【文章內容簡介】 效應的方向只有x軸方向，其他方向都不會產生電荷。161。 (2)壓電傳感器結構及特性。壓電傳感器是以電荷或兩極間的電勢作為輸出信號。當測試靜態(tài)信號時，由于任何阻抗的電路都會產生電荷泄漏，因此測量電勢的方法誤差很大，只能采用測量電荷的方法。當給壓電傳感器施加交變的外力，傳感器就會輸出交變的電勢，信號處理電路相對簡單，因此壓電式傳感器適合測試動態(tài)信號，且頻率越高越好。161。 壓電傳感器結構一般由兩片或多片壓電晶體粘合而成，由于壓電晶片有電荷極性，因此接法上分成并聯和串聯兩種。161。 并聯接法雖然輸出電荷大，但由于本身電容也大，故時間常數大，可以測量較慢變化的信號，并以電荷作為輸出參數測量。串聯接法輸出電壓高，本身電容小，適應以電壓輸出的信號和測量電路輸出阻抗很高的情況。161。 由于壓電傳感器信號較弱，且是電荷的表現形式，因此測量電路必須進行信號放大。目前，壓電傳感器應用相當普遍，且生產廠家都專門配備有傳感器處理電路。161。 3. 2. 4溫度傳感器161。 按溫度測量方式來分，溫度傳感器可分為接觸式和非接觸式。161。 所謂接觸式，就是溫度傳感器直接接觸被測物體表面的一種測量方式。161。 熱敏電阻器是一種有代表性的接觸式溫度傳感器。161。 (1)鉑熱電阻器。(2)熱電偶。熱電偶是利用熱電效應原理而制成的一種溫度傳感器。熱電偶具有以下優(yōu)點:比較便宜、容易買到，測量方法簡單、測溫精度高，測量時間上的滯后小，可以實現很寬范圍內的溫度測量(與熱敏電阻等相比)?？梢赃x用與靈敏度和壽命等狀況相適應的熱電偶類型。利用熱電偶可以進行小型被測物和狹窄場所的測溫，可以進行較長距離(即被測物體與測溫儀表之間的距離較遠)的溫度測量，對于測量電路到測溫儀表中間的電路，即使局部的溫度發(fā)生變化，也基本上不會對測定值造成影響。161。 (3)非接觸式溫度傳感器。具有代表性的非接觸式溫度傳感器是熱電式溫度傳感器。161。 3. 2. 5紅外線傳感器161。 水銀溫度計是一種使用最早的紅外線傳感器。161。 紅外線傳感器接收紅外光的照射，并將紅外光的輻射能量轉換成電信號。161。 3. 3傳感器的選擇方法161。 (1)根據測量對象選擇相應傳感器類型。161。 (2)明確傳感器使用目的和條件，選擇傳感器工作方式161。 (3)了解所測量的范圍、精度和靈敏度161。 (4)考慮測量環(huán)境、測量的穩(wěn)定性、壽命、使用的方便性、是否容易買到以及價格等因素。161。 161。 通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。161。 (反應時間)161。 傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有一定延遲，希望延遲時間越短越好。161。 161。 傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。161。 161。 傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。161。 161。 精度是傳感器的一個重要性能指標，它是關系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。161。 傳感器輸出信號(模擬信號、數字信號和開關信號)的不同，其測量電路也有模擬型測量電路、數字型測量電路和開關型測量電路之分。161。 161。 模擬型測量電路適合于電阻式、電感式、電容式、電熱式等輸出模擬信號的傳感器。161。 161。 數字型測量電路有絕對碼數字式和增量碼數字式。絕對碼數字式傳感器輸出的編碼與被測量一一對應，每一碼道的狀態(tài)由相應的光電元件讀出，經光電轉換、放大整形后，得到與被測量相對應的編碼。161。 161。 傳感器的輸出信號為開關信號，如光電開關和電觸點開關的通斷信號等。這類信號的測量電路實質為功率放大電路。161。 161。 中間轉換電路的種類和構成由傳感器的類型決定。161。 (1)電橋。電橋適用于參量式傳感器。其作用是被測物理量的變化引起敏感元件的電阻、電感或電容等參數的變化，轉化為電量。161。 (2)放大電路。放大電路通常由運算放大器、晶體管等組成，用來放大來自傳感器的微弱信號。常用的抗干擾措施有屏蔽、濾波、正確的接地等方法。屏蔽是抑制場干擾的主要措施，而濾波則是抑制干擾最有效的手段，特別是抑制導線藕合到電路中的干擾。對于信號通道中的干擾，可根據測量中的有效信號頻譜和干擾信號的頻譜，設計濾波器，以保留有用信號，剔除干擾信號。接地的目的之一是給系統(tǒng)提供一個基準電位，若接地方法不正確，會引起干擾。161。 (3)調制與解調電路。由傳感器輸出的電信號多為微弱的、變化緩慢的類似于直流的信號，若采用一般直流放大器進行放大和傳送，零點漂移及干擾等會影響測量精度。因此常先用調制器把直流信號變換成某種頻率的交流信號，經交流放大器放大后再通過解調器將此交流信號重新恢復為原來的直流信號形式161。 (4)模/數與數/模轉換電路，為了滿足系統(tǒng)信息的傳輸、運算處理、顯示或控制的需要，應將模擬量變?yōu)閿底至浚蛟賹底至孔優(yōu)槟M量，前者就是模/數轉換，后者就是數/模轉換。單元四 機電一體化伺服驅動技術4. 1概述161。 伺服的意思就是在控制指令的指揮下，控制驅動元件，使機械系統(tǒng)的運動部件按照指令要求進行運動。伺服系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度及動力輸出的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)主要用于機械設備位置和速度的動態(tài)控制。161。 161。 絕大部分機電一體化系統(tǒng)都具有伺服功能，機電一體化系統(tǒng)中的伺服控制是為執(zhí)行機構按設計要求實現運動而提供控制和動力的重要環(huán)節(jié)。161。 伺服系統(tǒng)本身就是一個典型的機電一體化系統(tǒng)。161。 (1)比較元件是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現。161。 (2)調節(jié)元件又稱控制器，通常是計算機或PID控制電路，主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。161。 (3)執(zhí)行元件的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。161。 (4)被控對象是指被控制的機構或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。一般包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負載。161。 (5)測量反饋元件是指能夠對輸出進行測量，并轉換成比較元件所需要的量綱的裝置一般包括傳感器和轉換電路。無論采用何種控制方案，系統(tǒng)的控制精度總是低于檢測裝置的精度161。 伺服系統(tǒng)的種類很多，按其驅動元件的類型分類，可分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、氣動伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)根據電機類型的不同又可分為直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)和步進電機控制伺服系統(tǒng)。一般我們也將驅動元件稱作執(zhí)行元件或執(zhí)行器、執(zhí)行機構。161。 按控制方式分類，伺服系統(tǒng)又可分為開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。161。 4. 1. 2執(zhí)行器及其選取依據161。 執(zhí)行器通常又稱為驅動器、調節(jié)器等，是驅動、傳動、拖動、操縱等裝置、機構或元器件的總稱。161。 根據主要被控參數選擇能量和運動轉換裝置的大致原則如下。161。 (1)直線運動能量轉換裝置:根據力和距離。161。 (2)旋轉運動能量轉換裝置:根據扭矩和速度。161。 (3)運動轉換機構:根據輸入/輸出速度大小和方向的變化。161。 4. 1. 3輸出接口裝置161。 執(zhí)行元件與負載之間的連接方式一般有兩種形式:一種是與負載固連，直接驅動。另一種是通過不同的機械傳動裝置(如齒輪傳動鏈、帶傳動)與負載相連。這些機械傳動裝置就是執(zhí)行元件的輸出接口裝置。4. 2典型執(zhí)行元件161。 執(zhí)行元件是將控制信號轉換成機械運動和機械能量的轉換元件。161。 4. 2. 1電氣執(zhí)行元件161。 電氣式執(zhí)行元件是將電能轉化成電磁力，并用電磁力驅動執(zhí)行機構運動。161。 電氣執(zhí)行元件的特點是操作簡便、便于控制、能實現定位伺服、響應快、體積小、動力較大和無污染等優(yōu)點，但過載能力差、易于燒毀線圈、容易受噪聲干擾。161。 161。 步進電動機伺服系統(tǒng)一般構成典型的開環(huán)伺服系統(tǒng)，執(zhí)行元件是步進電動機，它能將CNC裝置輸出的進給脈沖轉換成機械角位移運動，并通過齒輪、絲杠帶動工作臺直線移動。步進電動機伺服系統(tǒng)中無位置、速度檢測環(huán)節(jié)，其精度主要取決于步進電動機的步距角以及與之相連傳動鏈的精度。161。 (1)步進電動機的結構。磁極數越多，轉子上的齒數越多，步距角越小，步進電動機的位置精度越高，其結構也越復雜。161。 常見的步進電動機還有永磁式步進電動機和永磁反應式步進電動機。161。 (2)步進電動機的工作原理。步進電動機的工作原理是:當某相定子繞組通電勵磁后，吸引轉子轉動，使轉子的齒與該相定子磁極上的齒對齊，實際上就是電磁鐵的作用原理161。 (3)步進電機的特點。步進電動機是一種可將電脈沖信號轉換為機械角位移的控制電動機，利用它可以組成一個簡單實用的全數字化伺服系統(tǒng)，并且不需要反饋環(huán)節(jié)。概括起來它主要有如下特點。161。 ①步進電動機定子繞組每接收一個脈沖信號，控制其通電狀態(tài)改變一次，它的轉子便轉過一定角度，即步距角 。161。 ②改變步進電動機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向隨之改變。161。 ③步進電動機定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉子的轉速越高，但脈沖頻率變化過快，會引起失步或過沖(即步進電機少走或多走)。161。 ④定子繞組所加電源要求是脈沖電流形式，故也稱之為脈沖電機。161。 ⑤有脈沖就走，無脈沖就停，角位移隨脈沖數的增加而增加。161。 ⑥輸出轉角精度較高，一般只有相鄰誤差，但無累積誤差。161。 ⑦步距角161。 (5)步進電機驅動控制裝置主要由環(huán)形脈沖分配器和功率放大驅動電路兩大部分組成。161。 ①功率放大驅動電路。功率放大驅動電路完成由弱電到強電信號的轉換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。161。 步進電機對驅動電路的要求主要有:能提供足夠幅值，前后沿較好的勵磁電流。功耗小，變換效率高。能長時間穩(wěn)定可靠運行。成本低且易于維護。161。 ②脈沖分配器。脈沖分配器完成步進電機繞組中電流的通斷順序控制，即控制插補輸出脈沖，按步進電機所要求的通斷電順序規(guī)律分配給步進電機驅動電路的各相輸入端。161。 脈沖分配有兩種方式:一種是硬件脈沖分配(或稱為脈沖分配器)，另一種是軟件脈沖分配，通過計算機編程控制。161。 。硬件脈沖分配器由邏輯門電路和觸發(fā)器構成，提供符合步進電動機控制指令所需的順序脈沖。161。 。在計算機控制的步進電動機驅動系統(tǒng)中，可以采用軟件的方法實現環(huán)形脈沖分配。軟件環(huán)形分配器的設計方法有很多，如查表法、比較法、移位法等，它們各有特點，其中常用的是查表法。161。 采用軟件進行脈沖分配雖然增加了軟件編程的復雜程度，但它省去了硬件環(huán)形脈沖分配器，系統(tǒng)減少了器件，降低了成本，也提高了系統(tǒng)的可靠性161。 。對于任何一個驅動系統(tǒng)來講，都要求能夠對速度實行控制，特別在數控系統(tǒng)中，這種要求就更高。在開環(huán)進給系統(tǒng)中，對進給速度的控制就是對步進電動機速度的控制。161。 由前面步進電動機原理分析可知，通過控制步進電動機相鄰兩種勵磁狀態(tài)之間的時間間隔即可實現步進電動機速度的控制。對于硬件環(huán)形分配器來講，只要控制CP的頻率就可控制步進電動機的速度。對于軟件環(huán)形分配器來講，只要控制相鄰兩次輸出狀態(tài)之間的時間間隔，也就是控制相鄰兩節(jié)拍之間延時時間的長短。其中，實現延時的方法又分為兩種:一種是純軟件延時。另一種是定時中斷延時。161。 161。 (2)直流伺服電機的分類161。 ①小慣量直流伺服電機。②大慣量寬調速直流伺服電動機。③無刷直流伺服電機。161。 161。 交流伺服電動機分為交流永磁式伺服電動機和交流感應式伺服電動機。161。 (1)交流永磁式同步電機原理與特點。交流永磁式同步電機主要由定子、轉子和檢測元件三部分組成。161。 161。 永磁式同步電機的優(yōu)點是結構簡單、運行可靠、效率高。缺點是體積大、啟動難。161。 (2)交流伺服電機的調速。161。 ①變頻器。對交流電動機實現變頻調速的裝置叫變頻器，其功能是將電網電壓提供的恒壓恒頻交流電變換為變壓變頻交流電。變頻器有交流一交流變頻和交流一直流一交流變頻兩大類。交一交變頻器也稱作直接變頻器，是用晶閘管整流器將工頻交流電直接變成頻率較低的脈動交流電，其正組輸出正脈沖，反組輸出負脈沖，這個脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。交一直一交變頻器也稱作間接變頻器，是先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波動電壓，這個脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。這種方法獲得的交流電的波動小，調頻范圍寬，調節(jié)線性度好。數控機床常采用這種方法。161。 SPWM變頻器，即正弦波脈寬調制變頻器，是目前應用較為廣泛的一種交一直一交變頻器，不僅適合于交流永磁式伺服電動機，也適合于交流感應式伺服電動機。SPWM變頻器采用正弦規(guī)律脈寬調制原理，其調制的基本特點是等距、等幅，但不等寬。因其脈寬按正弦規(guī)律變化，具有功率因數高，輸出波形好等優(yōu)點，因而在交流調速系統(tǒng)中獲得廣泛應用。161。 ②三相SPWM原理。在直流電動機PWM調速系統(tǒng)中，PWM輸出電壓是由三角載波調制電壓得到的。同理，在交流SPWM中，輸出電壓是由三角載波調制的正弦電壓得到SPWM的輸出電壓是幅值相等、寬度不等的方波信號。其各脈沖的面積與正弦波下的面積成比例，其脈寬基本上按正弦分布，其基波是等效正弦波。用這個輸出脈沖信號經功率放大后作為交流伺服電動機的相電壓(電流)。改變正弦基波的頻率就可以改變電機相電壓(電流)的頻率，實現調頻調速的目的。161。 ③三相SPWM變頻器的主回路。SPWM調制波經功率放大后才可驅動電機。161。 由SPWM的調制原理可知，調制主回路功率器件在輸出電壓的半周內要多次開關，而器件本身的開關能力與主回路的結構及其換流能力有關，所以開關頻率和調制度對SPWM調制有重要