1、電氣傳動(dòng)數(shù)字控制系統(tǒng),第二章 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)量的檢測(cè),第二章 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)量的檢測(cè),2.1 位移檢測(cè) 光柵位置檢測(cè)傳感器 2.2 角度（角位移）檢測(cè) 絕對(duì)式光電編碼盤 2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè) 增量式光電編碼盤 直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 2.4 電流和電壓檢測(cè) 霍爾電流傳感器 霍爾電壓傳感器,在電動(dòng)機(jī)控制中，控制系統(tǒng)可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩類。開環(huán)控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，能夠滿足一般的控制要求；閉環(huán)控制系統(tǒng)則用于有精度要求的控制。在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，這些精度要求包括：電動(dòng)機(jī)本身的運(yùn)動(dòng)精度要求，如角度和轉(zhuǎn)速；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度要求，如線位移和角位移。要實(shí)現(xiàn)對(duì)這些物理量的精確控制，就必須通過高精度的檢測(cè)傳感器對(duì)這

2、些物理量進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)的結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，反饋給單片機(jī)，通過單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理的結(jié)果作為控制量對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。所以，檢測(cè)傳感器加上反饋環(huán)節(jié)是開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別，是電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的重要組成部分。 本章將介紹在電動(dòng)機(jī)控制中常用的位移、角度、轉(zhuǎn)速、電壓、電流檢測(cè)傳感器的工作原理及應(yīng)用。,前言,2.1 位移檢測(cè),光柵是一種在基體上刻制有等間距的均勻分布條紋的光學(xué)元件。光柵技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn) 100多年了，隨著光柵的刻制技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，光柵莫爾條紋細(xì)分技術(shù)的不斷改進(jìn)，以及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的巨大進(jìn)步，光柵技術(shù)在近二三十年得到了快速發(fā)展。利用光柵進(jìn)行位

3、移測(cè)量，應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制中，已經(jīng)是相當(dāng)普遍的事了。,光柵傳感器的分類,光柵傳感器可分為透射式光柵和反射式光柵兩種。圖2-1是透射式光柵傳感器的結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是光敏元件和光源分別位于光柵副的兩側(cè)，光柵是由透光材料(如玻璃)制成的。圖2-2是反射式光柵傳感器的結(jié)構(gòu)，光敏元件和光源位于光柵副的一側(cè)，光柵是由不透光材料(如金屬)制成的。,光柵位移檢測(cè)傳感器,光柵位移傳感器的組成,光 柵 光柵的表面刻有規(guī)則排列和形狀的刻線，這些刻線可以是透光的(透射式)或不透光的(反射式)。常用的光柵傳感器的刻線多屬于黑白型的，如下圖所示。這種刻線(或稱柵線)的白色寬度為a，黑色寬度為b，通常情況下ab。

4、圖中的Wa+b，稱為光柵柵距，或稱為光柵常數(shù)。,光柵位移檢測(cè)傳感器,光柵傳感器系統(tǒng)由光柵、光柵光學(xué)系統(tǒng)、光電接收系統(tǒng)組成。,黑白型光柵,光柵位移傳感器的組成,光柵光學(xué)系統(tǒng) 光柵光學(xué)系統(tǒng)可分成光源系統(tǒng)和光柵副兩部分，其作用是形成莫爾條紋。光柵光學(xué)系統(tǒng)的原理圖如圖所示。,光柵位移檢測(cè)傳感器,光柵位移傳感器的組成,光電接收系統(tǒng) 光電接收系統(tǒng)由光敏元件組成，它將莫爾條紋的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光敏元件一般選用光敏三極管。,光柵位移檢測(cè)傳感器,光柵位移傳感器的工作原理,將標(biāo)尺光柵和指示光柵重疊在一起，并使它們的刻線之間形成一個(gè)很小的交角，如圖(a)所示。由于遮光效應(yīng)，在黑色光柵相交處，刻線聚集較密，形成

5、暗帶；其他地方，刻線較稀，形成亮帶。這種在光柵垂直方向上出現(xiàn)的明暗相間的條紋就稱為莫爾(Moire)條紋。兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋間距，用B來表示。,光柵位移檢測(cè)傳感器,兩光柵刻線交角越小，莫爾條紋間距B越大。,莫爾條紋演示,莫爾條紋與兩光柵刻線間的夾角的平分線近似垂直當(dāng)標(biāo)尺光柵和指示光柵的交角保持不變而相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著刻線方向移動(dòng)。光柵移動(dòng)了W2柵距時(shí)，莫爾條紋由亮條紋變?yōu)榘禇l紋(或由暗條紋變?yōu)榱翖l紋)；光柵再移動(dòng)W/2柵距時(shí)，莫爾條紋則由暗條紋變回亮條紋(或由亮條紋變回暗條紋)。因此，光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋也移動(dòng)一個(gè)間距B，同時(shí)，在指示光柵上的光敏元件接收到一次光脈

6、沖的照射，并相應(yīng)輸出一個(gè)電脈沖。 通過電脈沖計(jì)數(shù)。就可以測(cè)量標(biāo)尺光柵移動(dòng)的位移X,即 X=iW 式中：i光電脈沖個(gè)數(shù)； W光柵柵距。,光柵位移傳感器的工作原理,光柵位移檢測(cè)傳感器,可見，只要保持光柵刻線交角足夠小，就能獲得足夠大的、放大了的莫爾條紋間距目，來測(cè)量標(biāo)尺光柵的位置，比讀光柵刻線要方便得多。,光柵位移傳感器的工作原理,光柵位移檢測(cè)傳感器,實(shí)際上，莫爾條紋從亮條紋到暗條紋，以及從暗條紋到亮條紋的變化不是階躍性的，而是逐漸過渡的。下圖給出了移動(dòng)的標(biāo)尺光柵相對(duì)不動(dòng)的指示光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，光敏元件接收的光照強(qiáng)度也經(jīng)歷了一個(gè)周期的變化，即由暗弱半亮亮半亮弱暗變化一次；如果光柵再相對(duì)移動(dòng)一個(gè)

7、柵距，則光強(qiáng)度再周期性地變化一次。,光柵位移傳感器的工作原理,光柵位移檢測(cè)傳感器,光柵位移傳感器的工作原理,光柵位移檢測(cè)傳感器,光強(qiáng)度的周期變化使光敏元件的輸出也同步周期性變化，其輸出波形近似于正弦波形，可表示如下： 式中 輸出信號(hào)的直流分量 交流信號(hào)的幅值。,右圖表示了光敏元件的輸出隨光柵光強(qiáng)度變化而變化的規(guī)律。光強(qiáng)度變化一次所需的時(shí)間(周期)與光柵位移一個(gè)柵距所需的時(shí)間是相同的。,舉例：,光柵位移檢測(cè)傳感器,有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，標(biāo)尺光柵與指示光柵的夾角 =0.1，求莫爾條紋的寬度B是多少？若光電元件檢測(cè)到脈沖個(gè)數(shù)i為500個(gè)，那么標(biāo)尺光柵移動(dòng)的距離是多少X？ 分析： （1）柵

8、距W =1mm/50=0.02mm=20m (分辨率) （由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化） B=W/ = 0.02mm/（0.1 */180 ） = 0.02mm/0.00174 = 11.46mm （可以通過目測(cè)觀察到莫爾條紋光強(qiáng)的變化。因此，光敏元件可以直接布置在莫爾條紋寬度范圍內(nèi)。） （2） X=iW=500*0.02mm=10mm=1cm 莫爾條紋寬度為11.46mm，標(biāo)尺光柵移動(dòng)的距離為1cm。,辨向原理及電路,光柵位移檢測(cè)傳感器,以上介紹了用光柵測(cè)量位移的原理，但位移除了有大小的屬性外，還有一個(gè)屬性，這就是位移的方向。為了辨別標(biāo)尺光柵位移的方向，僅靠一個(gè)光敏元件輸出一個(gè)信號(hào)是

9、不行的，必須有2個(gè)以上的信號(hào)根據(jù)它們的相位不同來判斷位移方向。因此，在指示光柵上安裝2個(gè)光敏元件Ta、Tb，安裝位置如圖所示，2個(gè)光敏元件相距B4，這樣，它們的輸出ua、ub相位相差90。,辨向光敏元件位置圖,辨向原理及電路,光柵位移檢測(cè)傳感器,2個(gè)光敏元件的輸出經(jīng)過整形后送入辨向電路，辨向電路是一個(gè)邏輯電路，如圖（a）所示。 用作為2個(gè)與門的控制信號(hào)， 信號(hào)分成2路：一路經(jīng)微分電路后送與門Yl，另一路反相后再微分送與門Y2。由圖 （b）波形圖可見，莫爾條紋下移時(shí)， 的微分脈沖出現(xiàn)在 的高電平區(qū)間，與門Yl有脈沖輸出，它表示了莫爾條紋下移；莫爾條紋上移時(shí)， 微分脈沖出現(xiàn)在 的高電平區(qū)間，與門Y

10、2有脈沖輸出，它表示了莫爾條紋上移。由此可以辨別光柵的移動(dòng)方向。,光柵細(xì)分技術(shù),當(dāng)要求高分辨率、高精度的光柵傳感器時(shí)，受刻線技術(shù)的影響，不可能僅靠提高刻線密度來實(shí)現(xiàn)，這就需要采用莫爾條紋細(xì)分技術(shù)。莫爾條紋細(xì)分有多種方法，這里只介紹光學(xué)細(xì)分法和電子細(xì)分法這兩種常用方法。 1莫爾條紋光學(xué)細(xì)分法 在莫爾條紋光學(xué)細(xì)分法中，最突出的是光柵倍增細(xì)分法。這種方法采用密光柵作為指示光柵，稀光柵作為標(biāo)尺光柵，稀光柵的柵距是密光柵柵距的整數(shù)倍，稱其為放大因子 ， 可由下式表示，即,式中， 稀光柵柵距 ； 密光柵柵距。,光柵細(xì)分技術(shù),當(dāng) 值不同時(shí)，莫爾條紋的數(shù)目也不同，莫爾條紋隨 值變化的情況如圖所示。由圖可見，隨

11、著 值的增大，莫爾條紋變密了。當(dāng)標(biāo)尺光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 ，時(shí)，莫爾條紋變化了 次，相當(dāng)于放大了 倍。可見 越大，系統(tǒng)的靈敏度越高。由于密光柵刻在指示光柵上，量程小，因而加工、刻制相對(duì)容易些。,放大因子 不同時(shí)莫爾條紋的變化,光柵細(xì)分技術(shù),2.莫爾條紋電子細(xì)分法 電子細(xì)分法是在一個(gè)周期的信號(hào)內(nèi)插入若干個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，所以也稱為倍頻。細(xì)分的倍數(shù)可以做到幾倍，甚至幾百倍。最簡(jiǎn)單和最常用的細(xì)分倍數(shù)是4倍。這就需要在如圖的一個(gè)莫爾條紋間距B內(nèi)，每隔B/4安放一個(gè)光敏元件，共4個(gè)光敏元件，使他們的輸出相位依次相差90。,光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn),（1）輸出數(shù)字信號(hào)。 光柵傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，這使它易于與數(shù)字電路特別

12、是單片機(jī)接口。 （2）高精度。 由于精密的光刻技術(shù)和電子細(xì)分技術(shù)，以及莫爾條紋所具有的對(duì)局部誤差的消除作用，光柵傳感器可以得到很高的測(cè)量精度。在大量程方面，光柵傳感器的測(cè)量精度僅次于激光測(cè)量，而成本卻低得多。目前，用于長(zhǎng)度測(cè)量的光柵精度可達(dá)0.5m/m， 計(jì)數(shù)速度為200 mms。幾種常用的光柵傳感器精度如下表所列。,光柵位移檢測(cè)傳感器,各種光柵傳感器的精度,光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn),光柵位移檢測(cè)傳感器,（3）大量程、高分辨率。 一般的傳感器很難在大量程和高分辨率兩個(gè)方面同時(shí)兼顧。 （4）較強(qiáng)的抗干擾能力。 數(shù)字信號(hào)輸出一般都比模擬信號(hào)輸出具有更高的抗干擾能力。 （5）信號(hào)處理電路簡(jiǎn)單、可靠。 對(duì)于光

13、柵的輸出信號(hào)，用數(shù)字電路進(jìn)行整形、細(xì)分、辨向處理，特別是對(duì)于普通分辨率和普通精度的光柵傳感器，一般都將信號(hào)處理電路和光柵部件組裝在一起，體積小，應(yīng)用方便。傳感器的輸出接口電路都有驅(qū)動(dòng)器，因此有帶負(fù)載能力和長(zhǎng)距離傳輸能力。 （6）慣量小。 光柵傳感器體積小，質(zhì)量輕，對(duì)組成系統(tǒng)的慣量和動(dòng)態(tài)特性影響小。,光柵位移檢測(cè)傳感器,光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn),光柵傳感器的缺點(diǎn),（1）對(duì)環(huán)境條件敏感。 由于光柵傳感器的光柵片一般是用玻璃制作的，而且移動(dòng)光柵片與固定光柵片之間的間隙很小，因此對(duì)環(huán)境如濕度、溫度、振動(dòng)、沖擊等較為敏感。環(huán)境 的變化會(huì)影響光柵傳感器的性能和可靠性。 （2）一般的光柵傳感器是增量式的，信號(hào)的輸出

14、是串行的。 信號(hào)的讀取電路復(fù)雜，速度提高受限。,光柵位移檢測(cè)傳感器,光柵傳感器的應(yīng)用,安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況,防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵,光柵掃描頭,被加工工件,切削刀具,角編碼器安裝在夾具的端部,增量編碼器 在增量式測(cè)量中，移動(dòng)部件每移動(dòng)一個(gè)基本長(zhǎng)度單位，位置傳感器便發(fā)出一個(gè)測(cè)量信號(hào)，此信號(hào)通常是脈沖形式。這樣，一個(gè)脈沖所代表的基本長(zhǎng)度單位就是分辨率，對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，便可得到位移量。（角位移、速度測(cè)量）,絕對(duì)編碼器 在絕對(duì)式測(cè)量中，每一被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的編碼，常以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式來表示。絕對(duì)式測(cè)量即使斷電之后再重新上電，也能讀出當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)。（角位移測(cè)量）,光電式編碼器在角位移測(cè)量方面應(yīng)用廣

15、泛，具有高精度、高分辨率、高可靠性的特點(diǎn)。光電式編碼器從結(jié)構(gòu)上可分為絕對(duì)式和增量式兩種。,2.2 角度（角位移）檢測(cè),絕對(duì)編碼器,絕對(duì)式編碼盤由編碼盤和光電檢測(cè)裝置組成。在一塊圓形光學(xué)玻璃上刻出透光和不透光的編碼。4位二進(jìn)制絕對(duì)式光電編碼盤工作原理如圖。其中白的部分表示透光，黑的部分表示不透光。當(dāng)光源通過透光部分并為光電接收器接受時(shí)表示“0”信息，反之表示“1”信息。,絕對(duì)式光碼盤工作原理,2.2 角度（角位移）檢測(cè),圖中，一個(gè)圓環(huán)稱為一個(gè)碼道，對(duì)應(yīng)于數(shù)碼的1位，外環(huán)為最低位，里環(huán)為最高位根據(jù)碼道數(shù)N ，按2N 對(duì)圓周分度。因此，編碼盤的角度分辨率為：,2.2 角度（角位移）檢測(cè),絕對(duì)編碼器,

16、碼道數(shù) N 越大，分辨率 越小，編碼盤對(duì)角度變化的分辨能力越強(qiáng)，測(cè)量也越精確。,絕對(duì)式編碼器,10碼道絕對(duì)式光電碼盤,絕對(duì)式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼，可直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式有接觸式、光電式等形式。,透光區(qū),不透光區(qū),零位標(biāo)志,2.2 角度（角位移）檢測(cè),絕對(duì)（接觸）式編碼器演示,4個(gè)電刷,4位二進(jìn)制碼盤,+5V輸入 公共碼道,最小分辨角度為 =360/2n,2.2 角度（角位移）檢測(cè),四碼道編碼盤軸角與二進(jìn)制數(shù)碼對(duì)照表,2.2 角度（角位移）檢測(cè),旋轉(zhuǎn)刀庫,被加工工件,刀具,角編碼器的輸出為當(dāng)前刀具號(hào),角編碼器與旋轉(zhuǎn)刀庫連接,2.2 角度（角位移）檢測(cè),編

17、碼器在數(shù)控加工中心的刀庫選刀控制中的應(yīng)用,增量式編碼器,2.2 角度（角位移）檢測(cè),增量式光電編碼盤是在一個(gè)，有內(nèi)向外分別為A、B、C，如圖(a)。在A、B碼道的碼盤上，等距離地開有透光的縫隙，2條碼道上相鄰的縫隙互相錯(cuò)開半個(gè)縫寬，展開圖如圖(b)。第三條碼道C只開了一個(gè)縫隙，用來表示碼盤的零位。,在碼盤的兩側(cè)分別安裝光源和光敏元件，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)光源通過透光和不透光的區(qū)域，相應(yīng)地，每條碼道將有一系列脈沖從光敏元件輸出。 碼道上有多上個(gè)縫隙，就會(huì)有多少個(gè)脈沖輸出。將這些信號(hào)整形后，輸出的脈沖信號(hào)如圖（c所示） 。,增量式編碼器,2.2 角度（角位移）檢測(cè),辨向信號(hào)和零標(biāo)志,光電編碼器的碼盤上有A

18、組與B組兩組狹縫，彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對(duì)應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)A、B彼此相差90相位，用于辯向。當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)超前B信號(hào)90；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時(shí)，B信號(hào)超前A信號(hào)90。,在碼盤上，還有一個(gè)狹縫C，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖信號(hào)又稱“一轉(zhuǎn)信號(hào)”或零標(biāo)志脈沖，作為測(cè)量的起始基準(zhǔn)。,增量式編碼器,2.2 角度（角位移）檢測(cè),編碼器方向的辨別,D觸發(fā)器,2.2 角度（角位移）檢測(cè),B,A,B,A,B,A,編碼器方向的辨別,2.2 角度（角位移）檢測(cè),編碼盤方向的辨別可以采用上圖所示的電路實(shí)現(xiàn)。 經(jīng)過放大整形后的A、B兩相脈沖分別輸入到D觸發(fā)器的D端和CP端，如圖（a）。因此，D觸發(fā)器的CP

19、端在A脈沖的上升沿觸發(fā)。由于A、B脈沖相位差90，當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)，B脈沖超前A脈沖90，觸發(fā)器總是在B脈沖處于高脈沖時(shí)觸發(fā)，如圖（b），這時(shí)Q=1，表示正轉(zhuǎn)；當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)，A脈沖超前B脈沖90，觸發(fā)器總是在B處于低電平是觸發(fā)，這時(shí)Q=0，表示反轉(zhuǎn)。 A、B脈沖的另一路經(jīng)與門后，輸出計(jì)數(shù)脈沖。這樣，用Q或Q控制可逆計(jì)數(shù)器是加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)，就可以使可逆計(jì)數(shù)器對(duì)計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 C相脈沖接到計(jì)數(shù)器的復(fù)位端，實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器。這樣，無論是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)值每次反應(yīng)的都是相對(duì)與上次角度的增量，形成增量編碼。,2.3轉(zhuǎn)速檢測(cè),在電氣傳動(dòng)速度控制的調(diào)速系統(tǒng)中，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速反饋控制。用于

20、檢測(cè)轉(zhuǎn)速的傳感器可分為兩類： 一類是輸出為脈沖量的傳感器，一般稱為增量式脈沖發(fā)生器（增量式光電編碼器），包括光電式脈沖發(fā)生器、磁電式脈沖發(fā)生器、圓光柵傳感器、旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器等 另一類是輸出為模擬電壓量的模擬式傳感器，即傳統(tǒng)的測(cè)速發(fā)電機(jī)。,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-光電編碼器測(cè)速,增量式編碼器除了能直接測(cè)量角位移或間接測(cè)量直線位移外，常用于數(shù)字測(cè)速、工位編碼、伺服電機(jī)控制等。,M法測(cè)速,脈沖頻率法測(cè)速-M法測(cè)速,M法測(cè)速（適合于高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）,T,編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生 N 個(gè)脈沖，在T 時(shí)間段內(nèi)有 m1 個(gè)脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為 ：n = 60m1/（NT） 由于M法在低速時(shí)的相對(duì)分辨率和檢測(cè)精度都

21、較差，適合較高轉(zhuǎn)速的測(cè)量。,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-光電編碼器測(cè)速,M法測(cè)速（脈沖頻率法測(cè)速）,例題,T,有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r， 在5s時(shí)間內(nèi)測(cè)得65536個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速（r/min)為 ： n = 60m1/（TN） n = 60 65536 /（1024 5） r/min = 768 r/min,編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生 N 個(gè)脈沖，在T 時(shí)間段內(nèi)有 m1 個(gè)脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為 ：n = 60m1/（NT）,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-光電編碼器測(cè)速,T法測(cè)速,脈沖周期法測(cè)速-T法測(cè)速,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-光電編碼器測(cè)速,T法測(cè)速（適合于低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）,時(shí)鐘脈沖fc,編碼器輸出脈沖

22、,m2,編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生 N 個(gè)脈沖，用已知頻率fc作為時(shí)鐘，填充到編碼器輸出的兩個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為m2 ，則轉(zhuǎn)速(r/min)為 n = 60fc / （Nm2 ） T法在高速時(shí)的相對(duì)分辨率和檢測(cè)精度都較差，適合較低轉(zhuǎn)速的測(cè)量。,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-光電編碼器測(cè)速,T法測(cè)速（脈沖周期法測(cè)速）,時(shí)鐘脈沖fc,編碼器輸出脈沖,m2,n = 60fc /（Nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000） =19.53 r/min,有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，測(cè)得兩個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為3000，時(shí)鐘頻率fc為1MHz ，則轉(zhuǎn)速（r/min)為 ：,編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生

23、N 個(gè)脈沖，用已知頻率fc作為時(shí)鐘，填充到編碼器輸出的兩 個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為m2 ，則轉(zhuǎn)速(r/min)為 n = 60fc / （Nm2 ）,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-光電編碼器測(cè)速,T法測(cè)速（脈沖周期法測(cè)速）,編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用,利用編碼器測(cè)量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，并通過伺服控制系統(tǒng)控制其各種運(yùn)行參數(shù)。,轉(zhuǎn)速測(cè)量 轉(zhuǎn)子磁極位置測(cè)量 角位移測(cè)量,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-光電編碼器測(cè)速,用測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速是長(zhǎng)期以來一直使用的簡(jiǎn)便方法。在原理上，交流測(cè)速發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)的頻率和電壓與轉(zhuǎn)速成正比，使用時(shí)需要整流、濾波，因而不能反映旋轉(zhuǎn)方向；直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓和轉(zhuǎn)速成正比，電壓的極性能反映旋轉(zhuǎn)方

24、向。它們的輸出信號(hào)都是模擬電壓，屬模擬式傳感器，其原理電路及特性見下圖。圖中，K為測(cè)速發(fā)電機(jī)的電壓常數(shù)。測(cè)速發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜、采用永磁勵(lì)磁結(jié)構(gòu)不需附加電源，但其輸出電壓存在脈動(dòng)、死區(qū)、對(duì)稱性和線性度誤差以及受溫度影響等問題，測(cè)量精度不高，因而多用在對(duì)控制精度要求不高的傳動(dòng)系統(tǒng)中。,測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)轉(zhuǎn)速,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè),測(cè)速發(fā)電機(jī)的原理電路及特性 a)直流 b)交流,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速,為實(shí)現(xiàn)微機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，需對(duì)測(cè)速機(jī)輸出的模擬電壓Ua進(jìn)行變換，下圖為采用直流測(cè)速機(jī)的變換電路。圖中，電位器RP1用來改變前置放大器A1的輸出電壓，經(jīng)A2與二極管組成的絕對(duì)值放大器獲得標(biāo)準(zhǔn)模擬

25、電壓Ud，電壓比較器C作為電壓Ua的極性鑒別器，其輸出UD的高低電平用作被測(cè)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向的判向信號(hào)。,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速,測(cè)速機(jī)輸出電壓變換電路,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速,上圖中模擬電壓的Ud 要能被微機(jī)檢測(cè)可采用兩種轉(zhuǎn)換器，其一是電壓頻率變換器（VFC),其二是模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器。分述如下：,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速,測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓頻率變換器（VFC)測(cè)速,電壓頻率變換器(VFC)是一種把模擬輸入電壓變換成脈沖信號(hào)輸出的變換器，其輸出脈沖的頻率f正比于輸入電壓Ud。VFC的傳輸特性如下： 其輸出脈沖的頻率f正比于輸入電壓Ud，正比于測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n,2

26、.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速,測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓頻率變換器（VFC)測(cè)速,經(jīng)光電耦合器送微機(jī)接口的 VFC的輸出脈沖電路,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速,測(cè)速發(fā)電機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)速,大規(guī)模集成AD轉(zhuǎn)換器易于與微機(jī)相接，是微機(jī)檢測(cè)模擬量時(shí)普遍使用的接口芯片。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前已生產(chǎn)出各式各樣的AD轉(zhuǎn)換器。下面簡(jiǎn)要介紹AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)及用于轉(zhuǎn)速檢測(cè)的有關(guān)問題。,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速,由微機(jī)利用測(cè)速機(jī)、模擬電壓變換電路及A/D轉(zhuǎn)換接口芯片組成的測(cè)速裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)時(shí)，原理如圖。,測(cè)速發(fā)電機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)速,2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)-測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速,2.4電流和電壓的檢測(cè),（一

27、）電流的檢測(cè) 如果電流比較小，可以在待測(cè)電路上串入一個(gè)小電阻，用小電阻上的電壓降反應(yīng)電流的大小。此電壓降可通過運(yùn)算放大器放大后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、輸入微機(jī)。 如果電流比較大，或要求有電隔離，則可以采用磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器，霍爾元件的工作原理如下：,霍爾元件的工作原理,半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流 I 流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E H(VH)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。,作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH（電壓VH）可用下式表示： EH=K IB,2020/8/4,58,霍爾效應(yīng)演示,當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。,c,d,a,b,磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器,2.4電流和電壓的檢測(cè),磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器,磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器,上圖中有一個(gè)用軟磁材料制成的帶有縫隙的聚磁環(huán)，縫隙中放了一片霍爾元件?；魻栐型ㄟ^一個(gè)固定的電流Ic。聚磁環(huán)中穿過一根導(dǎo)線，其中流過待測(cè)電流Ip。 Ip在聚磁環(huán)及其縫隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hp，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。于是霍爾元件產(chǎn)生霍爾電流差VH。