3交流伺服系统中的传感器

1、交流伺服系统中的传感器位置传感器速度传感器电流、电压传感器温度传感器传感器的主要类型位置传感器电磁式电磁式旋转变压器磁阻式旋转变压器感应同步器光学式增量式编绝对式编准绝对式编混合式光学编磁式增量式编速度传感器测速发电机 与位置传感器共用电流传感器霍尔电流传感器电流检测IC电阻+绝缘放大器（或线性光耦）电压传感器霍尔电压传感器电阻+绝缘放大器（或线性光耦）温度传感器热敏电阻旋转变压器旋转变压器是一种利用电磁感应原理将机械转角或直线位移精确地转换成电信号的精密检测和控制元件，它们的功能是以转角或直线位移的一定函数的电气输入或输出来提供转角或直线位移的机械指示，或者远距离传输与复现一个角度；或者实现

2、机械上不固联的两轴或多轴之间的同步旋转，即所谓的角度和伺服控制等等旋转变压器旋转变压器有多种分类方法：若按有无电刷来分，可分为有刷和无刷两种；若按极对数来分，可分为单对极和多对极；若按用途来分，可分为计算用旋转变压器和数据传输用变压器；若按输出电压与转子转角间的函数关系来分，可 分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比 例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等四类；若从工作原理来分，可分为电磁式旋转变压器和磁阻式旋转变压器无刷旋变由两部分组成:一部分叫分解 器，由定子和转子组成。它们之何有均匀气隙，定子上有两相正交的分布绕组，另一部分叫环形变压器，它的一次绕组与分解器的转子固定在一起，与转子一起

3、旋转，二次绕组在与转子同心的定子线轴上。分解器的转子输 出绕组为单相绕组或两相正交绕组，若是两相正交绕组，则其中一相为补偿绕组，用以消除负载时交轴磁势引起的电压畸变。磁阻式旋转变压器定子槽内安置了逐槽反向串接的输入绕组1一1，以及两个间隔绕 制反向串接的输出绕组2一2和3一3。当转子相对定子转动时， 空间的气隙磁导发生变化，每转过一个转子齿距，气隙磁导变化一个周期，转过一周，则变化转子齿数个周期。气隙磁导的变化，导致输入和输出绕组之间互感的变化，输出绕组感应的电动势亦发生变化，变化的周期数为转子齿数。因此，转子齿数就相当于磁阻式旋转变压器的极对数，从 而获得多极的效果磁阻式旋转变压器感应同步器

4、旋转式感应同步器的定、转子都由基板、绝缘层和绕组。在转子（或定子）绕组的外面包有一层与绕组绝缘的接地层。基板呈环形，材料为硬铝、不锈钢或玻璃。绕组用铜箔做成，厚度在0.05毫米左右。层。用铝箔或铝膜做成转子绕组是连续式的，称为连续绕组，由有效导体、内端部和外端部。每根导体就是一个极，导体数就是极数旋转变压器-数字转换器旋转变压器是一种精密角度传感元件，在位置伺服系统中，完成轴角位移信息的检测功能。由于它是模拟电磁元件，在计算机控制的数字伺服系统中，就需要一定的接口电路，即旋转变压器-数字变换器(Resolver-to-Digital Converter：RDC)，以实现模拟量信号到控制系 统数

5、字量信号的转换光电编又称光电角位置传感器,是一光电编种集光、机、电一体的数字位移、速度传感器，它采用光电技术将轴角信息转换成数字代码精度高、测量范围广、体积小、重量轻、使用可靠、易于光电编工作原理光栅传感器工作原理光栅传感器工作原理条纹对光栅栅距的放大作用条纹对光栅栅距局部误差的消差作用增量式编的结构如图1所, 其码盘的增量式编示，码盘刻线间距均一, 对应每一个分辨率区间, 可输出一个增量脉冲, 计数器相对于基准位置(零位) 对输出脉冲进行累加计数。正 转 则 加 ,反 转 则 减绝对式编的特点是不要计数器,这种编在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码 准绝对值式码盘循环二进制

6、码标准二进制码在旋转时可产生伺服电动机系统的有关转速、转向、原点位置及相对角位移的 数字信号A、B、Z，测量 光栅的内码道为绝对式光 学码盘，与指示光栅及光敏元件配合，旋转时可产生伺服电系统有关转子磁极绝对位置的数字信号U、V、W。混合式光电编影响精度的由光栅刻制偏差直接产生由光栅盘对轴承偏心引起由轴承径向跳动引起信号数字化处理中的内插误差环境温度引起供电电压与额定值的差异引起光栅传感器的优缺点优点输出天然数字量高精度 圆光栅精度可达0.1-0.2；分辨率0.1；允许计数速度13.8。/s即可以高分辨率又可以大量程能力强信号处理电路简单惯量小缺点对环境条件敏感多数是增量型的高精度光栅价格贵磁性

7、编不易受尘埃和结露影响，同时其结构简单紧凑，可高速运转，响应速度快(达500700kHz)，体积比光学式编小，而成本更低，且易将多个元件精确地排列组合，比用光学元件和半导体磁敏元件更容易新功能器件和多功能器件。此外，采层布线工艺，还能使磁性编不仅具有一般编仅有的增量信号及增量信号和指数信号输出，还具有绝对信号输出功能磁性编磁性编磁性编磁性编磁性编常用的三种位置（速度）传感器的比较项目旋转变压器光电编磁性编特性处理电路复杂结构复杂耐振动冲击可适于高温环境温度特性差处理电路简单噪声容限大 分辨率高不耐振动冲击 不适于高温环境处理电路简单可多相输出 分辨率高机械强度高环境条件要求低可模拟输出信息可数

8、字输出信息同光电编速度元件时间相角变化可作转速信号可增加脉冲提高精度位置元件可实现相角数字化可反映磁极位置可实现相角细分易产生原点脉冲同光电编测速发电机输出电压与转速成正比，并保持稳定转动惯量小，以保证反应迅速灵敏度高，即输出电压对转速的变化反应灵敏，输出特性斜率要大结构简单、工作可靠输出电压纹波小正、反转的输出特性应一致无线电干扰小、噪声小、体积小、重量轻无刷直流测速发电机异步测速发电机工作时，激磁绕组接频率为f的单相交流电源，此时显然沿着直轴方向将会产生一个脉振磁动势d。当转子不动时，脉振磁动势Fd在空心杯转子中感应出变压器电势，产生的磁场与激磁电源同频率的脉振磁场Fd，也为d轴，都与处于

9、q轴的输出绕组无磁通交链。当转子运动时，转子切割直轴磁通Fd，在杯形转子中感应产生旋转电势Er，其大小正比于转子转速n，并以激磁磁场Fd的脉振频率f交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势Er在杯型转子中产生交流短路电流Ir，其大小正比于Er，其频率为Er的交变频率f，若忽视杯形转子的漏抗的影响，那么电流Ir所产生的脉振磁通Fq的大小正比于Er在空间位置上与输出绕组的轴线（q轴）一致，因此转子脉振磁场Fq与输出绕组相交链而产生感应电势E 。输出绕组感应产生的电势E实际就是异步测速发电机输出的空载电压U，其大小正比于转速n，其频率为激磁电源的频率f异步测速发电机数字转速传感器及检测方法M法

10、测速，这种方法实际上是测量频率；T法测速，这种方法实际上是测量周期；M/T法测速，这种方法实际上是既测量频率，又测量周期M法测速n 60m1M法测速是在规定的检测时间Tc(s)内，对传感器输出的脉冲个数m1进行记数实际上在内的脉冲个数一般不是整数，而用微机中的定时/记数器测得的脉冲个数只是整数部分，因而存在着量化误差。故而M法测速适合于测量高转速，因为在P及Tc相同的条件下，高转速时m1较大，量化误差较小NTc分辨率测量精度： 1/m1测量时间：T法测速n 60 fcNm2T法测速是在传感器输出的一个脉冲周期Ttach内对高频时钟脉冲的个数 m2进行记数为了减小量化误差，m2不能太小，所以T法

11、在测量低速时精度较高。当然转速也不宜很低，以免传感器发出一个脉冲的时间过长，影响测量的快速性。为了提高测量的快速性应选用P值较大的光栅分辨率测速精度：1/m2检测时间：时钟脉冲频率的确定M/T法测速n 60m fNm2M/T法测速原理如图5-所示。M/T法的检测时间由两部分组成，即T=Tc+T，其中Tc是一个固定不变的时间。当Tc结束以后，到传感器发出第一个脉冲为止为T。分别在Tc和T时间内测得传感器输出脉冲数m1和高频时钟脉冲个数m2。于是可求出电机的转速为分辨率精度检测时间电流检测电流检测Si85xx输出与检测电阻的对比Si85xx输出与CT输出的对比霍尔器件的磁轴方向与气隙里的磁感应强度

12、方向一致，则霍尔器件输出的霍尔电压UH正比于气隙里磁感应强度和磁场强度，即正比于气隙里的磁压降。其霍尔电压为：UHKHICB将霍尔电压放大后直接输出或经交流/直流变换器把01V的交、直流信号转换为Iz：420mA或020mA、Vz: 05V或15V的标准直流信号输出。直接检测式霍尔电流传感器的耐压等级高，成本低，性能稳定，但精度受温度变化影响大，动态响应特性很不理想直接检测式电流传感器磁场平衡式电流传感器磁场平衡式电流传感器与直接检测式电流传感器的区别在于其铁磁体上另外加有一平衡绕组，气隙里的霍尔器件仅作为检零器件，用来检测被测电流I1 和平衡绕组中电流I2 在铁磁体中所产生的磁动势的平衡状态

13、，霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态磁场平衡式霍尔电流传感器的特点测量范围宽，可测量各种电流，如直流、交流、脉冲电流等；电气性能好；线性度好、测量精度高；抗外界电磁和温度等干扰的能力强；电流上升率大，响应速度快，工作频带宽；过载能力强、可靠性高；体积小，重量轻，安装简单、方便FLUXGATE型电流互感器C型电流互感器IT型电流互感器性能比较参数当电流流过检测电阻时，会在电阻上产生电压，把该电压输入到IC的Vin+、Vin-端，被高精度运算放大器放大，之后通过A/D变换器，被转换成40kHz的信号，被送至脉冲产生电路，在脉冲产生电路中被变换成两个脉冲信号，该信号又通过两个P沟道电平转换器被转换

14、为低压电平信号。两个低压电平信号在脉冲复原电路中被变换成信号，输出到下一级信号处理电路中电流检测IC这种方法是使要检测的电流流过电阻，把电阻上产生的电压通过绝缘放大器（或线性光耦），以达到强、弱电及噪声的目的。由于检测电流中含有斩波产生的高次谐波，所以检测电阻必须采用无感电阻。图5-是采用线性光耦的直流电流检测电路利用电阻+绝缘放大器（或线性光耦）进行电流检测电压传感器电压传感器主要用于检测逆变电路的直流母线电压。上节介绍的霍尔电流传感器可以作为电压传感器使用。也可以采用先利用电阻分压，再把采用电阻上的电压通过绝缘放大器（或线性光耦）的电压检测方法。除此之外，还可以利用V/F变换器把直流母线电压转换成频率与该电压成正比的脉冲列，冲列利用光耦，并通过计数器计数，这种电压方式为数冲列输入到F/V变换字检测方式。还可以器，把频率信号转换成直流电压信号，这种电压