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)式增量式編絕對式編準(zhǔn)絕對式編混合式光學(xué)編磁式增量式編速度傳感器測速發(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)換成電信號的精密檢測和控制元件，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)一個角度；或者實現(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：若按有無電刷來分，可分為有刷和無刷兩種；若按極對數(shù)來分，可分為單對極和多對極；若按用途來分，可分為計算用旋轉(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；若從工作原理來分，可分為電磁式旋轉(zhuǎn)變壓器和磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器無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)載時交軸磁勢引起的電壓畸變。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)子相對定子轉(zhuǎn)動時， 空間的氣隙磁導(dǎo)發(fā)生變化，每轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距，氣隙磁導(dǎo)變化一個周期，轉(zhuǎn)過一周，則變化轉(zhuǎn)子齒數(shù)個周期。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)的電動勢亦發(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功能。由于它是模擬電磁元件，在計算機(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)，以實現(xiàn)模擬量信號到控制系 統(tǒng)數(shù)

5、字量信號的轉(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條紋對光柵柵距的放大作用條紋對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, 對應(yīng)每一個分辨率區(qū)間, 可輸出一個增量脈沖, 計數(shù)器相對于基準(zhǔn)位置(零位) 對輸出脈沖進(jìn)行累加計數(shù)。正 轉(zhuǎn) 則 加 ,反 轉(zhuǎn) 則 減絕對式編的特點是不要計數(shù)器,這種編在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼 準(zhǔn)絕對值式碼盤循環(huán)二進(jìn)制

6、碼標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制碼在旋轉(zhuǎn)時可產(chǎn)生伺服電動機(jī)系統(tǒng)的有關(guān)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、原點位置及相對角位移的 數(shù)字信號A、B、Z，測量 光柵的內(nèi)碼道為絕對式光 學(xué)碼盤，與指示光柵及光敏元件配合，旋轉(zhuǎn)時可產(chǎn)生伺服電系統(tǒng)有關(guān)轉(zhuǎn)子磁極絕對位置的數(shù)字信號U、V、W?；旌鲜焦怆娋幱绊懢鹊挠晒鈻趴讨破钪苯赢a(chǎn)生由光柵盤對軸承偏心引起由軸承徑向跳動引起信號數(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)缺點優(yōu)點輸出天然數(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)信號處理電路簡單慣量小缺點對環(huán)境條件敏感多數(shù)是增量型的高精度光柵價格貴磁性

7、編不易受塵埃和結(jié)露影響，同時其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可高速運轉(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及增量信號和指數(shù)信號輸出，還具有絕對信號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)雜耐振動沖擊可適于高溫環(huán)境溫度特性差處理電路簡單噪聲容限大 分辨率高不耐振動沖擊 不適于高溫環(huán)境處理電路簡單可多相輸出 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間相角變化可作轉(zhuǎn)速信號可增加脈沖提高精度位置元件可實現(xiàn)相角數(shù)字化可反映磁極位置可實現(xiàn)相角細(xì)分易產(chǎn)生原點脈沖同光電編測速發(fā)電機(jī)輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，并保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)動慣量小，以保證反應(yīng)迅速靈敏度高，即輸出電壓對轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)靈敏，輸出特性斜率要大結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠輸出電壓紋波小正、反轉(zhuǎn)的輸出特性應(yīng)一致無線電干擾小、噪聲小、體積小、重量輕無刷直流測速發(fā)電機(jī)異步測速發(fā)電機(jī)工作時，激磁繞組接頻率為f的單相交流電源，此時顯然沿著直軸方向?qū)a(chǎn)生一個脈振磁動勢d。當(dāng)轉(zhuǎn)子不動時，脈振磁動勢Fd在空心杯轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出變壓器電勢，產(chǎn)生的磁場與激磁電源同頻率的脈振磁場Fd，也為d軸，都與處于

9、q軸的輸出繞組無磁通交鏈。當(dāng)轉(zhuǎn)子運動時，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Er，其大小正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，并以激磁磁場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Fq與輸出繞組相交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電勢E 。輸出繞組感應(yīng)產(chǎn)生的電勢E實際就是異步測速發(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異步測速發(fā)電機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器及檢測方法M法

10、測速，這種方法實際上是測量頻率；T法測速，這種方法實際上是測量周期；M/T法測速，這種方法實際上是既測量頻率，又測量周期M法測速n 60m1M法測速是在規(guī)定的檢測時間Tc(s)內(nèi)，對傳感器輸出的脈沖個數(shù)m1進(jìn)行記數(shù)實際上在內(nèi)的脈沖個數(shù)一般不是整數(shù)，而用微機(jī)中的定時/記數(shù)器測得的脈沖個數(shù)只是整數(shù)部分，因而存在著量化誤差。故而M法測速適合于測量高轉(zhuǎn)速，因為在P及Tc相同的條件下，高轉(zhuǎn)速時m1較大，量化誤差較小NTc分辨率測量精度： 1/m1測量時間：T法測速n 60 fcNm2T法測速是在傳感器輸出的一個脈沖周期Ttach內(nèi)對高頻時鐘脈沖的個數(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、在測量低速時精度較高。當(dāng)然轉(zhuǎn)速也不宜很低，以免傳感器發(fā)出一個脈沖的時間過長，影響測量的快速性。為了提高測量的快速性應(yīng)選用P值較大的光柵分辨率測速精度：1/m2檢測時間：時鐘脈沖頻率的確定M/T法測速n 60m fNm2M/T法測速原理如圖5-所示。M/T法的檢測時間由兩部分組成，即T=Tc+T，其中Tc是一個固定不變的時間。當(dāng)Tc結(jié)束以后，到傳感器發(fā)出第一個脈沖為止為T。分別在Tc和T時間內(nèi)測得傳感器輸出脈沖數(shù)m1和高頻時鐘脈沖個數(shù)m2。于是可求出電機(jī)的轉(zhuǎn)速為分辨率精度檢測時間電流檢測電流檢測Si85xx輸出與檢測電阻的對比Si85xx輸出與CT輸出的對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、直流信號轉(zhuǎn)換為Iz：420mA或020mA、Vz: 05V或15V的標(biāo)準(zhǔn)直流信號輸出。直接檢測式霍爾電流傳感器的耐壓等級高，成本低，性能穩(wěn)定，但精度受溫度變化影響大，動態(tài)響應(yīng)特性很不理想直接檢測式電流傳感器磁場平衡式電流傳感器磁場平衡式電流傳感器與直接檢測式電流傳感器的區(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，用來檢測被測電流I1 和平衡繞組中電流I2 在鐵磁體中所產(chǎn)生的磁動勢的平衡狀態(tài)

13、，霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)磁場平衡式霍爾電流傳感器的特點測量范圍寬，可測量各種電流，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；過載能力強(qiáng)、可靠性高；體積小，重量輕，安裝簡單、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)電流流過檢測電阻時，會在電阻上產(chǎn)生電壓，把該電壓輸入到IC的Vin+、Vin-端，被高精度運算放大器放大，之后通過A/D變換器，被轉(zhuǎn)換成40kHz的信號，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脈沖信號，該信號又通過兩個P溝道電平轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換

14、為低壓電平信號。兩個低壓電平信號在脈沖復(fù)原電路中被變換成信號，輸出到下一級信號處理電路中電流檢測IC這種方法是使要檢測的電流流過電阻，把電阻上產(chǎn)生的電壓通過絕緣放大器（或線性光耦），以達(dá)到強(qiáng)、弱電及噪聲的目的。由于檢測電流中含有斬波產(chǎn)生的高次諧波，所以檢測電阻必須采用無感電阻。圖5-是采用線性光耦的直流電流檢測電路利用電阻+絕緣放大器（或線性光耦）進(jìn)行電流檢測電壓傳感器電壓傳感器主要用于檢測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絕緣放大器（或線性光耦）的電壓檢測方法。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，并通過計數(shù)器計數(shù)，這種電壓方式為數(shù)沖列輸入到F/V變換字檢測方式。還可以器，把頻率信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，這種電壓