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伺服系统中的位置检测元件

信息来源:直线丝杆步进电机供应商科瑞通电子    添加时间:2019-02-12
伺服系统中的位置检测元件-步进电机供应商科瑞通电子

一、位置检测元件的要求和种类

位置伺服系统的位置控制是将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较,用其差值去控制进给电机。而实际反馈位置的采集,则是由一些位置检测装置来完成。这些检测装置有旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅……
对于采用半闭环控制的位置伺服系统,其闭环路内不包括机械传动环节,它的位置检测装置一般采用旋转变压器,或高分辨率的脉冲编码器,装在进给电机或者丝杠的端头,旋转变压器每旋转一个角度,都严格对应着运动机构移动的一定距离。测量了电机或丝杠的角位移,也就是间接测量了运动机构的直线位移。
对于采用闭环控制系统的位置伺服系统,应该直接测量工作台的直线位移,可采用感应同步器、光栅、磁栅等测量装置。由工作台直接带动感应同步器的滑动尺度的同时,与装在机床床身上的定尺配合,测量出工作台的实际位置。
可见,位置测量装置是位置伺服系统的重要组成部分。它的作用是测量位移和速度,发送反馈信号,构成闭环或半闭环控制。数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。
位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身,也取决于测量线路。位置伺服系统对检测装置的主要要求有:
高可靠性和高抗干扰性;
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。
二、感应同步器

感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。可用来测量直线或转角位移。测量直线位移的称长感应同步器,测量转角位移的称圆感应同步器。

圆感应同步器由转子和定子组成。这两类感应同步器是采用同一的工艺方法制造的。一般情况下。首先用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属基板上,然后按设计要求腐蚀成不同曲折形状的平面绕组。这种绕组称为印制电路绕组。定尺和滑尺,转子和定子上的绕组分布是不相同的。在定尺和转子上的是连续绕组,在滑尺和定子上的则是分段绕组。分段绕组分为两组,布置成在空间相差900相角,又称为正、余弦绕组。感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次侧和二次侧线圈,利用交变电磁场和互感原理工作。
安装时,定尺和滑尺,转子和定子上的平面绕组面对面地放置。由于其间气隙的变化要影响到电磁耦合度的变化,因此气隙一般必须保持在0.25±0.05mm的范围内。工作时,如果在其中一种绕组上通以交流激励电压,由于电磁耦合,在另一种绕组上就产生感应电动势,该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过对此信号的检测处理,便可测量出直线或转角的位移量。
感应同步器的优点是:
①具有较高的精度与分辨力。其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度,温度变化对其测量精度影响不大。感应同步器是由许多节距同时参加工作,多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。目前长感应同步器的精度可达到±1.5μm,分辨力0.05μm,重复性0.2μm。直径为300mm的圆感应同步器精度可达,分辨力,重复性。
②抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置,在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号,因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。平面绕组的阻抗很小,受外界干扰电场的影响很小。
③使用寿命长,维护简单。定尺和滑尺,定子和转子互不接触,没有摩擦、磨损,所以使用寿命很长。它不怕油污、灰尘和冲击振动的影响,不需要经常清扫。但需装设防护罩,防止铁屑进入其气隙。
④可以作长距离位移测量。可以根据测量长度的需要,将若干根定尺拼接。拼接后总长度的精度可保持单个定尺的精度。目前几米到几十米的大型机床工作台位移的直线测量,大多采用感应同步器来实现。
⑤工艺性好,成本较低,便于复制和成批生产。
由于感应同步器具有上述优点,长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中,例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。
三、光电脉冲编码器

编码器如以信号原理来分,有增量型编码器,绝对型编码器。下面以增量型编码器为例作简要说明。
1.工作原理
由图10.11所示,由一个中心有轴的光电码盘,其上有环形通、暗的刻线,有光电发射和接收器件读取、获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D。每个正弦波相差90度相位差,将C、D信号反向,叠加在A、B两相上,可增强稳定信号;另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。
由于A、B两相相差90度,可通过比较A相在前还是B相在前,以判别编码器的正转与反转,通过零位脉冲,可获得编码器的零位参考位。
编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料,玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线,其热稳定性好,精度高,金属码盘直接以通和不通刻线,不易碎,但由于金属有一定的厚度,精度就有限制,其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级,塑料码盘是经济型的,其成本低,但精度、热稳定性、寿命均要差一些。
编码器以每旋转360度提供多少个通或暗刻线称为分辨率,也称解析分度、或直接称多少线,一般在每转分度5~10000线。
2.信号输出
信号输出有正弦波,方波,集电极开路,推拉式多种形式,其中TTL为长线差分驱动,HTL也称推拉式、推挽式输出,编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。
编码器的脉冲输出信号一般连接到计数器、plc、计算机,PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分,开关频率有低有高。
如单相联接,用于单方向计数,单方向测速。A、B两相联接,用于正反向计数、判断正反向和测速。A、B、Z三相联接,用于带参考位修正的位置测量。A、A-,B、B-,Z、Z-连接,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为0,衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离。对于TTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达150米。对于HTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达300米。
3.增量式编码器的问题
增量型编码器存在零点累计误差,抗干扰较差,接收设备的停机需断电记忆,开机应找零或参考位等问题,这些问题如选用绝对型编码器可以解决。


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