机电传动系统中的传感器

1、机电传动系统中的传感器本章主要内容本章主要内容 7.1 7.1 检测传感器的概念、作用以及基本要求检测传感器的概念、作用以及基本要求7.2 7.2 速度传感器速度传感器 7.3 7.3 线位移传感器线位移传感器 7.4 7.4 角位移传感器角位移传感器 7.1 7.1 检测传感器的概念与作用检测传感器的概念与作用从外界获得信息，并从中提取有用信息的过程称为检测。 机电传动控制系统对检测系统的基本要求机电传动控制系统对检测系统的基本要求 n精度、灵敏度、分辨率高；n线性、稳定性和重复性好；n抗干扰能力强；n静、动态特性好。n此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修，耐环境性能好等。7.

2、2 7.2 速度传感器速度传感器 7.2.1 7.2.1 测速发动机测速发动机7.2.2 7.2.2 增量式光电编码器增量式光电编码器转子静止时转子静止时转子转动时转子转动时输出特性的线性度输出特性的线性度空载时空载时励磁电压因此因此=(52/3000)(1500)/1+(80/5000)=26/1.016=25.5V7.2.2 7.2.2 增量式光电编码器增量式光电编码器 脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角

3、位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。对式的代码形式。 根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3 3种。种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。式两种。增量增量式光电编码器的结构和工作原理式光电编码器的结构和工作原理设输出信号的频率为设输出信号的频率为f f，则转速，则转速n n为为增量式光电编码器的结构和工作原理增量式光电编码

4、器的内部结构 规格规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；现在市场上提供的规格从现在市场上提供的规格从 3636线线/ / 转转 到到 1010万线万线 / /转转 都有；都有；选择：选择：伺服系统要求的分辨率；伺服系统要求的分辨率； 考虑机械传动系统的参数。考虑机械传动系统的参数。 分辨率（分辨角）分辨率（分辨角） 设增量式码盘的规格为设增量式码盘的规格为 n n 线线/ /转：转：q 增量式码盘的规格及分辨率7.3 7.3 线位移传感器线位移传感器 7.3.1 7.3.1 差动变压器差动变压器7.3.2 7.3.2 感应同步器感应同步

5、器7.3.1 7.3.1 差动变压器差动变压器基本工作原理：基本工作原理：在一次线圈中通在一次线圈中通50HZ10HZ50HZ10HZ的交流电，则在二次线圈就可检测到同频率的交流电的交流电，则在二次线圈就可检测到同频率的交流电压。铁芯的移动会使一、二次线圈的耦合情况发生变化，通过检测二次线圈的输出压。铁芯的移动会使一、二次线圈的耦合情况发生变化，通过检测二次线圈的输出电压变化情况就可以计算出铁芯的移动位移。电压变化情况就可以计算出铁芯的移动位移。7.3.1 7.3.1 差动变压器差动变压器两个二次线圈的绕组反极性相连，则其输出电压两个二次线圈的绕组反极性相连，则其输出电压u0为两个电动势之为两

6、个电动势之差，即差，即u0=e1-e2n若将两个二次线圈的绕组反极性相连，作为输出绕组，如图所示，则其输出电压若将两个二次线圈的绕组反极性相连，作为输出绕组，如图所示，则其输出电压u u0 0为两个为两个电动势之差，即电动势之差，即u u0 0=e=e1 1-e-e2 2，当铁芯在中央，则，当铁芯在中央，则e e1 1=e=e2 2，当铁芯向某一个方向有位移时，当铁芯向某一个方向有位移时，u u0 0就不再为就不再为0 0，而且，而且u u0 0的大小与位移量的大小与位移量x x成正比，成正比，u u0 0的极性反应了位移的方向。的极性反应了位移的方向。7.3.1 7.3.1 差动变压器差动变

7、压器7.3.27.3.2感应同步器感应同步器 sin cos 节距2（2mm） 节距（0.5mm） 绝缘粘胶 铜箔 铝箔 耐切削液涂层 基板(钢、铜)定尺定尺滑尺滑尺定尺为连续绕组，滑尺为分段绕组或正余弦绕组3 3 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理. . 感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。的检测。 感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。感应同步

8、器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。7.3.2 7.3.2 感应同步器感应同步器4 4 感应同步器的信号处理原理感应同步器的信号处理原理滑尺余旋绕组上加激磁电压滑尺余旋绕组上加激磁电压U Us s后，与之相耦合的定尺绕组上的感后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：应电压为： U Uosos=KU=KUS Scoscos1 1滑尺正旋绕组上加激磁电压滑尺正旋绕组上加激磁电压U Uc c后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：为： U Uococ=K U=K Uc csinsin1 17.3.2 7.3.2 感应同步器感应同步器n滑尺正、余旋绕组

9、上同时加激磁电压滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压U Us s、 U Uc c时，感应同步器的磁路可时，感应同步器的磁路可视为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺视为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺 绕组上的总感绕组上的总感应电压为：应电压为：n U Uo o =U=Uosos+ U+ Uosos=KU=KUS Scoscos1 1+K U+K Uc csinsin1 1n K K 电磁感应系数电磁感应系数n 1 1 定尺绕组上的感应电压的相位角定尺绕组上的感应电压的相位角7.3.2 7.3.2 感应同步器感应同步器n 滑尺与定尺滑尺与定尺 相对位移量相对位移量 x x 的求取：的求

10、取： 2: 2= x : 2: 2= x : 1 1 1 1 = x = x （ 2-2-为节距为节距）n结论：相对位移量结论：相对位移量 x x 与与 相位角相位角1 1 呈线性关系，只要能测出相位呈线性关系，只要能测出相位角角1 1 ，就可求得位移量就可求得位移量 x x 。根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电方式的不同可构成不同检测系统-鉴相型系统和鉴幅型系统。7.3.2 7.3.2 感应同步器感应同步器5 5 鉴相型系统的工作原理鉴相型系统的工作原理 在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为 /2/2的交的交变电压：

11、变电压： U US S = U = Um m sint Usint UC C = U = Um m costcost 则：则： U Uo o =U=Uosos+ U+ Uococ=KU=KUS Scoscos1 1+K U+K Uc csinsin1 1 = K U = K Um m sint cossint cos1 1+K U+K Um m costcost sinsin1 1 = K U= K Um m sinsin（t +t +1 1） = K U= K Um m sinsin（t + t + x x ） 结论：只要能测出结论：只要能测出U Uo o与与U US S相位差相位差x x

12、，就可求得滑尺与定尺相对位移量就可求得滑尺与定尺相对位移量 x x 。7.3.2 7.3.2 感应同步器感应同步器6. 6. 鉴幅型系统的工作原理鉴幅型系统的工作原理 在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压：在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压： U US S = U = Um m sinsin2 2sint Usint UC C = U = Um m coscos2 2sintsint 2 2= x = x 2 2 （ x x 2 2是指令位移值）是指令位移值） U Uo o = U= Uosos+ U+ Uosos=KU=KUS Scoscos

13、1 1+K U+K Uc csinsin1 1 = K U = K Um m sinsin2 2 cos cos1 1sint +K Usint +K Um m coscos2 2sintsinsintsin1 1 = K U = K Um m sinsin（2 21 1）sint = sint = K UK Um m sinsin（2 2x x ）sintsint 结论：只要能测出的幅值结论：只要能测出的幅值K UK Um m sinsin（2 2x x ） ，就可求得滑尺与定尺就可求得滑尺与定尺 相对位移量相对位移量 x x 。7.3.2 7.3.2 感应同步器感应同步器7 7 感应同步器

14、的特点感应同步器的特点q精度高：平均自补偿特性；精度高：平均自补偿特性；q对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；q维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好。维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好。7.3.2 7.3.2 感应同步器感应同步器8 8 几点说明几点说明n感应同步器的测量周期为其绕组的节距感应同步器的测量周期为其绕组的节距22（2mm2mm）n感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。n 现在商品化的感应同步器的输出大多

15、是脉冲量，使其能方便地现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便地采用现代的数字处理技术采用现代的数字处理技术7.3.2 7.3.2 感应同步器感应同步器7.4 7.4 角位移传感器角位移传感器 7.4.1 7.4.1 伺服电位器伺服电位器7.4.2 7.4.2 旋转变压器旋转变压器7.4.37.4.3绝对式光电编码器绝对式光电编码器7.4.1 7.4.1 可变电位器可变电位器 1 1 旋转变压器的结构旋转变压器的结构7.4.2 7.4.2 旋转变压器旋转变压器吉林项目设计图n旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。n按结构分类：有电刷、集电环结构和无刷结构；

16、按极对数分类：单对极元件、多对极元件（或称多极元件）；n工作原理：电磁感应定子定子转子转子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R47.4.2 7.4.2 旋转变压器旋转变压器 E2= KV 1 cos = KV m sintcos =90E2 = 0；=0E2 = KV m Sintn式中: E 2转子绕组感应电势； V1定子绕组励磁电压 V1=Vmsint；nVm电压信号幅值； 为定子、转子绕组轴线间夹角； K变压比 （即绕组匝数比）V1=VmsintV1V1E 2=0(= 90) E 2=KVmSintcos E 2= KVmsint（= 0） 当定子绕组上加一个正弦电压V1时，转

17、子绕组上感应出一定的输出电压V2而且输出电压的变化随转子相对于定子的位置而变化。7.4.2 7.4.2 旋转变压器旋转变压器 V Vs s=V=Vmmsint Vsint Vc c=V=Vmmcost cost E E2 2= KV= KV s s cos- KV cos- KV c csinsin = KV = KV mm (sintcos- costsin) (sintcos- costsin) = KV = KV mm sin(t-) sin(t-) VSVSVsVcE2 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 转子输出信号的相位角转子输出信号的相位角( (t-t-) )与转子的偏与转子的偏转

18、角之间有着严格的对应关系。转角之间有着严格的对应关系。（1 1）鉴相方式：在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值）鉴相方式：在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为相同，相位差为 /2/2的交变电压：的交变电压：7.4.2 7.4.2 旋转变压器旋转变压器 Vs=Vmsin电sint Vc=Vmcos电sint 电气角电气角- -电 E2 = KV s cos机- KV csin机机械角机械角- -机 = KV m sint(sin电cos机- cos电sin机 = KV m sin(电-机) sintVSVSVsVcE2 图图2.32.3 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 感应电势（

19、感应电势（E E2 2）是以）是以为角频率、以为角频率、以V Vm m sin(sin(电电 - -机机 ) )为幅值的交变电压信号。若电为幅值的交变电压信号。若电气角气角电电已知，已知，只要测出只要测出E E2 2 幅值幅值( (利用利用E E2 2 =0)=0)，便可间接的求出机械角便可间接的求出机械角机机 ，从而得出被，从而得出被测角位移。测角位移。 2.2.鉴幅方式：鉴幅方式：在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压：幅值不同的交变电压：7.4.2 7.4.2 旋转变压器旋转变压器N表示码盘的码道数，即二进制的位数，则分辨率

20、为 绝对式光电编码器的结构和工作原理绝对式光电编码器的结构和工作原理7.4.37.4.3绝对式光电编码器绝对式光电编码器绝对式光电编码器的结构模型图绝对式光电编码器的码盘q 结构和工作原理 码盘基片上有多圈码道，码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；且每码道的刻线数相等；对应每圈都有光电传感器；对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数输出信号的路数与码盘圈数成正比；成正比；检测信号按某种规律编码输检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向出，故可测得被测轴的周向绝对位置。绝对位置。23222120q 绝对编码盘的编码方式及特点 二进制编码：二进制编码：特点：编码循序与位置循序相一致，特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。但可能产生非单值性误差。 误差分析：误差分析： 1111100023222120 格雷码（循环码、葛莱码）格雷码（循环码、葛莱码）特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小