现代交流伺服系统 课件 第5、6章 交流伺服系统常用传感器、交流伺服系统的功率变换电路

第5章交流伺服系统常用传感器内容提要5.1概述5.2光电编码器5.3旋转变压器5.4光栅5.5压阻式加速度传感器5.6电流传感器交流伺服系统常用传感器15.1概述交流伺服系统常用的传感器有系统位置、速度传感器和磁极位置传感器。传感器的分类1）按安装传感器位置分为直接检测和间接检测；2）按检测位移的计算方法分为增量式和绝对式；3）按检测信号的类型分为模拟式和数字式；4）按运动形式分为旋转型和直线型。2分类方式特点优点缺点安装位置直接检测安装在平移运动机构上检测精度主要取决于检测传感器的精度检测装置与被检测装置的行程等长，限制了伺服的距离，安装复杂间接检测安装在电动机轴的非负载侧简单可靠，无检测长度的限制旋转运动转换成直线运动存在误差，影响检测精度检测位移计算方法增量式只测量位移增量装置简单易出现计数错误，没有记忆能力绝对式测量相对位置有记忆能力存在延时检测信号类型模拟式被检测量直接输出小量程内可以实现高精度检测——数字式被检测量量化后，转化为脉冲个数检测装置简单，数字信号抗干扰能力强——运动形式旋转型传感器做旋转运动————直线型传感器做直线运动————表5-1传感器分类方法5.1概述3表5-2位置和速度传感器的分类分类增量式绝对式位

移传感器旋转型脉冲编码器，自整角机，旋转变压器，圆感应同步器，光栅角度传感器，圆光栅，圆磁栅多极旋转变压器，绝对脉冲编码器，绝对值式光栅，三速圆感应同步器，磁阻式多极旋转变压器直线型直线感应同步器，光栅尺，磁栅尺，激光干涉仪，霍尔位置传感器三速感应同步器，绝对值磁尺，光电编码尺，磁性编码器速

度传感器交、直流测速发电机，数字脉冲编码式速度传感器，霍尔速度传感器速度-角度传感器，数字电磁、磁敏式速度传感器加速度传感器压阻式，压电式

电

流传感器霍尔元件电流传感器，电流检测IC5.1概述45.2光电编码器随着光电子学和数字技术的发展，光电编码器广泛用于交流伺服电动机的速度和位置检测中。光电编码器的分类1）按脉冲对应位置的关系分为增量式光电编码器，绝对式光电编码器以及混合式光电编码器；2）按编码器的运动方式分为旋转式和直线式两种。光电编码器的特点直线式：交流伺服电动机为旋转运动，可以借助机械连接变换成直线运动形式。直线式光电编码器用得较少，只有在那些结构形式和运动方式都有利于专用直线式光电编码器的场合才被采用。旋转式：旋转型光电编码器容易做成全封闭型，实现小型化，传感长度不受限制，因而在实际中获得广泛应用。55.2.1增量式光电编码器增量式光电编码器的特点每产生一个输出脉冲信号就对应一个增量位移角，编码器能产生与轴位移角增量等值的电脉冲。增量式光电编码器的结构如图5-1所示，增量式光电编码器由以下4个基本部分组成：光源、转盘（动光栅）、遮光板（定光栅）和光敏元件。增量式光电编码器的原理转盘上刻有许多的均匀透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期。遮光板上刻有与转盘相应的透光缝隙，用来通过或阻挡光线。图5-1增量式光电编码器的构造A相、B相、Z相－遮光板缝隙A、B、Z－受光元件1－旋转圆盘2－转盘缝隙3－遮光板6表5-3增量式光电编码器的性能性能参数概念特点影响因素分辨率编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数光栅盘上的槽或窗口数目等于编码器的分辨率与检测元件本身和测量线路有关精度度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力用度、分、秒来表示与转盘的加工质量、转盘的机械旋转和安装技术有关稳定性在实际运行条件下，保持规定精度的能力——与温度、外加于编码器的变形力和光源特性的变化有关响应频率准确反映轴的转角位移的能力响应频率受分辨率限制与光敏元件和电子处理线路的响应能力有关编码器内输出信号的处理在编码器内将输入信号放大与整形经过处理后的信号输出近似正弦波或矩形波——5.2.1增量式光电编码器75.2.1增量式光电编码器增量式光电编码器的输出信号编码器的输出信号一般是近似正弦波或矩形波信号。由于容易对矩形波输出信号进行数字处理，所以这种输出信号在定位控制中的应用十分广泛。正弦波输出信号的优点1）在定位停止时没有振荡现象；2）把输出的近似正弦波和余弦波信号微分合成，可以得到模拟速度信号；3）可以进行电子内插，以低成本得到高分辨率。正弦波输出信号的应用应用在打印机和磁盘磁头定位中。图5-3矩形波输出信号图5-2近似正弦波输出信号的构成8正反方向可逆运行的原理在许多实际应用中，要求交流伺服电动机在正反两个方向上能实现可逆运行;编码器输出两路正交信号，对应编码器的某一旋转方向，两个信号明确而单值表示从“0”到“1”和从“1”到“0”的逻辑跃变;这两个跃变逻辑信号与某相静态逻辑信号进行“编码”，可以设计出正反方向的判别电路。图5-5方向判别电路的输出波形图5-4旋转方向判别电路框图5.2.1增量式光电编码器95.2.2绝对式光电编码器（1）绝对式光电编码器的基本结构基本结构绝对式编码器用不同的数码分别指示不同的增量小位置。在旋转码盘上制成8~12个码道，零点固定，输出为矩形波的二进制码。单转绝对式光电编码器的特点测量轴角的范围为0°~360°，不具有多转检测能力，具有时间延迟。图5-6绝对式光电编码器的码盘构造图5-7绝对式光电编码器结构示意图1-缝隙；2-固定缝隙板；3-旋转圆盘10（2）多转绝对式光电编码器基本结构如图5-8所示，由一个单转绝对式光电编码器和一个增量式磁性编码器组成。特点克服了单转绝对式光电编码器存在的问题，适应多转数运动控制系统位置检测的需要。图5-8多转数绝对位置光电编码器的电路结构1-圆盘2-固定缝隙3-光敏二极管4-磁性圆盘5.2.2绝对式光电编码器115.2.3混合式光电编码器

125.2.3混合式光电编码器图5-9混合式光电编码器的结构与输出信号波形a）

交流伺服电动机用光电编码器组成b）

编码器的输出波形a）b）135.3旋转变压器旋转变压器的基本结构旋转变压器是由定子铁心和线圈、转子铁心与线圈以及转子输出变压器所组成。旋转变压器的特点它具有结构坚固耐用等特点，在可靠性要求高的场合，有十分重要的应用。旋转变压器的原理定子铁心上的两相绕组轴线在空间上正交，并以相位差90°正弦和余弦电流进行激励；转子铁心上绕有一个转子绕组，把转子输出变压器的一次线圈接到转子绕组的输出端，取代了传统的集电环和电刷。图5-10旋转变压器结构示意图a）定子b）转子及转子输出变压器145.3旋转变压器

155.3旋转变压器

图5-11旋转变压器定子的励磁信号与输出信号的相位关系165.3旋转变压器

175.3旋转变压器旋转变压器常用电路在使用旋转变压器的情况下，常用一种旋转变压器/数字转换器电路。下面介绍一款由正弦波振荡器AD2S99及旋转变压器/数字转换器AD2S80A组成的位置检测系统。正弦波振荡器AD2S99AD2S99的内部构造如图5-12所示。它将输出的正弦激励信号送入旋转变压器中的一次侧。从旋转变压器的二次侧输出两个正交信号。图5-12AD2S99内部功能框图185.3旋转变压器旋转变压器/数字转换器AD2S80AAD2S80A的内部功能如图5-13所示，A3和A4构成两个积分环节，AD2S80A运行于II型伺服环的跟踪方式。输出将自动跟踪输入，并且速度逐步上升到最大跟踪速度。图5-13AD2S80A内部原理框图及外围电路195.3旋转变压器RDC电路以AD2S99和AD2S80A组成的位置测试系统与DSP的接口示意如图5-14所示。旋转变压器的转子绕组由AD2S99激励，其定子输出分别接到AD2S99和AD2S80A的相关引脚，而AD2S99向AD2S80A提供参考基础信号。图5-14采用RDC的变换电路205.4光栅光栅的原理光栅是利用光的发射、透射和干涉现象制成的一种光电检测装置。光栅的基本结构光栅检测装置由光源、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）和光电元件组成。光栅的分类有物理光栅和计量光栅两大类。按照不同的分类方法，计量光栅可分为直线光栅和圆形光栅，透射光栅和反射光栅，增量式光栅和绝对式光栅等。根据光栅的工作原理，将光栅分为直线式透射光栅和莫尔条纹式光栅两类。图5-15光栅位置检测装置215.4.1直线式透射光栅透射光栅特点在玻璃表面刻上透明和不透明的间隔相等的线纹，称为透射光栅，只能透过单个透明间隔，光强度较弱，脉冲信号不强，往往在光栅线较粗的地方使用。透射光栅原理光电元件把两块光栅移动时的明暗变化，转变为电流的变化。在标尺光栅的移动过程中，光电元件接受的光通量忽大忽小，产生了近似正弦波的电流。图5-16透射直线式光栅原理图a）结构图b）输出波形225.4.2莫尔条纹式光栅莫尔条纹的定义使两片光栅靠近并稍有倾斜，在和光栅垂直的方向上，可以看到非常粗大的条纹，这就叫莫尔条纹。莫尔条纹的性质1）平均效应莫尔条纹对光栅的线纹误差有平均作用；2）光栅移动一个栅距𝒅，莫尔条纹也移动一个栅距𝒅；3）如果两块光栅夹角𝜽很小，则莫尔条纹之间的距离𝑾将远大于光栅的栅距𝒅，莫尔条纹起到了放大作用，方便读数。图5-17莫尔条纹235.4.2莫尔条纹式光栅

（2）光电转换光栅检测系统的光栅转换由光栅读数头来完成。最基本的光栅读数由光源、聚光镜、指示光栅和硅光电池组成。图5-18光栅检测系统的组成245.4.2莫尔条纹式光栅莫尔条纹式光栅的信号输出当两块光栅的刻度重合时，透光最多，光电池输出的电压信号最大；当两块光栅的暗线纹将明线纹遮住，透光近似为0，光电池输出最小；光电池的输出电压波形近似于三角形；在实际应用过程中，两块光栅间必定有间隙，光电池的输出近似为正弦波形和一直流分量的叠加。

255.4.3光栅检测装置

图5-20垂直入射读数头图5-19分光读数头265.4.3光栅检测装置（2）辨向方法辨向的基本结构如图5-21所示，安置两只光电元件，让光线透过它们，分别被两个光电元件接收，两个狭缝S1与S2彼此相距1/4节距。辨向的原理当光栅移动时，从两只光电元件分别得到正弦和余弦的电流波形。由于莫尔条纹通过光电元件的时间不同，两信号将有90°或1/4周期的相位差。而信号的超前与落后取决于光栅的移动方向，从而判别机床运动方向。a)b)图5-21光电元件的安装及其所产生的电流波形a)安装图b)波形图275.4.3光栅检测装置（3）分辨率的提高基本结构一种光栅测量装置的逻辑框图如图5-22所示。为了提高分辨率，线路采用4倍频方法。在一个莫尔条纹节距内，安装4只光电元件（如硅光电池），每相邻两只的距离为1/4节距。图5-22光栅信号4倍频电路285.4.3光栅检测装置信号输出类型光栅输出给数控装置的信号有两种，方波信号和正弦波信号；对方波信号可进行二倍频和四倍频处理，但最高为四倍频；对连续变化的正弦波信号，可采用相位跟踪细分，以进一步提高分辨率。分辨率提高的原理将输出信号与相对相位基准信号相比较，当相位差超过一定门槛时，移相脉冲门输出移相脉冲，同时使相对相位基准信号跟踪测量信号的变化。这样每一移相脉冲相对相位基准移相360°/n，即可实现n倍细分。图5-23光栅信号四倍频波形295.5压阻式加速度传感器（1）压阻式加速度传感器的原理与结构结构压阻式加速度传感器是利用应变电阻作为加速度传感元件。特点在应变电阻不受力时，是对称平衡的，没有信号输出。当应变电阻受力时，其阻值发生变化，有信号输出，其输出信号与受力大小成正比。a）b）图5-24压阻式加速度传感器的集成块截面及芯片电桥a）集成块截面b）芯片电桥1-由电桥组成的悬臂梁2-附加垂块3-制动块4-底座5-芯片6-盖板7-检测端8-引线端30原理压阻式加速度传感器由传感元件及信号调节两部分组成；当加速度传感器承受加速度时，传感元件和附加垂块上移或下降，使电桥臂的电阻变化；信号调节器用来放大传感元件的输出，并校正灵敏度和补偿随温度变化而产生的漂移。图5-25压阻式加速度传感器的简化电路原理315.5压阻式加速度传感器（2）压阻式加速度传感器的性能和参数：1）灵敏度：指单位加速度的输出电压。较典型的产品灵敏度为0.1~50mV/g；2）频率响应：指加速度传感器在规定的加速度极限内工作时，输入加速度交变频率的允许限度。通常频率响应在0~5000Hz范围内；3）精度误差：包括输出电压非线性误差和温度变化误差两种。一般非线性误差±1.0%，温度误差±2.0%；4）电源：通常采用5V电源作为输入电源。规定电源电压不得超过±10%。325.5压阻式加速度传感器（3）压阻式加速度传感器的应用：它的应用可分为用在控制系统中作为反馈检测和用于导航仪器中。系统反馈中的应用系统反馈应用的典型是高速运动的绘图机。永磁感应直线步进电动机x轴或y轴直线驱动的加速度闭环控制中，它可使电动机动子高速平稳精准地带动绘图机工具绘出图形。速度传感器旋转运动不能采用加速度传感器。往往采用速度传感器，经过微分后，取得加速度信号。在取得加速度信号后，对其再次微分，就可以取得加加速度（jerk）信号。335.5压阻式加速度传感器伺服电动机的加速度相当于交轴电流，而因此有

速度传感器原理伺服系统的电力拖动平衡方程式为

345.5压阻式加速度传感器5.6电流传感器电流传感器的原理电流传感器依据的原理是霍尔效应。霍尔效应是指当磁场中的导体流过电流时，与电流垂直的导体的两侧将产生电位差。霍尔电流传感器的基本结构霍尔电流传感器由一次电路、聚磁环、霍尔器件、二次线圈和放大电路等组成。霍尔电流传感器的分类霍尔电流传感器可分为直接检测式电流传感器和磁场平衡式电流传感器两种。355.6电流传感器

图5-26直接检测式霍尔电流传感器原理图365.6电流传感器简易型电流传感器如图5-27所示为电阻+绝缘放大器做成的简易型电流传感器，被检测的电流流过电阻，把电阻上的电压信号通过光电耦合放大器隔离，以达到高压大电流的强电侧与低压小电流的弱电侧隔离以及隔离噪声的目的。图5-27采用线性光电耦合器的直流电流检测器37复习题及思考题38（1）常见的位置和速度传感器有哪些？（2）在使用编码器时需要考虑哪几种基本问题？（3）增量式光电编码器的分辨率和精度是否一样？如不一样，请说明二者的区别。（4）请比较增量式检测方式和绝对式检测方式的优缺点。（5）简述压阻式加速度传感器的性能和参数。第6章交流伺服系统的功率变换电路内容提要6.1功率变换主电路的构成6.2功率变换主电路设计6.3脉宽调制技术交流伺服系统的功率变换电路6.1功率变换主电路的构成功率变换主电路的作用将电网的电能转换为适合驱动交流伺服电动机的电能，有时还要将电动机转子的动能转换为储能回路的直流电能。功率变换主电路的基本结构主电路主要包括：整流电路；滤波电路；逆变电路；缓冲电路；制动电路。图6-1电压型功率变换主电路6.1功率变换主电路的构成

6.2.1整流电路的设计整流电路的分类1）按照组成器件可分为不可控、半控和全控整流电路；2）按电路结构可分为桥式整流电路和零式整流电路；3）按照交流输入相数可分为单相整流电路和多相整流电路。逆变器直流侧与交流侧功率、电压和电流的关系逆变器电路采用SPWM方式控制输出电压时，如果忽略损耗和高次谐波，则逆变器直流侧与交流侧之间的功率，电压之间存在着如下关系：

6.2.1整流电路的设计

6.2.2滤波电路的设计滤波电路的主要构成在电压型逆变器中，滤波元件主要是采用电解电容器。滤波电容器的主要参数滤波电容器的选择主要考虑以下三个因素：电容器的额定电压、滤波电路纹波电压及电容器的额定纹波电流。纹波电流滤波电容器流过的纹波电流主要包括两部分：从工频电源通过整流电路流入的电流和通过逆变器电路输入到电动机中的电流；PWM逆变电路滤波电容器的电流主要取决于电动机电流，其有效值大约为电动机电流有效值的1/2；电容流过纹波电流大小确定以后，根据电解电容器手册中的技术数据，选择外形尺寸大小合适的电容器。6.2.3逆变电路的设计

输入交流电压/V180~220380~440480~575器件额定电压值/V6001000~12001400表6-1输入交流电压和器件额定电压关系6.2.3逆变电路的设计电流额定值的确定器件额定电流值由逆变电路容量与伺服电动机功率之间的关系得到

6.2.3逆变电路的设计（2）正弦波PWM逆变电路开关器件损耗的计算IGBT饱和损耗IGBT的饱和损耗为：

6.2.3逆变电路的设计续流二极管饱和损耗续流二极管的饱和损耗为

其中FWD是指续流二极管。6.2.4缓冲电路的设计缓冲电路的作用缓冲电路又称吸收电路，用于抑制逆变器中因功率器件开关所导致的过电压，减小器件的损耗，确保开关器件安全。功率器件过电压的产生原因功率器件过电压的产生与回路布线的寄生电感的关系密切，因此必须首先优化布线，尽量减小寄生电感。缓冲电路的分类抑制过电压的缓冲电路主要包括与开关元件一对一配置的分体式缓冲电路和在直流母线之间配置的整体式缓冲电路两种。6.2.4缓冲电路的设计（1）分体式缓冲电路分体式缓冲电路的分类分体式缓冲电路主要有RC缓冲电路、放电阻止型RCD缓冲电路和充放电型RCD缓冲电路。图6-2分体式缓冲电路a）RC缓冲电路b）充放电型RCD缓冲电路c）放电阻止型RCD缓冲电路6.2.4缓冲电路的设计

6.2.4缓冲电路的设计

6.2.4缓冲电路的设计

如果缓冲电阻值选择过低，缓冲电路中的电流会发生振荡，IGBT导通时的集电极电流的尖峰值也会增大，因此要满足上式的条件，尽量选用高阻值的电阻。缓冲二极管选择方法1）如果缓冲二极管的反向恢复时间长，则在高频开关动作时缓冲二极管产生的损耗大；2）如果缓冲二级管的反向恢复时间过急，IGBT的C-E间电压会产生振荡。3）因此放电阻止型RCD缓冲电路的缓冲二极管要选择过渡正方向电压减小，反向恢复时间短，具有软恢复特性的二极管。6.2.4缓冲电路的设计充放电型RCD缓冲电路充放电型RCD缓冲电路对关断时的浪涌电压抑制效果好；它与RC缓冲电路不同，由于带有缓冲二极管，缓冲电阻值可以取大，能够避免导通时，集电极电流增大影响IGBT的问题；与放电阻止型RCD缓冲电路相比，由于在缓冲电路上产生的损耗非常大，不适合高频开关电路。充放电型RCD缓冲电路电阻上产生的损耗可以根据下式计算6.2.4缓冲电路的设计（2）整体式缓冲电路整体式缓冲电路的分类整体式缓冲电路主要有C缓冲电路，RCD缓冲电路和组合缓冲电路。图6-3整体式缓冲电路a）C缓冲电路b）RCD缓冲电路c）组合缓冲电路6.2.4缓冲电路的设计C缓冲电路C缓冲电路是最简单的缓冲电路；器件关断时的浪涌电压被电容器C缓冲电路吸收后，在主电路的电感与缓冲电容之间有LC振荡电流，使母线电压产生较大波动；C缓冲电路适用于100A以下的IGBT电路中。RCD缓冲电路特点1）RCD缓冲电路中的充电电流经缓冲二极管流入，放电电流经缓冲电阻流出，因此不会产生像C缓冲电路那样的振荡电流；2）它能够减小母线电压的波动，尤其是在母线配线较长时效果更好；3）适用于200A以下的IGBT电路中。6.2.4缓冲电路的设计电阻阻值选择如果缓冲电阻值选择过低，缓冲电路中的电流会发生振荡，IGBT导通时的集电极电流的尖峰值也会增大，因此，要尽量选用高阻值的电阻。组合式缓冲电路有时为了提高缓冲效果，常将C缓冲电路和RCD缓冲电路组合起来使用。电容容量计算缓冲电容的容量可以根据下式计算电阻阻值计算缓冲电阻阻值可根据下式计算6.2.5制动电路的设计

6.2.5制动电路的设计（2）制动电阻阻值计算制动电阻最大阻值在附加制动电阻进行制动的情况下，电动机内部的有功损耗部分折合成制动转矩，大约为电动机额定转矩的20%。考虑到这一点，可用下式计算制动电阻的阻值：

6.2.5制动电路的设计

6.3脉宽调制技术PWM的定义PWM控制技术，即脉宽调制技术，是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲列的宽度或周期达到变压、变频目的一种控制技术。PWM的分类常用的PWM控制技术方法有电压型正弦脉冲宽度调制（SPWM），电流跟踪型PWM控制和电压空间矢量PWM等控制方法。PWM控制功率变换系统的优点1）主电路的拓扑结构简单，需要的功率器件少；2）开关频率高，输出电流容易连续，谐波含量少，电机损耗及转矩波动小；3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；4）动态响应快，抗干扰能力强；5）导通耗损小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而系统效率较高。6.3.1SPWM技术（1）SPWM控制原理SPWM的定义将正弦半波形划成N等份，每一