【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 效應(yīng)的方向只有x軸方向，其他方向都不會(huì)產(chǎn)生電荷。161。 (2)壓電傳感器結(jié)構(gòu)及特性。壓電傳感器是以電荷或兩極間的電勢(shì)作為輸出信號(hào)。當(dāng)測(cè)試靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由于任何阻抗的電路都會(huì)產(chǎn)生電荷泄漏，因此測(cè)量電勢(shì)的方法誤差很大，只能采用測(cè)量電荷的方法。當(dāng)給壓電傳感器施加交變的外力，傳感器就會(huì)輸出交變的電勢(shì)，信號(hào)處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單，因此壓電式傳感器適合測(cè)試動(dòng)態(tài)信號(hào)，且頻率越高越好。161。 壓電傳感器結(jié)構(gòu)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(lián)和串聯(lián)兩種。161。 并聯(lián)接法雖然輸出電荷大，但由于本身電容也大，故時(shí)間常數(shù)大，可以測(cè)量較慢變化的信號(hào)，并以電荷作為輸出參數(shù)測(cè)量。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適應(yīng)以電壓輸出的信號(hào)和測(cè)量電路輸出阻抗很高的情況。161。 由于壓電傳感器信號(hào)較弱，且是電荷的表現(xiàn)形式，因此測(cè)量電路必須進(jìn)行信號(hào)放大。目前，壓電傳感器應(yīng)用相當(dāng)普遍，且生產(chǎn)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(cè)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(cè)物體表面的一種測(cè)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(yīng)原理而制成的一種溫度傳感器。熱電偶具有以下優(yōu)點(diǎn):比較便宜、容易買到，測(cè)量方法簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高，測(cè)量時(shí)間上的滯后小，可以實(shí)現(xiàn)很寬范圍內(nèi)的溫度測(cè)量(與熱敏電阻等相比)。可以選用與靈敏度和壽命等狀況相適應(yīng)的熱電偶類型。利用熱電偶可以進(jìn)行小型被測(cè)物和狹窄場(chǎng)所的測(cè)溫，可以進(jìn)行較長距離(即被測(cè)物體與測(cè)溫儀表之間的距離較遠(yuǎn))的溫度測(cè)量，對(duì)于測(cè)量電路到測(cè)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(huì)對(duì)測(cè)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(jì)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(zhuǎn)換成電信號(hào)。161。 3. 3傳感器的選擇方法161。 (1)根據(jù)測(cè)量對(duì)象選擇相應(yīng)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(cè)量的范圍、精度和靈敏度161。 (4)考慮測(cè)量環(huán)境、測(cè)量的穩(wěn)定性、壽命、使用的方便性、是否容易買到以及價(jià)格等因素。161。 161。 通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。161。 (反應(yīng)時(shí)間)161。 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時(shí)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(shí)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(gè)重要性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。161。 傳感器輸出信號(hào)(模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和開關(guān)信號(hào))的不同，其測(cè)量電路也有模擬型測(cè)量電路、數(shù)字型測(cè)量電路和開關(guān)型測(cè)量電路之分。161。 161。 模擬型測(cè)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(hào)的傳感器。161。 161。 數(shù)字型測(cè)量電路有絕對(duì)碼數(shù)字式和增量碼數(shù)字式。絕對(duì)碼數(shù)字式傳感器輸出的編碼與被測(cè)量一一對(duì)應(yīng)，每一碼道的狀態(tài)由相應(yīng)的光電元件讀出，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大整形后，得到與被測(cè)量相對(duì)應(yīng)的編碼。161。 161。 傳感器的輸出信號(hào)為開關(guān)信號(hào)，如光電開關(guān)和電觸點(diǎn)開關(guān)的通斷信號(hào)等。這類信號(hào)的測(cè)量電路實(shí)質(zhì)為功率放大電路。161。 161。 中間轉(zhuǎn)換電路的種類和構(gòu)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(cè)物理量的變化引起敏感元件的電阻、電感或電容等參數(shù)的變化，轉(zhuǎn)化為電量。161。 (2)放大電路。放大電路通常由運(yùn)算放大器、晶體管等組成，用來放大來自傳感器的微弱信號(hào)。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(chǎng)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(dǎo)線藕合到電路中的干擾。對(duì)于信號(hào)通道中的干擾，可根據(jù)測(cè)量中的有效信號(hào)頻譜和干擾信號(hào)的頻譜，設(shè)計(jì)濾波器，以保留有用信號(hào)，剔除干擾信號(hào)。接地的目的之一是給系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，若接地方法不正確，會(huì)引起干擾。161。 (3)調(diào)制與解調(diào)電路。由傳感器輸出的電信號(hào)多為微弱的、變化緩慢的類似于直流的信號(hào)，若采用一般直流放大器進(jìn)行放大和傳送，零點(diǎn)漂移及干擾等會(huì)影響測(cè)量精度。因此常先用調(diào)制器把直流信號(hào)變換成某種頻率的交流信號(hào)，經(jīng)交流放大器放大后再通過解調(diào)器將此交流信號(hào)重新恢復(fù)為原來的直流信號(hào)形式161。 (4)模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，為了滿足系統(tǒng)信息的傳輸、運(yùn)算處理、顯示或控制的需要，應(yīng)將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，或再將數(shù)字量變?yōu)槟M量，前者就是模/數(shù)轉(zhuǎn)換，后者就是數(shù)/模轉(zhuǎn)換。單元四 機(jī)電一體化伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)4. 1概述161。 伺服的意思就是在控制指令的指揮下，控制驅(qū)動(dòng)元件，使機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件按照指令要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度及動(dòng)力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)主要用于機(jī)械設(shè)備位置和速度的動(dòng)態(tài)控制。161。 161。 絕大部分機(jī)電一體化系統(tǒng)都具有伺服功能，機(jī)電一體化系統(tǒng)中的伺服控制是為執(zhí)行機(jī)構(gòu)按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)而提供控制和動(dòng)力的重要環(huán)節(jié)。161。 伺服系統(tǒng)本身就是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。161。 (1)比較元件是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。161。 (2)調(diào)節(jié)元件又稱控制器，通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路，主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。161。 (3)執(zhí)行元件的作用是按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。161。 (4)被控對(duì)象是指被控制的機(jī)構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。一般包括傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負(fù)載。161。 (5)測(cè)量反饋元件是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成比較元件所需要的量綱的裝置一般包括傳感器和轉(zhuǎn)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(cè)裝置的精度161。 伺服系統(tǒng)的種類很多，按其驅(qū)動(dòng)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(dòng)伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)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(jìn)電機(jī)控制伺服系統(tǒng)。一般我們也將驅(qū)動(dòng)元件稱作執(zhí)行元件或執(zhí)行器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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(jù)161。 執(zhí)行器通常又稱為驅(qū)動(dòng)器、調(diào)節(jié)器等，是驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、拖動(dòng)、操縱等裝置、機(jī)構(gòu)或元器件的總稱。161。 根據(jù)主要被控參數(shù)選擇能量和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置的大致原則如下。161。 (1)直線運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置:根據(jù)力和距離。161。 (2)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置:根據(jù)扭矩和速度。161。 (3)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu):根據(jù)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(fù)載之間的連接方式一般有兩種形式:一種是與負(fù)載固連，直接驅(qū)動(dòng)。另一種是通過不同的機(jī)械傳動(dòng)裝置(如齒輪傳動(dòng)鏈、帶傳動(dòng))與負(fù)載相連。這些機(jī)械傳動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)和機(jī)械能量的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成電磁力，并用電磁力驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。161。 電氣執(zhí)行元件的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、便于控制、能實(shí)現(xiàn)定位伺服、響應(yīng)快、體積小、動(dòng)力較大和無污染等優(yōu)點(diǎn)，但過載能力差、易于燒毀線圈、容易受噪聲干擾。161。 161。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)一般構(gòu)成典型的開環(huán)伺服系統(tǒng)，執(zhí)行元件是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它能將CNC裝置輸出的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移運(yùn)動(dòng)，并通過齒輪、絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)直線移動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中無位置、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)，其精度主要取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角以及與之相連傳動(dòng)鏈的精度。161。 (1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。磁極數(shù)越多，轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)越多，步距角越小，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置精度越高，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。161。 常見的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還有永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和永磁反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。161。 (2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理是:當(dāng)某相定子繞組通電勵(lì)磁后，吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子的齒與該相定子磁極上的齒對(duì)齊，實(shí)際上就是電磁鐵的作用原理161。 (3)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械角位移的控制電動(dòng)機(jī)，利用它可以組成一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的全數(shù)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(diǎn)。161。 ①步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組每接收一個(gè)脈沖信號(hào)，控制其通電狀態(tài)改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一定角度，即步距角 。161。 ②改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變。161。 ③步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高，但脈沖頻率變化過快，會(huì)引起失步或過沖(即步進(jìn)電機(jī)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(jī)。161。 ⑤有脈沖就走，無脈沖就停，角位移隨脈沖數(shù)的增加而增加。161。 ⑥輸出轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置主要由環(huán)形脈沖分配器和功率放大驅(qū)動(dòng)電路兩大部分組成。161。 ①功率放大驅(qū)動(dòng)電路。功率放大驅(qū)動(dòng)電路完成由弱電到強(qiáng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號(hào)變換成電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號(hào)。161。 步進(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求主要有:能提供足夠幅值，前后沿較好的勵(lì)磁電流。功耗小，變換效率高。能長時(shí)間穩(wěn)定可靠運(yùn)行。成本低且易于維護(hù)。161。 ②脈沖分配器。脈沖分配器完成步進(jìn)電機(jī)繞組中電流的通斷順序控制，即控制插補(bǔ)輸出脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的通斷電順序規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)編程控制。161。 。硬件脈沖分配器由邏輯門電路和觸發(fā)器構(gòu)成，提供符合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制指令所需的順序脈沖。161。 。在計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，可以采用軟件的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形脈沖分配。軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)方法有很多，如查表法、比較法、移位法等，它們各有特點(diǎn)，其中常用的是查表法。161。 采用軟件進(jìn)行脈沖分配雖然增加了軟件編程的復(fù)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(duì)于任何一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來講，都要求能夠?qū)λ俣葘?shí)行控制，特別在數(shù)控系統(tǒng)中，這種要求就更高。在開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，對(duì)進(jìn)給速度的控制就是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度的控制。161。 由前面步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理分析可知，通過控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相鄰兩種勵(lì)磁狀態(tài)之間的時(shí)間間隔即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度的控制。對(duì)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度。對(duì)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(shí)間間隔，也就是控制相鄰兩節(jié)拍之間延時(shí)時(shí)間的長短。其中，實(shí)現(xiàn)延時(shí)的方法又分為兩種:一種是純軟件延時(shí)。另一種是定時(shí)中斷延時(shí)。161。 161。 (2)直流伺服電機(jī)的分類161。 ①小慣量直流伺服電機(jī)。②大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)。③無刷直流伺服電機(jī)。161。 161。 交流伺服電動(dòng)機(jī)分為交流永磁式伺服電動(dòng)機(jī)和交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)。161。 (1)交流永磁式同步電機(jī)原理與特點(diǎn)。交流永磁式同步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件三部分組成。161。 161。 永磁式同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高。缺點(diǎn)是體積大、啟動(dòng)難。161。 (2)交流伺服電機(jī)的調(diào)速。161。 ①變頻器。對(duì)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置叫變頻器，其功能是將電網(wǎng)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(dòng)交流電，其正組輸出正脈沖，反組輸出負(fù)脈沖，這個(gè)脈動(dòng)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(dòng)電壓，這個(gè)脈動(dòng)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(dòng)小，調(diào)頻范圍寬，調(diào)節(jié)線性度好。數(shù)控機(jī)床常采用這種方法。161。 SPWM變頻器，即正弦波脈寬調(diào)制變頻器，是目前應(yīng)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(dòng)機(jī)，也適合于交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)。SPWM變頻器采用正弦規(guī)律脈寬調(diào)制原理，其調(diào)制的基本特點(diǎn)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(shù)高，輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，因而在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。161。 ②三相SPWM原理。在直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)中，PWM輸出電壓是由三角載波調(diào)制電壓得到的。同理，在交流SPWM中，輸出電壓是由三角載波調(diào)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(hào)。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(gè)輸出脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大后作為交流伺服電動(dòng)機(jī)的相電壓(電流)。改變正弦基波的頻率就可以改變電機(jī)相電壓(電流)的頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)速的目的。161。 ③三相SPWM變頻器的主回路。SPWM調(diào)制波經(jīng)功率放大后才可驅(qū)動(dòng)電機(jī)。161。 由SPWM的調(diào)制原理可知，調(diào)制主回路功率器件在輸出電壓的半周內(nèi)要多次開關(guān)，而器件本身的開關(guān)能力與主回路的結(jié)構(gòu)及其換流能力有關(guān)，所以開關(guān)頻率和調(diào)制度對(duì)SPWM調(diào)制有重要