机电控制系统分析第三章.ppt

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1、1,机电控制系统测量元件,机电控制系统分析与设计,第 三 章,2,概述,测量元件就是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定关系的、容易处理的某种物理量的测量器件。被测量可以是物理量、化学量、生物量等。容易处理的量，主要指的是电信号，因为电信号容易进行放大、加减、积分、微分、滤波、存储和传送。因此测量元件又可狭义地理解为：将外界输入的信号变换为电信号的元件。它的基本功能就是检测和转换。测量元件又叫传感器，表示它能感受被测量，并能把它对被测量的响应传送出去。测量元件或传感器，一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，见图31。,3,敏感元件：能直接感受或响应被测量，并输出与之成确定关系的某

2、一另类物理量。转换元件：将敏感元件的输出转换为电参量。转换电路：把转换元件输出变为易于处理、显示、记录、控制的信号。既可以和敏感元件作在一起，也可分开。本章将对机电控制系统中常用的几种测量元件的工作原理，使用方法进行介绍。,图31 测量元件组成框图,4,寿命长，可靠性高，抗干扰能力强。满足精度、速度和测量范围的要求。使用维护方便，适合复杂的工作环境。易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化。体积小、重量轻、成本低。,对机电系统中检测元件的要求,5,直流测速发电机是直流电机作为发电机的运行状态，是一种测量转速用的小型直流发电机。从能量转换的角度来看，它将机械能转换成电能输出；从信号转换的角度

3、来看。它把转速信号转换成电信号。直流测速发电机是自动控制系统中常用的一种小型直流发电机，它一般有两种形式：永磁式和他励式。其工作原理、特性、结构等与普通直流发电机均相同。由于它在控制系统中往往作为一种测速传感器使用，把转速信号转换为直流电信号输出，因此控制系统对它的输出特性有特殊要求。直流测速发电机的输出特性是指当励磁保持不变，负载也保持一定的情况下，发电机的转速与负载端电压之间的关系，即为Uaf(n)。,3.1 直流测速发电机,6,3.1 直流测速发电机,7,3.1.1 机电控制系统对直流测速发电机的要求,输出电压Ua和转速n为线性关系，即UaK n，K为比例系数，从而使输出电压能正确反映电

4、机实际转速。输出特性斜率要大。当Uan越大，则测速发电机对转速反应越灵敏，即测速发电机的灵敏度越高。正、反转两个方向的输出特性要一致。温度变化对输出特性的影响要小。输出电压纹波要小，即要求在一定转速下输出电压要稳定，波动要小。,8,直流测速发电机的工作原理可由图3-2来说明。当励磁电压Uf恒定且主磁通 不变时，测速发电机的电枢与被测机械连轴而随之以转速n旋转，电枢导体切割主磁通 而在其中生成感应电动势E。电动势E的极性决定于测速发电机的转向，电动势E的大小与转速成正比，即,图3-2 直流测速发电机原理图,3.1.2 直流测速发电机的输出特性,测速发电机空载时，其输出电压U为,Ce是由电枢绕组结

5、构参数决定的常数，称为电势常数。对于他励式直流发电机，可认为为常数,9,测速发电机负载时，电枢绕组中因流过电枢电流I而在电枢绕组电阻ra上产生电压降Ira，如果忽略电枢反应、工作温度对主磁通 的影响，忽略电刷与换向器之间的接触压降，则有,由上式可见，只要主磁通、电枢电阻ra、负载电阻RL为常数，则输出电压U与电机的转速n成线性关系。,10,输出电压U随电机转速n变化而变化的关系曲线Uf(n)，称为输出特性，如图3-3所示。负载电阻RL的值越大时，Uf(n)的斜率越大，测速发电机的灵敏度越高。,图3-3 直流测速发电机输出特性,11,显然，直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系在实际中

6、是难以做到的，造成这种非线性误差的原因主要有以下四个方面：电枢反应温度的影响延迟换向去磁作用 电刷接触压降的影响,3.1.3 直流测速发电机的误差及处理方法,12,当电机的磁路较饱和时，交轴电枢反应对主磁场起去磁作用，这使每极总磁通下降，电枢感应电势减小。负载电阻越小，转速越高，负载电流将越大，电枢反应也越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，非线性误差越大。如图34所示。,一、电枢反应,为了减小电枢反应对输出特性的影响，在直流测速发电机的技术数据中标有最高转速和最小负载电阻值，用户在使用时转速不得超过最高转速，所接负载电阻不得小于规定电阻值否则非线性误差将变大。,图3-4 电枢反应对输

7、出特性的影响,13,由于电机周围环境温度变化以及电机本身发热，均会引起绕组电阻发生变化尤其是励磁绕组的电阻增大，使励磁电流减小，磁通下降，输出电压就将降低，为减小温度变化对输出特性的影响，通常采取的措施有：(1)将测速发电机的磁路设计得比较饱和，从而使励磁电流变化引起的磁通变化量减小。(2)用附加电阻减小励磁电流的变化。具体方法是在励磁回路中串联一个热敏电阻并联网络，热敏电阻具有负的温度系数，如图所示。,二、温度的影响,如温度升高，励磁绕组电阻增加，而并联网络总电阻却下降，从而起到补偿作用，使励磁电流基本上不随温度而改变。,14,3.1.4 直流测速发电机的性能指标和选择,一、主要性能指标,1

8、5,16,二、直流测速发电机的选择,选用直流测速发电机时，应根据它在系统中的功用而提出不同的要求。当作为恒速控制或用作解算元件时，应着重考虑其线性度和纹波电压；而对输出特性斜率的要求则是第二位的。当作为阻尼元件时，应着重考虑其输出特性的斜率而对其线性度和纹波电压的要求并不很严格。,17,直流测速发电机有电磁式和永磁式两类。电磁式需要专门的励磁电源，因而损耗大，还需要考虑温度补偿。永磁式不需要励磁电源，故效率高。目前国产的永磁式测速发电机的灵敏度高、反应快、分辨率高、低速精度高，特别适合于低速伺服系统中作为速度检测元件。它的缺点是不易于进行温度补偿，成本比较高。为保证直流测速发电机的非线性误差不

9、超过规定值，其转速不应超过规定的线性工作转速，负载电阻也不应小于规定值。,18,3.1.5 直流测速发电机的应用,直流测速发电机是重要的机电元件之一，在自动控制系统中用来测量或构成闭环系统，自动调节电动机的转速；在随动系统中用来产生比例于转速的电压信号以提高系统的稳定性和精度；在计算解答装置中作为微分、积分元件。此外它还可以测量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓慢的转速，并可代替测速仪直接测量转速。其优点是输出特性斜率大，没有相位误差。其缺点是有电刷和换向器，使它的可靠性差。由于它的优点比较突出，故在自动控制系统中，尤其是在低速测量装置中使用得很广泛，下面举例说明它的应用。,19,图为直流测速

10、发电机在雷达天线控制系统中作阻尼元件的应用实例。,20,如果从自整角机发送机手动输入一个转角，而此时自整角机(或称自整角变压器)由雷达天线驱动的转角为，则自整角接收机就输出一个正比于角度差()的电压，直流测速发电机的输出电压正比于d/dt，并负反馈到直流放大器的输入端。这时直流放大器的输入电压为Kl()K2d/dt，其中Kl为前置放大器的放大倍数，K2为测速发电机输出特性的斜率。,21,如果没有测速发电机，直流伺服电动机的转速仅正比于信号电压Kl()，电动机旋转使增大，减小，当0时，直流伺服电动机的输入信号Kl()0，电动机应停转，但由于电动机及其轴上负载的机械惯性，电机转速并不立即为零，而是

11、继续向增大方向转动，使，此时自整角机又输出反极性的误差信号，电动机将会在此反极性的信号作用下变为反转。同样由于惯性，反转又过了头，这样系统就会产生振荡。,22,当接上测速发电机后，则当=时，虽然Kl()0，但由于d/dt0，故直流放大器的信号电压为K2d/dt，由于此信号负反馈到直流放大器，此电压使电动机产生与原来转向相反的制动转矩，以阻止由于惯性而使电动机继续向增大方向转动，因而电动机很快停留在=位置。由此可见，系统中引入了测速发电机，就使得由于电动机及负载的惯性所造成的系统振荡受到了阻尼，从而改善了系统的动态性能。,23,桥式测速电路,在一些控制系统中，为了满足电动机稳速或系统稳定的要求，

12、也常采用简单的速度反馈方法，以获得与速度成正比的电气信号。通常，电气信号取自由电动机组成的桥式测速电路。这种电气信号的线性精度不高，但能满足某些系统的要求。桥式速度传感器又分为由直流电动机组成的和交流电动机组成的测速电路。,24,桥式测速电路,直流桥式速度传感器的测速电路是利用直流电动机的电动势正比于速度的原理构成的，其电路如图所示。由图可以求得桥路的输出电压为,25,桥式测速电路,直流桥式速度传感器的测速电路是利用直流电动机的电动势正比于速度的原理构成的，其电路如图所示。由图可以求得桥路的输出电压为,26,桥式测速电路,它表明，桥式测速电路的输出电压正比于电动机的转速，这种方法可以得到较高的

13、测速精度。交流桥式速度传感器的侧速电路是利用交流电动机的电流变化反映转速变化的基本原理构成的。交流电桥的平衡条件涉及幅值和相位两个方面，因而电路复杂，而且精度较低，再加上电动机特殊等缺点，故交流桥式测速电路只在少数场合得到使用。,27,3.2.1 概述,旋转变压器简称旋变，是一种输出电压随转子转角以一定规律变化的交流电机。,用途：角度检测与同步传递；三角运算；坐标变换,分类：,按转子输出电压与转角间函数关系分类：正余弦旋转变压器 线性旋转变压器 特种函数旋转变压器,按是否存在电刷和滑环分类：接触式旋转变压器 非接触式旋转变压器,按极对数分类：单对极旋转变压器 多对极旋转变压器,3.2 旋转变压

14、器,28,旋转变压器的结构由定子和转子两大部分组成，定子铁心内圆和转子铁心外圆上都布有齿槽。在定、转子铁心槽中分别嵌放着两个轴线在空间互相垂直的分布绕组，即两极两相绕组。,图2 旋转变压器铁心结构示意,3.2.2 旋转变压器结构,如图3所示。图中D1D2及D3D4分别为定子励磁绕组和定子补偿绕组，它们的结构参数完全相同。,图3 旋转变压器绕组结构示意,圆内的绕组为转子余弦绕组Z1Z 2及转子正弦绕组Z 3Z 4，它们的结构参数也完全相同。,如图2所示。,29,如果输出绕组Z1Z2、Z3Z4开路，定子补偿绕组D3D4也开路，只有定子励磁绕组D1D2施加交流励磁电压时，这种工作状态为空载运行。,3

15、.2.3 正余弦旋转变压器,1、空载时的工作原理：,30,A：气隙磁场D在输出绕组Z1Z2上的感应电势有效值为 EZ12=EmcosB：另一输出绕组Z3Z4的轴线与磁场轴线（直轴）的夹角为90-，那么 气隙磁场D在Z3Z4上的感应电势有效值为 EZ34=Emcos（90-）=EmsinD在定子励磁绕组中所感生的电动势为ED，由变压器原理可知：,则：EZ12=KEDcos EZ34=KEDsin,当忽略定子绕组D1D2的电阻和漏抗时，EDUDEZ12=KUDcos EZ34=KUDsin,1、空载时的工作原理：,31,可见，通过调节转子转角的大小，输出绕组Z1Z2输出的电压按余弦规律变化，故又叫

16、余弦输出绕组，绕组Z3Z4输出的电压按正弦规律变化，故叫做正弦输出绕组。,1、空载时的工作原理：,32,在实际应用中，输出绕组都接有负载，实验表明，带上负载的旋变，输出电压不再是转角的正、余弦函数关系，出现了一定的偏差。一般把这种输出特性偏离理想正余弦规律的现象称作输出特性的畸变。,2、负载时的工作原理：,（1）产生畸变的原因,Z12,Z12d,Z12q,33,交轴分量磁通是旋变负载后输出特性畸变的主要原因。为了保证正余弦旋变的输出特性，就要消除交轴分量磁通的影响。,2、负载时的工作原理：,（2）消除畸变的方法,34,1）转子补偿：,两个结构和参数完全一样的输出绕组如果接的负载阻抗一样，那么两

17、绕组产生的交轴方向的磁通大小相等方向相反，刚好抵消，没有交轴磁通；而在直轴方向上磁通为两绕组直轴分量磁通之和。,ZL,ZL,注意：上面所阐述的转子补偿是有条件的，即ZL=ZL,35,定子的励磁绕组D1D2仍接交流电源，而补偿绕组D3D4接阻抗Z，在绕组D3D4中产生感应电流，从而产生交轴方向磁通，补偿转子绕组的交轴磁通。输出绕组Z1Z2接负载，绕组Z3Z4开路。,2）定子补偿：,Z,ZL,36,可以证明，当定子两相绕组的结构参数相同，阻抗Z与交流励磁电源内阻抗Zj相等时，可以完全消除负载引起的输出特性畸变。因为一般电源内阻抗Zj很小，所以实际应用中经常把定子补偿绕组（交轴绕组）直接短路，同样可

18、以达到补偿的目的。,2）定子补偿：,37,此时，四个绕组全部用上，转子两个绕组外接阻抗ZL和ZL，并且允许ZL有所改变。,3）转子、定子补偿：,38,在飞行器姿态控制和检测、导弹控制、雷达天线跟踪等角位置控制系统中,常用自整角机(Synchro)、旋转变压器(Resolver)完成角位移的检测、传输、接收和变换等功能。近年来,在工业机器人、数控机床、计算机辅助制造(CAM)等方面此类控制电机也得到了广泛应用。为适应测量、伺服系统数字化的要求,需要将旋转变压器输出的交流电压信号变换成数字量;或将计算机输出的数字量变换成旋转变压器能接收的交流电压信号，为此研制了旋转变压器数字转换器(RDC)和数字

19、旋转变压器转换器(DRC)。,3.2.4 旋转变压器的数字变换技术,39,旋转变压器数字转换器(RDC)是将旋转变压器输出的四线交流电压转换成二进制数字量。由于它们内部的电路采用了二阶伺服回路，因而它们输出的数字量是连续跟踪输入轴变化。,1.旋转变压器数字转换器,40,较有代表性的是中船716所生产的一种超小型、模块式、通用化的旋转变压器数字转换器（XSZ）。它采用二阶伺服原理设计,数据输出具有三态锁存功能，输入信号来自旋转变压器信号,输出信号是经三态锁存器缓冲，与TTL电平兼容的并行自然二进制码数字量。,国内RDC模块,41,AD2S1200是Analog Device公司最新推出的旋转变压

20、器数字转换器单片集成电路。由EXC、向旋转变压器提供励磁信号,承载位置信息的两路旋转变压器模拟信号送入sin、sinLO、cos、cosLO输入端。,国外RDC模块,42,AD2S1200,S4,43,数字旋转变压器转换器(DRC)是将表示角度的数字输入信号变换成旋转变压器能接收的交流电压信号。具有精度高、可靠性好、无旋转运动、不需调整等优点，是计算机与控制系统之间理想的接口电路，可用于火力控制系统中的目标跟踪、高炮或发射架伺服系统及其他工业控制装置。,2.数字自整角机/旋转变压器转换器,44,下面介绍的是中船716所生产的数字-旋转变压器(DRC)转换模块14SXZ14A3。其原理框图如下。

21、,45,3.3.1 概述,感应同步器是20世纪60年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、角位移）传感器。按其用途可分为两大类：测量直线位移的线位移感应同步器；测量角位移的圆盘感应同步器。首先用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属（或玻璃）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。分为直线感应同步器和圆感应同步器，它们都由两部分组成：定尺和滑尺或定子和转子。定尺和转子上是连续绕组，而在滑尺和定子上是分段绕组，分段绕组分为两组，布置成在空间相差90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，将

22、绕组间相对位移量（线位移或角位移）转换成电信号输出。,3.3 感应同步器,46,感应同步器优点,1)具有很高的精度和分辨率。目前直线式感应同步器的精度可达到1m，分辨率可达0.05 m，重复性误差可达0.2 m。直径为300mm的旋转式感应同步器的精度可达1，分辨率可达0.05，重复性误差可达0.1。2)抗干扰能力强。不受瞬时作用的偶然干扰信号的影响。平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场和空间磁场变化的影响很小。因为是根据正弦和余弦两相绕组的电压幅值或相位进行比较完成测量的。因此，基本上不受电源波动的影响。3)结构简单、工作可靠、使用寿命长。固定部件和运动部件互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿

23、命长。4)可以作长距离位移测量。可根据测量长度的需要进行拼接。10米的大型机床工作台位移的测量，大多采用感应同步器。,47,感应同步器缺点,5)工艺性好、成本较低，便于复制和成批生产。感应同步器中导片的数量很多，产生误差平均效应。明显减小了导片节距误差对测量精度的影响，使测量精度远远高于制造精度，因此对制造精度的要求并不很高。,感应同步器的缺点是：输出信号弱、信号处理麻烦、配套信号处理设备(数显表)比较复杂、价格高。,48,3.3.2 感应同步器结构,直线式感应同步器的绕组结构如下图所示。它由定尺和滑尺两部分组成。定尺和滑尺可利用印刷电路板的生产工艺，用覆铜板制成。滑尺上有两个绕组。当定尺栅距

24、为W2时，滑尺上的两个绕组间的距离l1应满足如下关系：l1=(n/2+1/4)W2。滑尺绕组呈W形或U形。,49,sin,cos,节距2（2mm）,节距（0.5mm）,滑尺,定尺,3.3.2 感应同步器结构,50,直线式感应同步器的绕组结构如图所示。它由定尺和滑尺两部分组成。定尺和滑尺可利用印刷电路板的生产工艺，用覆铜板制成。滑尺上有两个绕组，彼此相距/2或3/4。当定尺节距为W2时，滑尺上的两个绕组间的距离l1应满足如下关系：l1=(n/2+1/4)W2。滑尺绕组呈W形或U形。,3.3.2 感应同步器结构,51,感应同步器由一组平面绕组组成。长感应同步器的滑尺和圆感应同步器的定子是分段绕组，

25、作为一次绕组，通以交变激励电压，形成一个相对空间位置固定，大小随时间变化的脉振磁场。长感应同步器的定尺和圆感应同步器的转子的连续绕组在相对线位移或角位移时，穿过其绕组中的磁通是变化的，产生周期性变化的感应电动势。以长感应同步器为例来阐述其工作原理。,3.3.3 感应同步器工作原理,52,当滑尺上b绕组处于A点处，感应电动势最大（幅值）；当移动W/4时处于B点，感应电动势为零；继续移到C处，反向感应电动势最大，移到D处为零，移到E处，又回到与初始位置完全相同的耦合状态。,3.3.3 感应同步器工作原理,53,由上分析可见，当滑尺每移动一个绕组节距，在定尺绕组中的感应电动势变化一个周期，这样便把机

26、械位移量和电信号周期联系起来了，绕组节距W相当于2电角度。如果滑尺相对于定尺自某初始位置算起的位移量为x。则x机械位移引起的电角度变化2x/W。,3.3.3 感应同步器工作原理,54,当滑尺正弦绕组上加激磁电压us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：,uos=K us cos,K 电磁感应系数 定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角）,当滑尺余弦绕组上加激磁电压uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：,uoc=K uc cos（+/2）=K ucsin,3.3.4 感应同步器信号处理方式,55,当滑尺正、余弦绕组上同时加激磁电压us、uc 时，由于感应同步器的磁路可视为线性的，根据叠加

27、原理，则与之相耦合的定尺 绕组上的总感应电压为：uo=uos+uoc=K us cos K uc sin 相位角与相对位移量 x的关系：=2x/W 由于相对位移量 x 与 相位角呈线性关系，只要能测出相位角，就可求得位移量 x。,3.3.4 感应同步器信号处理方式,56,根据滑尺正、余弦绕组上激磁电压us、uc供电方式的不同和对输出电压检测方式的不同，感应同步器可有两种工作方式：鉴相工作方式、鉴幅工作方式。,鉴相型,鉴幅型,3.3.4 感应同步器信号处理方式,57,感同步器的鉴相型处理方式,在该种工作方式中，滑尺正、余弦绕组通以频率相同、幅值相同，相位差为/2的交流励磁电压。,正弦绕组励磁电压

28、:us=Um sint余弦绕组励磁电压:uc=Um cost,定尺 绕组上的总感应电压为：uo=uos+uoc=K us cos K uc sin,=K Um sint cos+K Um cost sin,=K Um sin（t+）,58,感应同步器的鉴相型处理方式,结论：在鉴相工作方式中,通过测量感应电压uo与正弦绕组励磁电压us相位差，就可求得滑尺与定尺相对位移量 x。,59,滑尺正、余弦绕组通以频率相同、相位相同，但幅值不同的交流励磁电压。,us=Um sin1 sint uc=Um cos1 sint,定尺 绕组上的总感应电压为：uo=uos+uoc=K us cos K uc sin

29、,=K Um sin(1)sint,1=2 x1/W（x1是指令位移值）,感应同步器的鉴幅型处理方式,60,结论：在鉴幅工作方式中,通过测量感应电压uo的幅值，就可求得滑尺与定尺相对位移量 x。,感应同步器的鉴幅型处理方式,61,3.3.5 感应同步器的应用,1点位控制系统点位控制系统主要是控制刀具或工作台从某一加工点到另一加工点之间的准确定位，而对点与点之间所经过的轨迹不加控制。下图就是感应同步器在点位控制中的应用。,62,工作过程如下：工作前先给计数器预置工作台某一相应位置的指令脉冲数。当计数器内有数时，门电路打开，步进电动机按脉冲发生器发出的驱动脉冲驱动工作台做步进运动，并带动感应同步器

30、的滑尺，滑尺每移动一定距离，如0.01mm，感应同步器检出装置发出一个脉冲，这个脉冲进入计数器，说明工作台已移动了0.01mm，计数器中的数就减l。当机床运动到达预定位置时，感应同步器检测装置发出的脉冲数正好等于预置的指令脉冲数，计数器出现全“0”状态，门电路关闭，步进电动机停转，工作台停止运动，实现准确的定位。,63,2位置随动系统位置随动系统或称连续控制系统，它不仅要求在加工过程中实现点到点的准确定位，而且要保证运动过程中逐点的定位精度，即对运动轨迹上的各点都要求精确地跟踪指令。下图是采用感应同步器为检测元件的位置随动系统。设开始时1，系统处于平衡状态。当计数器送来指令脉冲时，经数模转换电

31、路，使励磁电压的1角改变，即1，这就破坏了原有的平衡，定尺输出电压，经放大、整流后驱动直流力矩电动机，使工作台按预定方位运动，并带动滑尺向1的方向运动，直到重新等于1为止，从而实现了位置随动。,64,3.3.6 感应同步器的数字变换技术,在国内外位置检测领域中，感应同步器由于具有精度高、行程大、性能可靠等优点而得到广泛的应用。但对感应同步器的信号进行数字化变换是数显数控的一个关键环节。AD2S90是对感应同步器的输出信号进行数字变换的专用集成电路芯片。以AD2S90芯片为核心的感应同步器数字转换电路具有体积小、结构简单、可靠性高、易于调试和可输出多种信号模式等优点，可在机床的数字化改造中取得很

32、好的应用效果。而目前国内的转换电路多采用分立元件和非专用芯片，但这些芯片体积庞大、结构复杂、调试困难、可靠性差，而且信号的输出格式很难与现有的数显数控装置配接。,65,由正弦波发生器和功率放大电路产生大约10kHz的正弦波信号作为定尺的激磁信号。随着滑尺的运动，滑尺上两个独立绕组感应输出的两个信号将被滑尺位置对应的机械角度所调相和调幅。这两个信号和正弦波发生器的参考信号一起被送入AD2S90芯片的SIN、COS和REF端口。然后AD2S90芯片以鉴相方式将代表滑尺位置的角度转换成数字信号，此信号由串行数字输出端口或增量编码器端口输出。,66,3.4.1 概述,编码器又称码盘，是一种回转式数字测

33、量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。测量线位移的称作直线编码器，测量角位移的称作旋转编码器。,编码器按其结构形式有接触式、光电式、电磁式等，后两种为非接触式编码器。它们的工作原理不同，敏感元件不同，由结构相似但内涵不同的码盘组成。,3.4 编码器,67,68,非接触式编码器具有非接触、体积小和寿命长，且分辨率高的特点。三种编码器相比较，接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可能很高；而光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其测量精度和分辨

34、率能达到很高水平。光电式编码器的性价比最高，它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前我国已有23位光电编码器，为科学研究、军事、航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段。,69,就精度和可靠性来讲，光电式编码器优于其他类型，电磁式及接触式的编码器因其精度及可靠性不高的原因，应用愈来愈少。本节主要介绍光电式编码器。光电式编码器按照编码方式分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对值编码器），其关系如下所示：,光电式编码器,脉冲盘式编码器(增量编码器),码盘式编码器(绝对值编码器),70,绝对值码编码器核心部件是码盘。码盘有光电式、接触式和磁电式三种。以接触式

35、四位绝对编码盘为例来说明其工作原理。,3.4.2 绝对值编码器,接触式四位二进制码盘,71,图是个四位二进制编码盘，涂黑部分是导电的，其余是绝缘的。编码盘的外四圈按导电为“1”、绝缘为“0”组成二进制码。通常把组成编码的各圈称为码道。对应于四个码道并排装有四个电刷。电刷经电阻接到电源负极。编码盘里面的一圈是共用的，接电源正极。码盘的转轴与被测对象连在一起(如电动机转轴)。码盘的电刷装在一个不随被测对象一起运动的部件上。当被测对象带动码盘一起转动时，与电刷串联的电阻上将流过电流或没有流过电流，出现相应的二进制代码。,72,码盘的内孔由安装码盘的被测轴径决定，码盘外径由码盘上码道数和码道径向（宽度

36、）尺寸决定。所需码道数目由分辨力决定，n道码道的分辨力为2/2n。码盘由一组同心圆环码道组成。同心圆环的径向距离就是码道宽度。根据分辨力2/2n（n为码道数），把码盘面分成个2n扇,四位二进制码盘,形区，2n个扇形网格区对应着2n组数字编码，确定了码盘上2n个角位置对应的（输出）数字量。由输出的数字（编码）量可知角位移量。根据二进制数的规律，每个扇形网格是由n个“1”或“0”小网格组成一组数字编码。,1.码盘,73,四位二进制码盘,二进制码盘，由于电刷安装不可能绝对精确，必然存在机械偏差，这种机械偏差会产生非单值误差。,例如，由二进制码0111过渡到1000时，即由7变为8时，如果电刷进出导电

37、区的先后可能是不一致的，此时就会出现其他数字。这就是所谓的非单值误差。,74,与二进制码盘对比，循环码的特点是相邻的两组数码之间只有一位变化。同样码道数，循环码的码道网格节距可扩大一倍，可降低制作精度。对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码。,2.循环码盘,四位二进制循环码盘,下面给出四位二进制码与循环码的对照表。,75,四位二进制循环码盘,四位二进制码盘,76,光电编码器主要由安装在旋转轴上的码盘、狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光电元件等组成。基本结构如图所示。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。当光源将光投

38、射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一,3.光电式绝对值编码器,对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。,77,增量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，可作为位置检测和速度检测装置。增量编码器分为：光电式、接触式和电磁式。增量编码器根据所采用的检测元件的不同，又可以分为圆光栅式和编码盘式。,增量编码器的结构,1-转轴 2-LED光源 3-光栏板 4-零标志槽 5-光敏元件 6-码盘 7-印刷电路

39、板 8电源及信号线连接座,3.4.3 增量编码器,78,编码盘式增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，在某一径向位置（一般在内外两圈之外）开有一狭缝，表示码盘的零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件，,编码盘式增量编码器,79,80,增量编码器码盘最内圈是用来产生计数脉冲的增量码道A。扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇区越多，分辨率越高。中间一圈码道上有与外圈码道相同数目的扇形区，但错开半个扇形区，作为辨向码道B。在正转时，增量计数脉冲波形超前辨向脉冲波形/2；反转时，增量计数脉冲滞后/2。第三圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，C相的作用:被测轴的周向定位基准信

40、号;被测轴的旋转圈数记数信号。,81,应用举例 钢带式光电编码数字液位计 钢带式光电编码数字液位计是目前油田浮顶式储油罐液位测量普遍应用的一种测量设备。在量程超过 20m 的应用环境中，液位测量分辨率仍可达到 1mm，可以满足计量的精度要求。,主要构成如图。编码钢带的一端系在牵引钢带用的细钢丝绳上，细钢丝绳绕过罐顶的定滑轮系在大罐的浮顶上，编码钢带的另一端绕过大罐底部的定滑轮缠绕在卷带盘上。,82,当液位下降时，细钢丝绳和编码钢带中的张力增大，卷带盘在伺服系统的控制下放出盘内的编码钢带；当大罐液位上升时，细钢丝绳和编码钢带中的张力减小，卷带盘在伺服系统的控制下将编码钢带收入卷带盘内。读码器可随

41、时读出编码钢带上反应液位位置的编码。,83,以国产某型号编码器为例。,3.4.4 编码器的技术指标及使用,1.编码器型号标注含义,84,2.绝对值编码器,技术参数,85,线缆定义,86,3.增量型编码器,技术参数,87,编码器属于高精度仪器，安装时严禁敲击和摔打碰撞。编码器实心轴与外部联接应避免钢性联接，而应采用弹性联轴器、尼龙齿轮或同步带联接传动。避免因用户轴的串动、跳动、造成编码器轴系和码盘的损坏。安装编码器空心轴与电机轴是间隙配合，不能过紧或过松，定位键也不得过紧，严禁敲打装入。有锁紧环的编码器在装入电机轴前，严禁锁紧，以防止轴壁永久变形，避免编码器因此造成的装卸困难。,4.编码器安装使用及注意事项,88,应保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度0.20mm，两轴线的偏角1.5。安装时注意其允许的轴负载，不得超过其极限负载。注意不要超过其极限转速，如超过上述极限转速时，电气信号可能会丢失。接线务必要正确，错误接线会导致内部电路损坏。在初次启动前对未用电缆进行绝缘处理。不要将编码器的输出线与动力线等绕在一起或同一管道传输，也不宜在配线盘附近使用，以防干扰。,