以及成本都是最好的，但精度比其它兩種低。4.3旋轉變壓器-工作原理112024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut旋變發送機兩相輸出電壓和轉角的關系曲線旋變變壓器輸出電動勢和失調角的關系曲線旋轉變壓器角度位置伺服控制系統4.3旋轉變壓器-主要參數122024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut額定勵磁電壓和勵磁頻率：勵磁電壓都采用比較低的數值，一般在10V以下。旋轉變壓器的勵磁頻率通常采用400Hz、以及（5～10）kHz之間。變壓比和最大輸出電壓：變壓比是指當輸出繞組處于感生最大輸出電壓的位置時，輸出電壓和原邊勵磁電壓之比。極對數：旋轉變壓器的極對數表示了轉子和定子繞組的正弦分布在一次旋轉中的重復頻率。極對數越高，旋轉變壓器機械精度越高。對于多極對，絕對角度數據可能會丟失，但在對旋轉變壓器信號進行數字轉換后，會獲得更高的分辨率。電氣誤差阻抗相位移零位電壓：輸出電壓基波同相分量為零的點稱為電氣零位，此時所具有的電壓稱為零位電壓。基準電氣零位：確定為角度位置參考點的電氣零位點稱作基準電氣零位。4.3旋轉變壓器-輸出信號及處理132024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut旋轉變壓器和RDC的連接圖示意旋轉變壓器的信號輸出是兩相正交的模擬信號，它們的幅值隨著轉角做正余弦變化，頻率和勵磁頻率一致。這樣一個信號還不能直接應用，這就需要角度數據變換電路，把這樣一個模擬量變換成明確的角度量，這就是RDC（ResolverDigitalconverter-旋轉變壓器數字變換器）電路。4.3旋轉變壓器-應用142024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut

在很多場合下，旋轉變壓器可以單獨作為測角元件用，直接和角度信號變換單元連接，由角度變換單元輸出角度信號數據。旋轉變壓器解碼后角度顯示旋轉變壓器接口示意圖4.4光柵152024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut直線光柵尺外形

光柵尺也稱為光柵尺位移傳感器或光柵尺傳感器，是通過利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光柵尺可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。通常采用非接觸式測量，作為伺服控制系統的位置檢測元件以構成全閉環控制。4.4.1光柵結構162024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut直線光柵尺結構圖直線透射式光柵由標尺光柵和光柵讀數頭兩部分組成，光柵讀數頭包括光源、透鏡、光電元件、指示光柵等。標尺光柵和指示光柵也可稱為長光柵和短光柵，它們的線紋密度相等。長光柵可安裝在機床的固定部件上（如機床床身），其長度應等于工作臺的全行程；短光柵長度較短，隨光柵讀數頭安裝在機床的移動部件上。4.4.2光柵尺工作原理172024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut直線光柵尺原理圖在測量時，長短兩光柵尺面相互平行地重疊在一起，并保持0.01至0.1mm的間隙，指示光柵相對標尺光柵在自身平面內旋轉一個微小的角度θ。當光線平行照射光柵時，由于光的透射和衍射效應，在與兩光柵線紋夾角θ的平分線相垂直的方向上，會出現明暗交替、間隔相等的粗條紋——莫爾條紋。4.4.3光柵的辨向與信號處理182024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut在移動過程中，經過光柵的光線，其光強呈正（余）弦函數變化，反映莫爾條紋的移動的光信號由光電元件接收轉換成近似正（余）弦函數的電壓信號；經信號處理裝置整形、放大及微分處理后，即可輸出與檢測位移成比例的脈沖信號。為了既能計數，又能判別工作臺移動的方向，光柵用了4個光電元件。每個光電元件相距四分之一柵距（W/4）。當指示光柵相對標尺光柵移動時，莫爾條紋通過各個光電元件的時間不一樣，光電元件的電信號雖然波形一樣，但相位相差1/4周期。根據各光電元件輸出信號的相位關系，就可確定指示光柵移動的方向。光柵的特點：有很高的檢測精度。現在光柵的精度可達微米級，再經細分電路可以達到0.1微米。響應速度較快，可實現動態測量，易于實現檢測及數據處理的自動化控制。對使用環境要求高，怕油污、灰塵及振動。由于標尺光柵一般較長，故安裝、維護困難，成本高。4.4.4光柵的參數192024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut測量長度：量程是度量工具的測量范圍。其值由度量工具的最小測量值和最大測量值決定。精度等級：光柵尺準確度等級有±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm等。并不是所有的設備都選擇光柵尺的精度越高越好，精度越高成本越高。一般可以根據我們設備的精度來定位，比如設備的精度是0.01mm精度，可以選擇對應的精度光柵尺。防護等級（EN60529）敞開式直線光柵尺的讀數頭有防塵防水要求，光柵尺無需特別防護。如果光柵尺可能被污染，必須采取防護措施。加速度直線光柵尺在安裝和工作時會承受不同類型的加速度作用。溫度范圍（工作溫度）：工作溫度范圍是指環境溫度范圍，在該范圍內能保證直線光柵尺技術參數中的性能。最大運動速度：即光柵尺允許的最大運動速度。4.4.5光柵的應用202024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut參數海德漢LIC4003日本三豐AT203雷尼招RTLFASTRACKTM匯川井道絕對值光柵尺測量長度24034044064084010401240144016401840204022402440264028403040(Robax玻璃陶瓷的最大測量長度為1640)100-6000mm最長10m(可根據要求提供10m以上長度)392m(可定制更大量程)精度等級（精度）±1μm(僅限Robax玻璃陶瓷)±3μm±5μm有效測量范圍:100-1500mm(3+3Lo/1000)μm有效測量范圍:1600-3000mm(5+5Lo/1000)μm有效測量范圍:3250-6000mm(5+8Lo/1000)μm20μm:±5μm/m40μm(高精度)∶±5μm/m40μm:±15μm/m重復精度±1mm絕對精度±(1+0.1L)mmL∶測量量程防護等級—IP65—IP54溫度范圍-10℃~70℃0℃~45℃—-20~65C最大響應速度≤600m/min120m/min(有效測量范圍為3250-6000mm的型號:50m/min)—≤8m/s供電電壓DC3.6V至14V——DC12V~30V(紋波100mVpp)重量3g+0.11g/mm測量長度——0.5kg幾種光柵的技術指標4.5.1磁柵的結構212024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut磁性標尺結構圖磁柵檢測裝置由磁性標尺、拾磁磁頭和檢測電路組成。多種形狀的磁性標尺磁通響應型磁頭磁柵檢測電路包括：磁頭勵磁電路，讀取信號的放大、濾波、整形及辨向電路，細分內插電路，顯示及控制電路等部分。根據檢測方法不同，檢測電路分為鑒幅檢測和鑒相檢測。4.5.2磁柵的工作原理222024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut磁柵測量裝置是將具有一定節距的磁化信號用記錄磁頭記錄在磁性標尺的磁膜上，用來作為測量基準。在測量時，拾磁磁頭將磁性標尺上的磁化信號轉化為電信號，然后再送到檢測電路中去，把磁頭相對于磁性標尺的位置或位移量用數字顯示出來或轉化為控制信號輸入給數控機床。其工作原理是將高頻勵磁電流通以勵磁繞組時，在磁頭產生上磁通，當磁頭靠近磁性標尺時，磁性標尺上的磁信號產生的磁通通過磁頭鐵心，并被高頻勵磁電流產生的磁通調制，從而在拾磁繞組中感應出電壓信號輸出。移動方向檢測原理圖4.5.3磁柵的主要參數232024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut供電電壓：供電點處的線電壓或相電壓。重復精度：在一個確定的測量點位置上，每次被測量的量變化到這個位置時傳感器表現出來的測量差值。當多次給定相同的輸入，傳感器的輸出不同。分辨率：磁柵尺的分辨率就是一個脈沖的間隔。輸出信號：磁柵尺輸出信號類型有單端或差分輸出、ABZ脈沖信號等形式。響應頻率：也稱帶寬頻率，帶寬頻率越大，動態性能迅速。移動速度：磁柵基尺和磁頭之間相對移動的速度。溫度范圍：運行時適用的環境溫度，溫度區間越寬表示其適用的使用環境越寬。防護等級：IP（防護）等級由兩個數字所組成，第一個數字表示防塵；第二個數字表示防水，數字越大表示其防護等級越佳。如IP65，其中“6”表示完全防止粉塵進入；“5”表示任何角度低壓噴射對設備無影響。線脹系數：亦稱線脹系數。固體物質的溫度每改變1攝氏度時，其長度的變化和它在原溫度（不一定為0℃）時長度之比，叫做“線性膨脹系數"。4.5.4磁柵的應用242024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut參數阿童木MH0-H200米朗MR50安捷高MR20希控MB160工作電壓5-24VDC5~30VDC5V±5%—功耗＜25ma24VDC＜50ma5VDC—<30mA（無負載）—防護等級IP67IP68IP67—分辨率1μm、5μm、10μm可選5μm1-50μm—輸出信號單端或差分A\B\Z正交A.B增量信號—儲藏溫度短期：-10℃~+60℃中期：0℃~40℃長期：+20℃—-20~78°C-40~70°C工作溫