運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)其他部件

時(shí)間：2018-07-04 11:50:08

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[導(dǎo)讀]在構(gòu)成貼片機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，除了電動(dòng)機(jī)，伺服控制器和驅(qū)動(dòng)放大器外，還有如下主要器件。（1）編碼器編碼器是將機(jī)械位移量（包括轉(zhuǎn)動(dòng)角度和直線位移）轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)的器件。在工作過程中，它會(huì)將電脈沖信號(hào)或位

在構(gòu)成貼片機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，除了電動(dòng)機(jī)，伺服控制器和驅(qū)動(dòng)放大器外，還有如下主要器件。

（1）編碼器

編碼器是將機(jī)械位移量（包括轉(zhuǎn)動(dòng)角度和直線位移）轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)的器件。在工作過程中，它會(huì)將電脈沖信號(hào)或位置數(shù)據(jù)傳送給控制系統(tǒng)，于是便將被控部件的機(jī)械位移量反饋給控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。從目前的應(yīng)用情況來看，主要有兩大類，即實(shí)現(xiàn)角度位置反饋的旋轉(zhuǎn)編碼器和直線位置反饋的磁／光柵尺，下面將進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

1）旋轉(zhuǎn)編碼器

旋轉(zhuǎn)編碼器按信號(hào)原理分為增量型和絕對(duì)型。增量型編碼器只向伺服控制器輸出脈沖信號(hào)，它僅提供相對(duì)的位置和增／減信息，而位置增／減信息則根據(jù)A、B相的發(fā)生先后（誰的相位領(lǐng)先）由控制器判斷；絕對(duì)型編碼器向伺服控制器輸出的是數(shù)字號(hào)，其內(nèi)部含有微型處理器，它定義了一個(gè)絕對(duì)原點(diǎn)，并將其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)處理器處理后，轉(zhuǎn)化成數(shù)字代碼送給伺服控制，這些位置數(shù)據(jù)都是相對(duì)于原點(diǎn)的絕對(duì)位置。旋轉(zhuǎn)編碼器按感應(yīng)原理主要可分成兩大類，一是采用磁感應(yīng)原理構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)編碼器；另一種是采用光電轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)編碼器。下面以目前較流行的按光電轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)編碼器基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

2）增量型旋轉(zhuǎn)編碼器

圖1是某品牌增量型旋轉(zhuǎn)編碼器的實(shí)物圖片。

圖1 某品牌增量型旋轉(zhuǎn)編碼器的實(shí)物圖片

圖2是增量型旋轉(zhuǎn)編碼器的基本結(jié)構(gòu)，圖中編碼器的輸出信號(hào)是TTL脈沖信號(hào)。

圖2 增量型旋轉(zhuǎn)編碼器的基本結(jié)構(gòu)

編碼器碼盤的放大圖如圖3所示。

圖3 編碼器碼盤的放大圖

A. 工作原理

其中心是有軸的碼盤如圖3所示，碼盤上有徑向分布的開槽（通常有3組，A，B和Z），碼盤兩側(cè)分布有光電發(fā)射和接收器件（光電感應(yīng)器，如圖3所示），當(dāng)某個(gè)開槽經(jīng)過相應(yīng)的光電感應(yīng)器時(shí)，光電感應(yīng)器導(dǎo)通，通過內(nèi)部3個(gè)光敏（A相，B相和Z相）接收管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時(shí)序和相位關(guān)系產(chǎn)生輸出信號(hào)，最終經(jīng)編碼器處理后將獲得3種脈沖信號(hào)組合成A、B、Z。其中B相滯后A相90°相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360°），而z相脈沖每360°機(jī)械角度輸出一個(gè)。A、B相將作為位置反饋之用，通過它們可得到碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負(fù)方向），同時(shí)由于A、B兩相相差90°，可通過比較A相在前還是B相在前，判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，而Z相脈沖可作為零位參考。

B.編碼器碼盤材料

編碼器碼盤是編碼器的重要部分，其材料有玻璃、金屬和塑料。玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的開槽，其熱穩(wěn)定性好，精度高；金屬碼盤直接以通和不通開槽，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí)；塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性和壽命均要差一些。

C.分辨率

編碼器每旋轉(zhuǎn)360°提供多少的刻槽稱為分辨率，也稱解析分度或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5～10000線。

D.信號(hào)輸出

信號(hào)輸出有正弦波（電流或電壓）、方波（TTL和HTL）、集電極開路（PNP和NPN）及推拉式多種形式，其中TTL為長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱A，A－；B，B－；Z，Z－），HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。

E.增量式編碼器的問題

增量型編碼器存在零點(diǎn)累計(jì)誤差，抗干擾較差，接收設(shè)各的停機(jī)需斷電記憶，開機(jī)應(yīng)找零或參考位等問題，這些問題如選用絕對(duì)型編碼器可以解決。增量型編碼器的一股應(yīng)用有：測(cè)速、測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及測(cè)移動(dòng)角度和距離（相對(duì)）。

F.構(gòu)成系統(tǒng)理論反饋精度計(jì)算舉例

由增量型旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成的位置反饋系統(tǒng)，假設(shè)編碼器苴接與電動(dòng)機(jī)軸相連，并且為1 000線，那么電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)360°，采用4倍頻（取A和B相的上升沿和下降沿）的伺服控制器將記錄得到1 000×4＝4 000個(gè)脈沖數(shù)。假定該系統(tǒng)的傳動(dòng)比為1，那么對(duì)于：

①角位置系統(tǒng)，如θ軸，該角位置系統(tǒng)的理論反饋精度為

10／1／4 000＝0.09°/脈沖

②直線系統(tǒng)，假定滾珠絲桿的節(jié)距為lO mm每轉(zhuǎn)（360°），由此而來的該線性系統(tǒng)的理淪反饋精度為

10/1/4000＝0.0025 mm ／脈沖=2.5 μm ／脈沖

3）絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器

絕對(duì)編碼器光碼盤上有許多道光通道開槽，每道開槽依次以2線、4線、8線、16線……編排，這樣，在編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道開槽的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的nˉ1次方的唯一的2進(jìn)制編碼（通常采用格雷碼），這就稱為n位絕對(duì)編碼器。

絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置是唯一的，它無須記憶（因而它不受停電的影響），無須找參考點(diǎn)，而且不用—直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置，因而編碼器的抗干擾特性和數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

絕對(duì)烈編碼器分為：?jiǎn)稳^對(duì)值編碼器和多圈絕對(duì)值編碼器。

A.旋轉(zhuǎn)單圈絕對(duì)值編碼器

以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光電碼盤各道開槽，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過360°時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對(duì)編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360°以內(nèi)的測(cè)量，稱為單圈絕對(duì)值編碼器。

如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過360°范圍，就要用到多圈絕對(duì)值編碼器。

B.多圈絕對(duì)值編碼器

編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用類似組合齒輪機(jī)械的原理（如機(jī)械手表），當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過齒輪傳動(dòng)另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍，這樣的絕對(duì)編碼器就稱為多圈式絕對(duì)編碼器。它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無須記憶。

另外，多圈絕對(duì)值編碼器由于可測(cè)量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多，這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn)，將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，而大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試難度，當(dāng)然其成本相對(duì)于增量型旋轉(zhuǎn)編碼器要高。

絕對(duì)型編碼器構(gòu)成的位置系統(tǒng)理論反饋精度與增量型編碼器相似，請(qǐng)參考前面的講解。

（2）磁柵尺

磁柵尺由磁柵尺和磁頭檢測(cè)電路組成，它利用電磁特性和錄磁原理對(duì)位移進(jìn)行測(cè)量。磁柵尺是在非導(dǎo)磁性直線標(biāo)尺基體上，采用化學(xué)涂覆或電鍍工藝，在非磁性直線標(biāo)尺基體上沉積一層磁性膜（通常10-20μm）制成的，在磁性膜上錄制代表一定長(zhǎng)度，具有一定波長(zhǎng)的方波或正弦波磁軌跡信號(hào)。磁頭在磁柵尺上移動(dòng)讀取磁信號(hào)，將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后，輸出到伺服控制器，從而構(gòu)成閉環(huán)位置反饋。圖4是其基本原理圖。

圖4 磁柵尺的基本原理

目前，其分辨率最高可達(dá)1 μm，所構(gòu)成的X－Y系統(tǒng)的位置精度通常為20μm。

特點(diǎn)：

磁柵尺制造簡(jiǎn)單，安裝方便，穩(wěn)定性高，量程范圍大，能有效抵抗如灰塵、油污、潮濕，以及其他工業(yè)環(huán)境中的污染、沖擊和振動(dòng)。

磁柵尺構(gòu)成的線性系統(tǒng)的理論反饋精度與旋轉(zhuǎn)編碼器的計(jì)算方法是一樣的，不再討論。

（3）光柵尺

光柵尺構(gòu)成的系統(tǒng)與磁柵尺系統(tǒng)類似，由光柵尺和讀取頭構(gòu)成。光柵尺是在透明玻璃或金屬鏡面上真空沉積鍍膜，利用光刻技術(shù)制作均勻密集條紋（每毫米約100～300條），條紋間為等間距平行分布。

1）基本原理

光柵位移傳感器的工作原理是：當(dāng)一對(duì)光柵中的主光柵（標(biāo)尺光柵）和副光柵（指示光柵）進(jìn)行相對(duì)位移時(shí)，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間（或明暗相間）的規(guī)則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過光電器件轉(zhuǎn)換使黑白（或明暗）相間的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號(hào)，再經(jīng)過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90°的正弦波或方波，最終送入伺服控制器，構(gòu)成閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。

圖5是某品牌光柵尺實(shí)物圖。

圖5 光柵尺實(shí)物圖

2）分辨率

目前，其分辨率最高可達(dá)0.001 μm，所構(gòu)成的X－Y系統(tǒng)的位置精度可達(dá)1 μm或更高。

3）特點(diǎn)

對(duì)其所構(gòu)成的設(shè)備應(yīng)用環(huán)境要求較高，尤其是在防塵和防油污方面，這一點(diǎn)它不如磁柵尺，但其所構(gòu)成的設(shè)備反饋精度可比磁柵尺系統(tǒng)高一到多個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，考慮到光柵尺結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，有些光柵尺的制造商，如海德漢（Heidenhain），已經(jīng)推出了封閉式結(jié)構(gòu)的光柵尺，以便克服這些缺點(diǎn)。

光柵尺按信號(hào)原理也分為兩種，即增量型光柵尺和絕對(duì)型光柵尺。

（4）聯(lián)軸器

圖6是某型號(hào)聯(lián)軸器實(shí)物圖片，通過它能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)到滾珠絲桿的扭力傳遞，并能克服較小的不同軸問題。

圖6 聯(lián)軸器實(shí)物圖