3交流伺服系統(tǒng)中的傳感器

1、交流伺服系統(tǒng)中的傳感器位置傳感器速度傳感器電流、電壓傳感器溫度傳感器傳感器的主要類型位置傳感器電磁式電磁式旋轉(zhuǎn)變壓器磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)同步器光學(xué)式增量式編絕對(duì)式編準(zhǔn)絕對(duì)式編混合式光學(xué)編磁式增量式編速度傳感器測(cè)速發(fā)電機(jī) 與位置傳感器共用電流傳感器霍爾電流傳感器電流檢測(cè)IC電阻+絕緣放大器（或線性光耦）電壓傳感器霍爾電壓傳感器電阻+絕緣放大器（或線性光耦）溫度傳感器熱敏電阻旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將機(jī)械轉(zhuǎn)角或直線位移精確地轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的精密檢測(cè)和控制元件，它們的功能是以轉(zhuǎn)角或直線位移的一定函數(shù)的電氣輸入或輸出來(lái)提供轉(zhuǎn)角或直線位移的機(jī)械指示，或者遠(yuǎn)距離傳輸與復(fù)現(xiàn)一個(gè)角度；或者實(shí)現(xiàn)

2、機(jī)械上不固聯(lián)的兩軸或多軸之間的同步旋轉(zhuǎn)，即所謂的角度和伺服控制等等旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器有多種分類方法：若按有無(wú)電刷來(lái)分，可分為有刷和無(wú)刷兩種；若按極對(duì)數(shù)來(lái)分，可分為單對(duì)極和多對(duì)極；若按用途來(lái)分，可分為計(jì)算用旋轉(zhuǎn)變壓器和數(shù)據(jù)傳輸用變壓器；若按輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角間的函數(shù)關(guān)系來(lái)分，可 分為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線性旋轉(zhuǎn)變壓器、比 例式旋轉(zhuǎn)變壓器以及特殊函數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器等四類；若從工作原理來(lái)分，可分為電磁式旋轉(zhuǎn)變壓器和磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器無(wú)刷旋變由兩部分組成:一部分叫分解 器，由定子和轉(zhuǎn)子組成。它們之何有均勻氣隙，定子上有兩相正交的分布繞組，另一部分叫環(huán)形變壓器，它的一次繞組與分解器的轉(zhuǎn)子固定在一起，與轉(zhuǎn)子一起

3、旋轉(zhuǎn)，二次繞組在與轉(zhuǎn)子同心的定子線軸上。分解器的轉(zhuǎn)子輸 出繞組為單相繞組或兩相正交繞組，若是兩相正交繞組，則其中一相為補(bǔ)償繞組，用以消除負(fù)載時(shí)交軸磁勢(shì)引起的電壓畸變。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器定子槽內(nèi)安置了逐槽反向串接的輸入繞組1一1，以及兩個(gè)間隔繞 制反向串接的輸出繞組2一2和3一3。當(dāng)轉(zhuǎn)子相對(duì)定子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 空間的氣隙磁導(dǎo)發(fā)生變化，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)子齒距，氣隙磁導(dǎo)變化一個(gè)周期，轉(zhuǎn)過(guò)一周，則變化轉(zhuǎn)子齒數(shù)個(gè)周期。氣隙磁導(dǎo)的變化，導(dǎo)致輸入和輸出繞組之間互感的變化，輸出繞組感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)亦發(fā)生變化，變化的周期數(shù)為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。因此，轉(zhuǎn)子齒數(shù)就相當(dāng)于磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的極對(duì)數(shù)，從 而獲得多極的效果磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)同步器

4、旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的定、轉(zhuǎn)子都由基板、絕緣層和繞組。在轉(zhuǎn)子（或定子）繞組的外面包有一層與繞組絕緣的接地層?；宄虱h(huán)形，材料為硬鋁、不銹鋼或玻璃。繞組用銅箔做成，厚度在0.05毫米左右。層。用鋁箔或鋁膜做成轉(zhuǎn)子繞組是連續(xù)式的，稱為連續(xù)繞組，由有效導(dǎo)體、內(nèi)端部和外端部。每根導(dǎo)體就是一個(gè)極，導(dǎo)體數(shù)就是極數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密角度傳感元件，在位置伺服系統(tǒng)中，完成軸角位移信息的檢測(cè)功能。由于它是模擬電磁元件，在計(jì)算機(jī)控制的數(shù)字伺服系統(tǒng)中，就需要一定的接口電路，即旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字變換器(Resolver-to-Digital Converter：RDC)，以實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)到控制系 統(tǒng)數(shù)

5、字量信號(hào)的轉(zhuǎn)換光電編又稱光電角位置傳感器,是一光電編種集光、機(jī)、電一體的數(shù)字位移、速度傳感器，它采用光電技術(shù)將軸角信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼精度高、測(cè)量范圍廣、體積小、重量輕、使用可靠、易于光電編工作原理光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理?xiàng)l紋對(duì)光柵柵距的放大作用條紋對(duì)光柵柵距局部誤差的消差作用增量式編的結(jié)構(gòu)如圖1所, 其碼盤的增量式編示，碼盤刻線間距均一, 對(duì)應(yīng)每一個(gè)分辨率區(qū)間, 可輸出一個(gè)增量脈沖, 計(jì)數(shù)器相對(duì)于基準(zhǔn)位置(零位) 對(duì)輸出脈沖進(jìn)行累加計(jì)數(shù)。正 轉(zhuǎn) 則 加 ,反 轉(zhuǎn) 則 減絕對(duì)式編的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器,這種編在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼 準(zhǔn)絕對(duì)值式碼盤循環(huán)二進(jìn)制

6、碼標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制碼在旋轉(zhuǎn)時(shí)可產(chǎn)生伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的有關(guān)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、原點(diǎn)位置及相對(duì)角位移的 數(shù)字信號(hào)A、B、Z，測(cè)量 光柵的內(nèi)碼道為絕對(duì)式光 學(xué)碼盤，與指示光柵及光敏元件配合，旋轉(zhuǎn)時(shí)可產(chǎn)生伺服電系統(tǒng)有關(guān)轉(zhuǎn)子磁極絕對(duì)位置的數(shù)字信號(hào)U、V、W?；旌鲜焦怆娋幱绊懢鹊挠晒鈻趴讨破钪苯赢a(chǎn)生由光柵盤對(duì)軸承偏心引起由軸承徑向跳動(dòng)引起信號(hào)數(shù)字化處理中的內(nèi)插誤差環(huán)境溫度引起供電電壓與額定值的差異引起光柵傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)輸出天然數(shù)字量高精度 圓光柵精度可達(dá)0.1-0.2；分辨率0.1；允許計(jì)數(shù)速度13.8。/s即可以高分辨率又可以大量程能力強(qiáng)信號(hào)處理電路簡(jiǎn)單慣量小缺點(diǎn)對(duì)環(huán)境條件敏感多數(shù)是增量型的高精度光柵價(jià)格貴磁性

7、編不易受塵埃和結(jié)露影響，同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可高速運(yùn)轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度快(達(dá)500700kHz)，體積比光學(xué)式編小，而成本更低，且易將多個(gè)元件精確地排列組合，比用光學(xué)元件和半導(dǎo)體磁敏元件更容易新功能器件和多功能器件。此外，采層布線工藝，還能使磁性編不僅具有一般編僅有的增量信號(hào)及增量信號(hào)和指數(shù)信號(hào)輸出，還具有絕對(duì)信號(hào)輸出功能磁性編磁性編磁性編磁性編磁性編常用的三種位置（速度）傳感器的比較項(xiàng)目旋轉(zhuǎn)變壓器光電編磁性編特性處理電路復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜耐振動(dòng)沖擊可適于高溫環(huán)境溫度特性差處理電路簡(jiǎn)單噪聲容限大 分辨率高不耐振動(dòng)沖擊 不適于高溫環(huán)境處理電路簡(jiǎn)單可多相輸出 分辨率高機(jī)械強(qiáng)度高環(huán)境條件要求低可模擬輸出信息可數(shù)

8、字輸出信息同光電編速度元件時(shí)間相角變化可作轉(zhuǎn)速信號(hào)可增加脈沖提高精度位置元件可實(shí)現(xiàn)相角數(shù)字化可反映磁極位置可實(shí)現(xiàn)相角細(xì)分易產(chǎn)生原點(diǎn)脈沖同光電編測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，并保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，以保證反應(yīng)迅速靈敏度高，即輸出電壓對(duì)轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)靈敏，輸出特性斜率要大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠輸出電壓紋波小正、反轉(zhuǎn)的輸出特性應(yīng)一致無(wú)線電干擾小、噪聲小、體積小、重量輕無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)異步測(cè)速發(fā)電機(jī)工作時(shí)，激磁繞組接頻率為f的單相交流電源，此時(shí)顯然沿著直軸方向?qū)?huì)產(chǎn)生一個(gè)脈振磁動(dòng)勢(shì)d。當(dāng)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，脈振磁動(dòng)勢(shì)Fd在空心杯轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出變壓器電勢(shì)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與激磁電源同頻率的脈振磁場(chǎng)Fd，也為d軸，都與處于

9、q軸的輸出繞組無(wú)磁通交鏈。當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子切割直軸磁通Fd，在杯形轉(zhuǎn)子中感應(yīng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)Er，其大小正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，并以激磁磁場(chǎng)Fd的脈振頻率f交變，又因空心杯轉(zhuǎn)子相當(dāng)于短路繞組，故旋轉(zhuǎn)電勢(shì)Er在杯型轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生交流短路電流Ir，其大小正比于Er，其頻率為Er的交變頻率f，若忽視杯形轉(zhuǎn)子的漏抗的影響，那么電流Ir所產(chǎn)生的脈振磁通Fq的大小正比于Er在空間位置上與輸出繞組的軸線（q軸）一致，因此轉(zhuǎn)子脈振磁場(chǎng)Fq與輸出繞組相交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E 。輸出繞組感應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)E實(shí)際就是異步測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的空載電壓U，其大小正比于轉(zhuǎn)速n，其頻率為激磁電源的頻率f異步測(cè)速發(fā)電機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器及檢測(cè)方法M法

10、測(cè)速，這種方法實(shí)際上是測(cè)量頻率；T法測(cè)速，這種方法實(shí)際上是測(cè)量周期；M/T法測(cè)速，這種方法實(shí)際上是既測(cè)量頻率，又測(cè)量周期M法測(cè)速n 60m1M法測(cè)速是在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間Tc(s)內(nèi)，對(duì)傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)m1進(jìn)行記數(shù)實(shí)際上在內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)一般不是整數(shù)，而用微機(jī)中的定時(shí)/記數(shù)器測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)只是整數(shù)部分，因而存在著量化誤差。故而M法測(cè)速適合于測(cè)量高轉(zhuǎn)速，因?yàn)樵赑及Tc相同的條件下，高轉(zhuǎn)速時(shí)m1較大，量化誤差較小NTc分辨率測(cè)量精度： 1/m1測(cè)量時(shí)間：T法測(cè)速n 60 fcNm2T法測(cè)速是在傳感器輸出的一個(gè)脈沖周期Ttach內(nèi)對(duì)高頻時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù) m2進(jìn)行記數(shù)為了減小量化誤差，m2不能太小，所以T法

11、在測(cè)量低速時(shí)精度較高。當(dāng)然轉(zhuǎn)速也不宜很低，以免傳感器發(fā)出一個(gè)脈沖的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響測(cè)量的快速性。為了提高測(cè)量的快速性應(yīng)選用P值較大的光柵分辨率測(cè)速精度：1/m2檢測(cè)時(shí)間：時(shí)鐘脈沖頻率的確定M/T法測(cè)速n 60m fNm2M/T法測(cè)速原理如圖5-所示。M/T法的檢測(cè)時(shí)間由兩部分組成，即T=Tc+T，其中Tc是一個(gè)固定不變的時(shí)間。當(dāng)Tc結(jié)束以后，到傳感器發(fā)出第一個(gè)脈沖為止為T。分別在Tc和T時(shí)間內(nèi)測(cè)得傳感器輸出脈沖數(shù)m1和高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)m2。于是可求出電機(jī)的轉(zhuǎn)速為分辨率精度檢測(cè)時(shí)間電流檢測(cè)電流檢測(cè)Si85xx輸出與檢測(cè)電阻的對(duì)比Si85xx輸出與CT輸出的對(duì)比霍爾器件的磁軸方向與氣隙里的磁感應(yīng)強(qiáng)度

12、方向一致，則霍爾器件輸出的霍爾電壓UH正比于氣隙里磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，即正比于氣隙里的磁壓降。其霍爾電壓為：UHKHICB將霍爾電壓放大后直接輸出或經(jīng)交流/直流變換器把01V的交、直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為Iz：420mA或020mA、Vz: 05V或15V的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)輸出。直接檢測(cè)式霍爾電流傳感器的耐壓等級(jí)高，成本低，性能穩(wěn)定，但精度受溫度變化影響大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性很不理想直接檢測(cè)式電流傳感器磁場(chǎng)平衡式電流傳感器磁場(chǎng)平衡式電流傳感器與直接檢測(cè)式電流傳感器的區(qū)別在于其鐵磁體上另外加有一平衡繞組，氣隙里的霍爾器件僅作為檢零器件，用來(lái)檢測(cè)被測(cè)電流I1 和平衡繞組中電流I2 在鐵磁體中所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)的平衡狀態(tài)

13、，霍爾器件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器的特點(diǎn)測(cè)量范圍寬，可測(cè)量各種電流，如直流、交流、脈沖電流等；電氣性能好；線性度好、測(cè)量精度高；抗外界電磁和溫度等干擾的能力強(qiáng)；電流上升率大，響應(yīng)速度快，工作頻帶寬；過(guò)載能力強(qiáng)、可靠性高；體積小，重量輕，安裝簡(jiǎn)單、方便FLUXGATE型電流互感器C型電流互感器IT型電流互感器性能比較參數(shù)當(dāng)電流流過(guò)檢測(cè)電阻時(shí)，會(huì)在電阻上產(chǎn)生電壓，把該電壓輸入到IC的Vin+、Vin-端，被高精度運(yùn)算放大器放大，之后通過(guò)A/D變換器，被轉(zhuǎn)換成40kHz的信號(hào)，被送至脈沖產(chǎn)生電路，在脈沖產(chǎn)生電路中被變換成兩個(gè)脈沖信號(hào)，該信號(hào)又通過(guò)兩個(gè)P溝道電平轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換

14、為低壓電平信號(hào)。兩個(gè)低壓電平信號(hào)在脈沖復(fù)原電路中被變換成信號(hào)，輸出到下一級(jí)信號(hào)處理電路中電流檢測(cè)IC這種方法是使要檢測(cè)的電流流過(guò)電阻，把電阻上產(chǎn)生的電壓通過(guò)絕緣放大器（或線性光耦），以達(dá)到強(qiáng)、弱電及噪聲的目的。由于檢測(cè)電流中含有斬波產(chǎn)生的高次諧波，所以檢測(cè)電阻必須采用無(wú)感電阻。圖5-是采用線性光耦的直流電流檢測(cè)電路利用電阻+絕緣放大器（或線性光耦）進(jìn)行電流檢測(cè)電壓傳感器電壓傳感器主要用于檢測(cè)逆變電路的直流母線電壓。上節(jié)介紹的霍爾電流傳感器可以作為電壓傳感器使用。也可以采用先利用電阻分壓，再把采用電阻上的電壓通過(guò)絕緣放大器（或線性光耦）的電壓檢測(cè)方法。除此之外，還可以利用V/F變換器把直流母線電壓轉(zhuǎn)換成頻率與該電壓成正比的脈沖列，沖列利用光耦，并通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，這種電壓方式為數(shù)沖列輸入到F/V變換字檢測(cè)方式。還可以器，把頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)，這種電壓