ch7機(jī)電傳動中檢測元件

1、 測速發(fā)電機(jī)是一種轉(zhuǎn)速測量傳感器。在許測速發(fā)電機(jī)是一種轉(zhuǎn)速測量傳感器。在許多自動控制系統(tǒng)中，它被用來測量旋轉(zhuǎn)裝置的多自動控制系統(tǒng)中，它被用來測量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速大小成正比的信轉(zhuǎn)速，向控制電路提供與轉(zhuǎn)速大小成正比的信號電壓。號電壓。測速發(fā)電機(jī)分為交流和直流兩種類型。測速發(fā)電機(jī)分為交流和直流兩種類型。 交流測速發(fā)電機(jī)又分為同步式和異步式兩交流測速發(fā)電機(jī)又分為同步式和異步式兩種，這里只分析異步式交流測速發(fā)電機(jī)的工作種，這里只分析異步式交流測速發(fā)電機(jī)的工作原理。原理。 1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子定子勵磁繞組勵磁繞組輸出繞組輸出繞組 異步式交流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子異步式交流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

2、與杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)相似，它的定子上有兩個繞組，交流伺服電機(jī)相似，它的定子上有兩個繞組，一個是勵磁繞組，一個是輸出繞組。一個是勵磁繞組，一個是輸出繞組。輸出輸出繞組繞組2U+勵磁勵磁繞組繞組1U1I1+ 工作時，測速發(fā)電機(jī)的勵磁繞組接交流電工作時，測速發(fā)電機(jī)的勵磁繞組接交流電源源U U1 1，由，由 U U1 1 4.44 4.44 f1 1N N1 1 1 1 可知：可知：11U 當(dāng)被測轉(zhuǎn)動軸帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)當(dāng)被測轉(zhuǎn)動軸帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子切割子切割 1 1產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢E Er r和轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電流I Ir r，它們的大小與它們的大小與 1 1和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

3、和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 成正比：成正比：nEI1rr 轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電流 Ir也產(chǎn)生磁通也產(chǎn)生磁通 r ， r 在輸出繞組在輸出繞組中感應(yīng)出電壓中感應(yīng)出電壓U2 ， U2的大小與的大小與 r r成正比：成正比：r2 U 綜合上述分析可知：綜合上述分析可知：nUnU112 當(dāng)當(dāng) U U1 1恒定不變時，恒定不變時， U U2 2與與n 成正比，這樣，成正比，這樣，發(fā)電機(jī)就把被測裝置的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電壓發(fā)電機(jī)就把被測裝置的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電壓信號，輸出給控制系統(tǒng)。信號，輸出給控制系統(tǒng)。 由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測速發(fā)電機(jī)的輸出速發(fā)電機(jī)的輸出電壓電壓 U U2

4、2與與n 間存在著一定的非間存在著一定的非線性誤差，使用時要注意加以修正。線性誤差，使用時要注意加以修正。 直流測速發(fā)電機(jī)分永磁式和他勵式兩種。直流測速發(fā)電機(jī)分永磁式和他勵式兩種。兩種電機(jī)的電樞相同，工作時電樞接負(fù)載電阻兩種電機(jī)的電樞相同，工作時電樞接負(fù)載電阻RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場，。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場，因而沒有勵磁線圈；他勵式的結(jié)構(gòu)與直流伺服因而沒有勵磁線圈；他勵式的結(jié)構(gòu)與直流伺服電機(jī)相同，工作時勵磁繞組加直流電壓電機(jī)相同，工作時勵磁繞組加直流電壓U1勵磁。勵磁。他他勵式直流測速發(fā)電機(jī)接線圖勵式直流測速發(fā)電機(jī)接線圖TGRLI2U2+Ra+EI1U1+ 當(dāng)被測

5、裝置轉(zhuǎn)動軸帶動發(fā)電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)被測裝置轉(zhuǎn)動軸帶動發(fā)電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞產(chǎn)生電動勢電樞產(chǎn)生電動勢E，其大小為：，其大小為：nKE E 發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)的輸出電壓為：輸出電壓為：2a2a2 IRnKIREUE 上式中代入：上式中代入：L22RUI 于是于是nRRKUEL2a1 可見，當(dāng)勵磁電壓可見，當(dāng)勵磁電壓U1保持恒定時（保持恒定時（ 亦亦恒恒定定），若，若Ra、RL不變，則輸出電壓不變，則輸出電壓U2的大小的大小與與電樞轉(zhuǎn)速電樞轉(zhuǎn)速 n 成正比。成正比。這樣，發(fā)電機(jī)就把被測裝這樣，發(fā)電機(jī)就把被測裝置的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電壓信號，輸出給控制置的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成了電壓信號，輸出給控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。0n

6、U2RL2RL1RL= RL2RL1 值得注意的是，由于直流電機(jī)中存在著電值得注意的是，由于直流電機(jī)中存在著電樞反應(yīng)現(xiàn)象，使得輸出電壓樞反應(yīng)現(xiàn)象，使得輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速n 有一定有一定的線性誤差。的線性誤差。 RL越小、越小、n 越大，誤差越大。因越大，誤差越大。因此，在使用中應(yīng)使此，在使用中應(yīng)使RL和和 n的大小符合的大小符合直流測速直流測速發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求。發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求。 測速發(fā)電機(jī)的作用是將機(jī)械速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷簻y速發(fā)電機(jī)的作用是將機(jī)械速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，在自動控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中作為檢測元信號，在自動控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中作為檢測元件、校正元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)件、校正

7、元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機(jī)將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號作為反饋信號，達(dá)到電機(jī)將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號作為反饋信號，達(dá)到調(diào)節(jié)速度的作用。調(diào)節(jié)速度的作用。編碼器以其高精度。高分辨率和高可靠性而被廣泛用于各種位移測量。編碼器按結(jié)構(gòu)形式有直線式編碼器和旋轉(zhuǎn)式編碼器之分。由于旋轉(zhuǎn)式光電編碼器是用于角位移測量的最有效和最直接的數(shù)字式傳感器，并已有各種系列產(chǎn)品可供選用，故本節(jié)著重討論旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。旋轉(zhuǎn)式編碼器有兩種增量編碼器和絕對編碼器增量編碼器與前三節(jié)討論的幾種數(shù)字式傳感器有類似之處。它的輸出是一系列脈沖，需要一個計(jì)數(shù)系統(tǒng)對脈沖進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)。 最簡單的一種絕對編碼器是接觸式編碼器 絕對編碼器二進(jìn)制輸出

8、的每一位都必須有一個獨(dú)立的碼道。一個編碼器的碼道數(shù)目決定了該編碼器的分辨力。 從編碼技術(shù)上分析，造成錯碼的原因是從一個碼變?yōu)榱硪粋€碼時存在著幾位碼需要同時改變。若每次只有一位碼改變，就不會產(chǎn)生錯碼，例如格雷碼（循環(huán)碼）。格雷碼的兩個相鄰數(shù)的碼變化只有一位碼是不同的（見表101）。從格雷碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換可用硬件實(shí)現(xiàn)，也可用軟件來完成。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器旋轉(zhuǎn)式光電編碼器接觸式編碼器的實(shí)際應(yīng)用受到電刷的限制。目前應(yīng)用最廣的是利用光電轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成的非接觸式光電編碼器。由于其精度高，可靠性好，性能穩(wěn)定，體積小和使用方便，在自動測量和自動控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前大多數(shù)關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人都用它作為角度

9、傳感器。國內(nèi)已有16位絕對編碼器和每轉(zhuǎn)10000脈沖數(shù)輸出的小型增量編碼器產(chǎn)品，并形成各種系列。1.絕對編碼器光電編碼器的碼盤通常是一塊光學(xué)玻璃。玻璃上刻有透光和不透光的圖形。它們相當(dāng)于接觸式編碼器碼盤上的導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)，如圖1020所示。編碼器光源產(chǎn)生的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投射在碼盤上，并與位于碼盤另一面成徑向排列的光敏元件相耦合。碼盤上的碼道數(shù)就是該碼盤的數(shù)碼位數(shù)，對應(yīng)每一碼道有一個光敏元件。當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的電平信號。 2.增量編碼器增量編碼器，其碼盤要比絕對編碼器碼盤簡單得多，一般只需三條碼道。這里的碼道實(shí)際上已不具有絕對碼盤碼道的意義。

10、與絕對編碼器類似，增量編碼器的精度主要取決于碼盤本身的精度。用于光電絕對編碼器的技術(shù)，大部分也適用于光電增量編碼器。4.光電增量編碼器的應(yīng)用（1）典型產(chǎn)品應(yīng)用介紹 圖1024所示為LEC型 小型光電增量編碼器的 外形圖。每轉(zhuǎn)輸出脈沖 數(shù)為205000，最大允 許轉(zhuǎn)速為5000rmin。（2）測量轉(zhuǎn)速 增量編碼器除直接用于測量相對角位移外，常用來測量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。最簡單的方法就是在給定的時間間隔內(nèi)對編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，它所測量的是平均轉(zhuǎn)速。 （3）測量線位移 在某些場合，用旋轉(zhuǎn)式光電增量編碼器來測量線位是一種有效的方法。這時，須利用一套機(jī)械裝置把線位移轉(zhuǎn)換成角位移。測量系統(tǒng)的精度將主要取決于

11、機(jī)械裝置的精度 圖（a）表示通過絲桿將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。例如用一每轉(zhuǎn)1500脈沖數(shù)的增量編碼器和一導(dǎo)程為6mm的絲桿，可達(dá)到4m的分辨力。為了提高精度，可采用滾珠絲桿與雙螺母消隙機(jī)構(gòu)。圖（b）是用齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換的一種方法。一般說，這種系統(tǒng)的精度較低。圖（c）和（d）分別表示用皮帶傳動和摩擦傳動來實(shí)現(xiàn)線位移與角位移之間變換的兩種方法。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，特別適用于需要進(jìn)行長距離位移測量及某些環(huán)境條件惡劣的場所。 無論用哪一種方法來實(shí)現(xiàn)線位移角位移的轉(zhuǎn)換，一般增量編碼器的碼盤都要旋轉(zhuǎn)多圈。這時，編碼器的零位基準(zhǔn)已失去作用。為計(jì)數(shù)系統(tǒng)所必須的基準(zhǔn)零位，可由附加的裝置來提供。如用機(jī)械

12、、光電等方法來實(shí)現(xiàn)。測量電路測量電路實(shí)際中，目前都將光敏元件輸出信號的放大整形等電路與傳感檢測元件封裝在一起，所以只要加上計(jì)數(shù)與細(xì)分電路（統(tǒng)稱測量電路）就可組成一個位移測量系統(tǒng)。從這點(diǎn)看，這也是編碼器的一個突出優(yōu)點(diǎn)。 1計(jì)數(shù)電路四倍頻細(xì)分電路原理圖如圖1029（a）所示。輸出x1與x2信號作為計(jì)數(shù)器雙時鐘輸人信號。按電路圖可得如下邏輯表達(dá)式： 2細(xì)分電路 Q1、Q2、Q3和 Q4分別與S1、S2相對應(yīng)。當(dāng)正向轉(zhuǎn)動時，S1信號超前S2相位/2。電路各點(diǎn)的波形如圖1029（b）所示，與門輸出Y1、Y2、Y3和Y4的脈沖寬度僅為S1或S2信號脈沖寬度的一半，相位差為/2。單穩(wěn)電路輸出Q1、Q2、Q3和 Q4的脈沖寬度應(yīng)盡可能窄，至少要小于S1信號最小脈沖寬度的12，但同時要滿足與Y1、