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1、第二章 伺服系统中的传感器 伺服系统中要控制的量是电机的位移、速度、加速度和 力矩。只有先通过传感器将这些量测量出来，才能实现 闭环控制。 了解各种传感器的工作原理、技术指标及其特点，才能 正确选用。 传感器的输出一般都是电信号。为使其能与系统控制器 的接口相匹配或传送的方便，往往要用信号处理电路将 传感器的输出变换成数字信号。 编码器 2.1 增量式光电编码器的工作原理 2.2 增量式编码器的主要技术参数 2.3 编码器信号后续处理 2.4 由增量式光电编码器估计速度 2.5 正弦波编码器 2.6 绝对式编码器 2.7 旋转变压器工作原理及主要技术 指标 2.9 导电塑料电位计 1 认识编码
2、器（编码器在机器人控制中的应用） 编码器 伺服电机 伺服电机 编码器 伺服电机 伺服电机 编码器 编码器 编码器 2.1 增量式光电编码器的工作原理 旋转编码器 线性编码器（光栅尺） （用于测量角位移） （ 用于测量直线位移） 编码器 光电式旋转编码器工作原理 光电编码器由光源、聚光透镜、基准光栅、扫描光栅、光 电转换元件及信号放大整形电路等部件组成。 编码器 （2）增量式光电编码器的结构 编码器 码盘 扫描光栅LED 零位标志 （一转脉冲） 光敏元件 360条纹数 36010240.352 基准光栅 准直透镜能把红外光平行地投射到光栅上，以减少光的 散射。 基准光栅是一块沿圆周表面刻有等距的
3、透光和不透光条 纹的玻璃圆盘 。 一个相邻的透光与不透光栅线间隔构成一个栅距 。 扫描光栅采用与基准光栅相同的工艺制成四个栅距与基 准光栅相同但彼此间错开1/4栅距的光栅组。 基准光栅与轴固联在一起并随之转动，而光源，扫描光 栅及光电转换元件是静止的。 基准光栅每相对扫描光栅移过一个栅距，光电元件输出 的电信号就变化一个周期。 扫描光栅的光栅组之间彼此错开1/4栅距，因此在所对应 的四个光电元件上产生彼此相差90电角度的正弦电流信 号。 可利用uA 和uB的相位关系判断轴的旋转方向 。 编码器 （3）辨向 编码器 90 A B A B 光敏元件所产 生的信号A、B彼 此相差90相位 ，用于辨向
4、。 当码盘正转时， A信号超前B信号 90；当码盘反 转时，B信号超 前A信号90。 增量式测量（INC） （1）信号性质 编码器 输出信号为一串脉冲，每一 个脉冲对应一个分辨角，对 脉冲进行计数N，就是对 的 累加，即，角位移 N。 如： 0.352，脉冲N 1000，则： 0.3521000 352 （4）辨向信号 编码器 A B A B A 超前于B 90，正向 A 滞后于B 90，反向 结论 脉冲电压量与所测运动量间的关系： 脉冲电压的周期数（称之为测量周期数）反映 了轴的旋转位移量或工作台的直线位移量； 脉冲电压的频率反映了轴的旋转速度或工作台 的直线位移速度； 电压Ua和Ub的相位
5、关系决定了轴或工作台的 运动方向。 编码器 2.2 增量式编码器的主要技术参数 1、分辨率 编码器能够检测到的最小位移。分辨率 反映了传感器测量的精细度。 编码器的分辨率主要取决于光栅的刻线密度。 对于旋转编码器： 其单位为角分或角秒。 工程上也常用另一种单位脉冲数/转，ppr（pulses per revolution) 。 有时也用二进制数中的“位”来表示分辨率。 如 一个旋转编码器的基准光栅有4096条栅线,则其 分辨率可说成是，5.27角分，或4096ppr，或具有 12位的分辨率。 编码器 对于线性编码器： 分辨率单位为微米，取决于光栅尺上每毫 米的栅线数； 如光栅尺的刻线密度为10
6、00栅线/mm，则 线性编码器的分辨率1m。 2、精度 编码器“测量到的位置”与“实际应该 是的位置”之间的误差，反映了编码器所测 位移的准确度。 单位一 般为角秒或角分。 编码器 影响测量精度的因素 光栅的刻线或分度误差； 旋转编码器中，光栅盘对轴承的偏心； 旋转编码器轴上径向负载引起的轴承径向窜动或弹性； 旋转编码器轴承安装的径向偏差； 旋转编码器轴与被测量轴之间的弹性； 环境温度变化； 电源电压不足； 发光元件或光检测元件老化； 编码器 3、重复精度 对测量误差平均值偏离程度的统计 度量。 这样定义的结果使得造成误差的许多因素对重 复精度都没什么影响。 如虽然光栅有刻线误差，但因每次测量
7、产生的 误差都相同，也就是说其重复性很好，其重复 精度并未受到影响。 因此，编码器的重复精度比精度要高得多，一 般情况下重复精度是其精度的1/5到1/10之间。 编码器 4、带宽 编码器在正常工作时能输出的最高脉冲频 率fmax 当编码器旋转速度过高时，光电元件的响应速 度可能跟不上它接收的光的强弱变化速度，使其 输出的正弦波电流的幅度变小或产生波形畸变。 这项指标主要限制了轴的运动速度，一个分辨率 为N的编码器，当转速为n(rpm)时，其输出信号 的频率为 知道了编码器的分辨率和容许的最高工作频率 fmax，就可计算出容许的轴最高转速nmax 编码器 解：解： 例 一个编码器的分辨率为250
8、0ppr，其数据表中 给出的最高工作频率为100KHz，允许的轴最高转 速是多少？ 编码器 倍频（细分） 编码器 /4 细分前 4细分后 在现有编码器的条件下 ，通过细分技术能提高编 码器的分辨力。细分前， 编码器的分辨力只有一个 分辨角的大小。采用4细 分技术后，计数脉冲的频 率提高了4倍，相当于将 原编码器的分辨力提高了 3倍，测量分辨角是原来 的1/4，提高了测量精度。 2.3 编码器信号后续处理 零标志（一转脉冲） 编码器 一转（360） C C 在码盘里圈，还有一条 狭缝C，每转能产生一个脉 冲，该脉冲信号又称“一转 信号”或零标志脉冲，作为 测量的起始基准。 常用的速度估计法： M
9、法，T法，M/T法，F/V法 1、M法 Vk= (Pk-Pk-1)/T=Mk/T T采样时间，单位为秒。 Vk速度在第k个采样周期的估计值，单位为脉冲数/秒； Pk位置在第k个采样周期的采样值，单位为脉冲数； Pk-1位置在第k-1个采样周期的采样值，单位为脉冲数； Mk 两次采样之间测得的位置增量，单位为脉冲数。 M法实际上是一种求平均值的差分方法。 如果轴的速度用nk表示，单位为rpm (revolution per minute) 编码器的分辨率的单位为ppr，用N表示，则 nk=60Vk/N=60Mk/NT 2.4 由增量式光电编码器估计速度编码器 M法测速（适合于高转速场合） 编码器
10、 m1 T 有一增量式光电编码器，其参数为 1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲， 则转速（r/min)为 ： n = 60 65536 /（1024 5）=768 r/min 编码器每转产 生 N 个脉冲，在 T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则 转速（r/min)为: n = 60m1/（NT） M法特点： 编码器的位置分辨率越高，其速度的分辨率越高。 采样周期越短，速度的分辨率越低。 M法不适于低速测量。 编码器 2、T法 Vk=P/(tk-tk-1) tk-tk-1编码器输出脉冲信号的周期，单位为秒； P编码器输出一个脉冲周期所对应的角位移，单位 为度或转。 T法是通过计算
11、轴转过一个分辨率单位的角度需 要多少时间来估计速度的。 编码器 它的测量可通过让微处理器中的定时器工作在计数状态实 现： 编码器的输出信号uA 或uB接在定时器的闸门信号端，微 处理器中的时钟信号接在定时器的时钟输入端，在uA 或 uB的第一个上升沿（tk-1时刻）打开定时器闸门开始计数 ，在uA 或uB的第二个上升沿（tk时刻）关上闸门停止计 数。 因为时钟信号的周期是固定的，只要读出定时器内的计数 值m再乘以时钟周期Tc就可计算出tktk-1的值。这时轴旋转 过的角度为P，据此估计出轴的速度。 编码器 T法测速（适合于低转速场合） 编码器 编码器 输出脉冲 时钟脉冲fc m2 编码器每转产
12、生 N 个脉冲，用已知 频率fc作为时钟，填 充到编码器输出的 两个相邻脉冲之间 的脉冲数为m2，则 转速(r/min)为： n = 60fc / （Nm2 ） 有一增量式光电编码器，其参数为 1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的时钟 脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz ， 则转速（r/min)为 ： n = 60fc /（Nm2 ） =60106/（10243000）=19.53 r/min 例3.2 一个旋转编码器分辨率为10000ppr，DSP内由T法估计 它的速度，已知DSP的时钟周期为50ns，计数器的计数宽度 为16位，试计算编码器两个相邻脉冲之间的时钟脉冲数 mk=1,2
13、,365534，65535时所对应的转速n。 解：已知P=1/10000=0.0001转，Tc=50ns。计算出的结果如 表所示。 nk=60P/（Tcmk） T法特点 轴的速度越低，速度的分辨率越高。 轴的速度越高，速度的分辨率越低。 T法不适合高速测量。 编码器 3、M/T法 M法不适合测量低速，T法不适合测高速 。 把两种方法结合起来：在低速时用T法测 量，当速度达到较高的值时，由程序中 设置的软件开关切换到用M法测量。这 种方法称为M/T法。 编码器 4、F/V法 F/V法是一种模拟电路处理方法， 其输入是编码器输出的脉冲信号， 输出是模拟电压。 输出电压的大小反映速度高低， 输出电压
14、极性反映旋转方向。 编码器 3 编码器测量直线位移的方式 （1）编码器装在丝杠末端 编码器 位置反馈 x 通过测量滚 珠丝杠的角位 移，间接获得 工作台的直线 位移x，构成位 置半闭环伺服 系统。 xt/360 （2）丝杠螺距 编码器 螺母 丝杠 螺距 x=？ 设:螺距t=4mm， 丝杠在4s时间里转动 了10圈，求:丝杠的平 均转速n(r/min)及螺母 移动了多少毫米？螺 母移动的平均速度v又 为多少？ 螺距 编码器 （3）编码器和伺服电动机同轴安装 位置反馈 x xt/360 （4）编码器和伺服电动机同轴安装 编码器 工作台丝杠伺服电动机 编码器 导轨 （5）编码器和伺服电动机同轴安装
15、编码器 光电编码器 伺服电动机 联轴器 滚珠丝杠滑块 光电编码器信号输出伺服电动机电源 （6）编码器两种安装方式比较 编码器 x x 编码器装在丝杠末端 与前端（和伺服电动机 同轴）在位置控制精度 上有什么区别？ 2.5 正弦波编码器 采用高分辨率的编码器的好处： 能提高位置测量的分辨率，提高控制品质。 提高速度测量的分辨率，从而减小速度的波动。 通过增加光栅的刻线来提高编码器的分辨率是有 限的。而且数据的传输也存在困难。 假定编码器的分辨率能达到1000000ppr，即使 轴的转速为600rpm，编码器输出的脉冲频率也高 达10MHz，这么高频率的信号即很难通过电路传 输，也很难被后面的电路处理。 编码器 解决这个问题的有效方法是采用正弦波编码器，然后对其 输出信号做插值处理。 正弦波编码器与方波输出的编码器 在结构及原理上没有什么根本的区别。 但正弦波编码器为保证其输出是严格 的正、余弦关系，其光路和电路处理 上要求要高一些，其信号处理电路 也要复杂一些。 编码器 正弦波编码器的信号处理电路 例3.3一个1024线的正弦波编码器，经前面电路处理后，能 得到多高的分辨率？设A/D转换器的位数为12。 解： 粗测位置分辨率为1024即10位的分辨率。 精测通道
