电力传动系统状态量的检测

电力传动系统状态量的检测第一页，共六十七页，2022年，8月28日第二章电气传动系统状态量的检测2.1位移检测

光栅位置检测传感器2.2角度（角位移）检测

绝对式光电编码盘2.3转速检测

增量式光电编码盘

直流测速发电机2.4电流和电压检测

霍尔电流传感器霍尔电压传感器

第二页，共六十七页，2022年，8月28日

在电动机控制中，控制系统可分为开环系统和闭环系统两类。开环控制系统比较简单，能够满足一般的控制要求；闭环控制系统则用于有精度要求的控制。在电动机控制系统中，这些精度要求包括：电动机本身的运动精度要求，如角度和转速；执行机构的运动精度要求，如线位移和角位移。要实现对这些物理量的精确控制，就必须通过高精度的检测传感器对这些物理量进行检测，将检测的结果转换成数字量，反馈给单片机，通过单片机对这些数据进行处理，处理的结果作为控制量对电动机进行控制，从而实现了闭环控制。所以，检测传感器加上反馈环节是开环控制系统和闭环控制系统的主要区别，是电动机闭环控制系统的重要组成部分。本章将介绍在电动机控制中常用的位移、角度、转速、电压、电流检测传感器的工作原理及应用。前言第三页，共六十七页，2022年，8月28日2.1位移检测

光栅是一种在基体上刻制有等间距的均匀分布条纹的光学元件。光栅技术已经出现100多年了，随着光栅的刻制技术、电子技术的发展，光栅莫尔条纹细分技术的不断改进，以及计算机处理技术的巨大进步，光栅技术在近二三十年得到了快速发展。利用光栅进行位移测量，应用于电动机及执行机构的闭环控制中，已经是相当普遍的事了。

第四页，共六十七页，2022年，8月28日光栅传感器的分类光栅传感器可分为透射式光栅和反射式光栅两种。图2-1是透射式光栅传感器的结构，其特点是光敏元件和光源分别位于光栅副的两侧，光栅是由透光材料(如玻璃)制成的。图2-2是反射式光栅传感器的结构，光敏元件和光源位于光栅副的一侧，光栅是由不透光材料(如金属)制成的。光栅位移检测传感器第五页，共六十七页，2022年，8月28日光栅位移传感器的组成

光栅光栅的表面刻有规则排列和形状的刻线，这些刻线可以是透光的(透射式)或不透光的(反射式)。常用的光栅传感器的刻线多属于黑白型的，如下图所示。这种刻线(或称栅线)的白色宽度为a，黑色宽度为b，通常情况下a＝b。图中的W＝a+b，称为光栅栅距，或称为光栅常数。光栅位移检测传感器光栅传感器系统由光栅、光栅光学系统、光电接收系统组成。

黑白型光栅第六页，共六十七页，2022年，8月28日光栅位移传感器的组成

光栅光学系统

光栅光学系统可分成光源系统和光栅副两部分，其作用是形成莫尔条纹。光栅光学系统的原理图如图所示。光栅位移检测传感器光源系统光栅副：标尺光栅（移动光栅）和指示光栅（固定光栅）第七页，共六十七页，2022年，8月28日光栅位移传感器的组成

光电接收系统

光电接收系统由光敏元件组成，它将莫尔条纹的光学信号转换成电信号。光敏元件一般选用光敏三极管。光栅位移检测传感器光电接收系统第八页，共六十七页，2022年，8月28日光栅位移传感器的工作原理将标尺光栅和指示光栅重叠在一起，并使它们的刻线之间形成一个很小的交角θ，如图(a)所示。由于遮光效应，在黑色光栅相交处，刻线聚集较密，形成暗带；其他地方，刻线较稀，形成亮带。这种在光栅垂直方向上出现的明暗相间的条纹就称为莫尔(Moire)条纹。两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹间距，用B来表示。

光栅位移检测传感器两光栅刻线交角θ越小，莫尔条纹间距B越大。第九页，共六十七页，2022年，8月28日莫尔条纹演示第十页，共六十七页，2022年，8月28日莫尔条纹与两光栅刻线间的夹角θ的平分线近似垂直．当标尺光栅和指示光栅的交角θ保痔不变而相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移动。光栅移动了W／2栅距时，莫尔条纹曲亮条纹变为暗条纹(或由暗条纹变为亮条纹)；光栅再移动W/2栅距时，莫尔条纹则由暗条纹变回亮条纹(或由亮条纹变回暗条纹)。因此，光栅移动一个栅距W时，莫尔条纹也移动一个间距B，同时，在指示光栅上的光敏元件接收到·一次光脉冲的照射，并相应输出一个电脉冲。通过电脉冲计数。就可以测量标尺光栅移动的位移X,即X=iW式中：i——光电脉冲个数；

W——光栅栅距。

光栅位移传感器的工作原理光栅位移检测传感器第十一页，共六十七页，2022年，8月28日可见，只要保持光栅刻线交角θ足够小，就能获得足够大的、放大了的莫尔条纹间距目，来测量标尺光栅地位置，比读光栅刻线要方便得多。

光栅位移传感器的工作原理光栅位移检测传感器第十二页，共六十七页，2022年，8月28日实际上，莫尔条纹从亮条纹到暗条纹，以及从暗条纹到亮条纹的变化不是阶跃性的，而是逐渐过渡的。下图给出了移动的标尺光栅相对不动的指示光栅移动一个栅距W时，光敏元件接收的光照强度也经历了一个周期的变化，即由暗一弱一半亮一亮一半亮一弱一暗变化一次；如果光栅再相对移动一个栅距，则光强度再周期性地变化一次。光栅位移传感器的工作原理光栅位移检测传感器第十三页，共六十七页，2022年，8月28日光栅位移传感器的工作原理光栅位移检测传感器光强度的周期变化使光敏元件的输出也同步周期性变化，其输出波形近似于正弦波形，可表示如下：

式中——输出信号的直流分量——交流信号的幅值。右图表示了光敏元件的输出随光栅光强度变化而变化的规律。光强度变化一次所需的时间(周期)与光栅位移一个栅距所需的时间是相同的。第十四页，共六十七页，2022年，8月28日举例：光栅位移检测传感器有一直线光栅，每毫米刻线数为50，标尺光栅光栅与指示光栅的夹角=0.1，求莫尔条纹的宽度B是多少？若光电元件检测到脉冲个数i为500个，那么指示光栅移动的距离是多少X？

分析：（1）栅距W=1mm/50=0.02mm=20m(分辨率)

（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）B=W/θ=0.02mm/（0.1*π/180

）

=0.02mm/0.00174=11.46mm（可以通过目测观察到莫尔条纹光强的变化。因此，光敏元件可以直接布置在莫尔条纹宽度范围内。）（2）X=iW=500*0.02mm=10mm=1cm莫尔条纹宽度为11.46mm，指示光栅移动的距离为1cm。

第十五页，共六十七页，2022年，8月28日辨向原理及电路光栅位移检测传感器以上介绍了用光栅测量位移的原理，但位移除了有大小的属性外，还有一个属性，这就是位移的方向。为了辨别标尺光栅位移的方向，仅靠一个光敏元件输出一个信号是不行的，必须有2个以上的信号根据它们的相位不同来判断位移方向。因此，在指示光栅上安装2个光敏元件Ta、Tb，安装位置如图所示，2个光敏元件相距B／4，这样，它们的输出ua、ub相位相差90°。辨向光敏元件位置图第十六页，共六十七页，2022年，8月28日辨向原理及电路光栅位移检测传感器

2个光敏元件的输出经过整形后送入辨向电路，辨向电路是一个逻辑电路，如图（a）所示。用作为2个与门的控制信号，

信号分成2路：一路经微分电路后送与门Yl，另一路反相后再微分送与门Y2。由图

（b）波形图可见，莫尔条纹下移时，

的微分脉冲出现在

的高电平区间，与门Yl有脉冲输出，它表示了莫尔条纹下移；莫尔条纹上移时，微分脉冲出现在的高电平区间，与门Y2有脉冲输出，它表示了莫尔条纹上移。由此可以辨别光栅的移动方向。第十七页，共六十七页，2022年，8月28日光栅细分技术

当要求高分辨率、高精度的光栅传感器时，受刻线技术的影响，不可能仅靠提高刻线密度来实现，这就需要采用莫尔条纹细分技术。莫尔条纹细分有多种方法，这里只介绍光学细分法和电子细分法这两种常用方法。

1．莫尔条纹光学细分法在莫尔条纹光学细分法中，最突出的是光栅倍增细分法。这种方法采用密光栅作为指示光栅，稀光栅作为标尺光栅，稀光栅的栅距是密光栅栅距的整数倍，称其为放大因子小声可由下式表示，即式中，稀光栅栅距；稀光栅栅距。第十八页，共六十七页，2022年，8月28日光栅细分技术

当值不同时，莫尔条纹的数目也不同，莫尔条纹随值变化的情况如图所示。由图可见，随着值的增大，莫尔条纹变密了。当标尺光栅移动一个栅距，时，莫尔条纹变化了次，相当于放大了倍。可见越大，系统的灵敏度越高。由于密光栅刻在指示光栅上，量程小，因而加工、刻制相对容易些。放大因子不同时莫尔条纹的变化第十九页，共六十七页，2022年，8月28日光栅细分技术

2.莫尔条纹电子细分法电子细分法是在一个周期的信号内插入若干个计数脉冲，所以也称为倍频。细分的倍数可以做到几倍，甚至几百倍。最简单和最常用的细分倍数是4倍。这就需要在如图的一个莫尔条纹间距B内，每隔B/4安放一个光敏元件，共4个光敏元件，使他们的输出相位依次相差90°。第二十页，共六十七页，2022年，8月28日光栅传感器的优点输出数字信号。

光栅传感器输出的是数字信号，这使它易于与数字电路特别是单片机接口。高精度。

由于精密的光刻技术和电子细分技术，以及莫尔条纹所具有的对局部误差的消除作用，光栅传感器可以得到很高的测量精度。在大量程方面，光栅传感器的测量精度仅次于激选测量，而成本却低得多。目前，用于长度测量的光栅精度可达0.5μm/m，计数速度为200mm／s。几种常用的光栅传感器精度下表所列。大量程、高分辨率。

一般的传感器很难在大量程和高分辨率两个方面同时兼顾。光栅位移检测传感器第二十一页，共六十七页，2022年，8月28日各种光栅传感器的精度光栅传感器的优点光栅位移检测传感器第二十二页，共六十七页，2022年，8月28日较强的抗干扰能力。

数字信号输出一般都比模拟信号输出具有更高的抗干扰能力。信号处理电路简单、可靠。

对于光栅的输出信号，用数字电路进行整形、细分、辨向处理，特别是对于普通分辨率和普通精度的光栅传感器，一般都将信号处理电路和光栅部件组装在一起，体积小，应用方便。传感器的输出接口电路都有驱动器，因此有带负载能力和长距离传输能力。惯量小。

光栅传感器体积小，质量轻，对组成系统的惯量和动态特性影响小。光栅位移检测传感器光栅传感器的优点第二十三页，共六十七页，2022年，8月28日光栅传感器的缺点对环境冬件敏感。由于光栅传感器的光栅片一般是用玻璃制作的，而且移动光栅片与固定光栅片之间的间隙很小，因此对环境如湿度、温度、振动、冲击等较为敏感。环境的变化会影响光栅传感器的性能和可靠性。一般的光栅传感举些是增量式的，信号的输出是串行的。光栅传感器，则信号的读取电路复杂，速度无法提高。光栅位移检测传感器第二十四页，共六十七页，2022年，8月28日光栅传感器的应用密封式开启式第二十五页，共六十七页，2022年，8月28日安装有直线光栅的数控机床加工实况

防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部第二十六页，共六十七页，2022年，8月28日

增量编码器

在增量式测量中，移动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨率，对脉冲计数，便可得到位移量。（角位移、速度测量）

绝对编码器在绝对式测量中，每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。（角位移测量）光电式编码器在角位移测量方面应用广泛，具有高精度、高分辨率、高可靠性的特点。光电式编码器从结构上可分为绝对式和增量式两种。

2.2角度（角位移）检测第二十七页，共六十七页，2022年，8月28日绝对编码器绝对式编码盘由编码盘和光电检测装置组成。在一块圆形光学玻璃上刻出透光和不透光的编码。4位二进制绝对式光电编码盘工作原理如图。其中白的部分表示透光，黑的部分表示不透光。当光源通过透光部分并为光电接收器接受时表示“0”信息，反之表示“1”信息。绝对式光码盘工作原理2.2角度（角位移）检测第二十八页，共六十七页，2022年，8月28日

图中，一个圆环称为一个码道，对应于数码的1位，外环为最低位，里环为最高位．根据码道数N

，按2N

对圆周分度。因此，编码盘的角度分辨率为：

2.2角度（角位移）检测绝对编码器码道数N越大，分辨率越小，编码盘对角度变化的分辨能力越强，测量也越精确。第二十九页，共六十七页，2022年，8月28日绝对式编码器

10码道绝对式光电码盘

绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。

透光区不透光区零位标志2.2角度（角位移）检测第三十页，共六十七页，2022年，8月28日绝对（接触）式编码器演示4个电刷

4位二进制码盘

+5V输入公共码道

最小分辨角度为α=360°/2n

2.2角度（角位移）检测第三十一页，共六十七页，2022年，8月28日四码道编码盘轴角与二进制数码对照表

轴位置角度二进制码轴位置角度二进制码00º00008180º1000122.5º00019202.5º1001245º001010225º1010367.5º001111247.5º1011490º010012270º11005112.5º010113292.5º11016135º011014315º11107157.5º011115337.5º11112.2角度（角位移）检测第三十二页，共六十七页，2022年，8月28日旋转刀库被加工工件刀具角编码器的输出为当前刀具号角编码器与旋转刀库连接2.2角度（角位移）检测编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用第三十三页，共六十七页，2022年，8月28日增量式编码器2.2角度（角位移）检测

增量式光电编码盘是在一个，有内向外分别为A、B、C，如图(a)。在A、B码道的码盘上，等距离地开有透光的缝隙，2条码道上相邻的缝隙互相错开半个缝宽，展开图如图(b)。第三条码道C只开了一个缝隙，用来表示码盘的零位。第三十四页，共六十七页，2022年，8月28日

在码盘的两侧分别安装光源和光敏元件，当码盘转动时光源通过透光和不透光的区域，相应地，每条码道将有一系列脉冲从光敏元件输出。

码道上有多上个缝隙，就会有多少个脉冲输出。将这些信号整形后，输出的脉冲信号如图（c所示）。增量式编码器2.2角度（角位移）检测第三十五页，共六十七页，2022年，8月28日辨向信号和零标志光电编码器的码盘上有A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辩向。当编码正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。

在码盘上，还有一个狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。增量式编码器2.2角度（角位移）检测第三十六页，共六十七页，2022年，8月28日编码器方向的辨别D触发器2.2角度（角位移）检测BABABA第三十七页，共六十七页，2022年，8月28日编码器方向的辨别2.2角度（角位移）检测编码盘方向的辨别可以采用上图所示的电路实现。经过放大整形后的A、B两相脉冲分别输入到D触发器的D端和CP端，如图（a）。因此，D触发器的CP端在A脉冲的上升沿触发。由于A、B脉冲相位差90°，当正转时，B脉冲超前A脉冲90°，触发器总是在B脉冲处于高脉冲时触发，如图（b），这时Q=1，表示正转；当反转时，A脉冲超前B脉冲90°，触发器总是在B处于低电平是触发，这时Q=0，表示反转。

A、B脉冲的另一路经与门后，输出计数脉冲。这样，用Q或Q控制可逆计数器是加计数还是减计数，就可以使可逆计数器对计数脉冲进行计数。C相脉冲接到计数器的复位端，实现每转动一圈复位一次计数器。这样，无论是正转还是反转，计数值每次反应的都是相对与上次角度的增量，形成增量编码。第三十八页，共六十七页，2022年，8月28日2.3转速检测在电气传动速度控制的调速系统中，必须进行转速检测以实现转速反馈控制。用于检测转速的传感器可分为两类：

一类是输出为脉冲量的传感器，一般称为增量式脉冲发生器（增量式光电编码器），包括光电式脉冲发生器、磁电式脉冲发生器、圆光栅传感器、旋转式感应同步器等

另一类是输出为模拟电压量的模拟式传感器，即传统的测速发电机。第三十九页，共六十七页，2022年，8月28日2.3转速检测-光电编码器测速

增量式编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，常用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。

M法测速脉冲频率法测速-M法测速第四十页，共六十七页，2022年，8月28日M法测速（适合于高转速场合）T编码器每转产生N个脉冲，在T时间段内有m1

个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）由于M法在低速时的相对分辨率和检测精度都较差，适合较高转速的测量。

m12.3转速检测-光电编码器测速M法测速（脉冲频率法测速）第四十一页，共六十七页，2022年，8月28日例题T

有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为：n=60m1/（TN）

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m1编码器每转产生N个脉冲，在T时间段内有m1

个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）2.3转速检测-光电编码器测速第四十二页，共六十七页，2022年，8月28日T法测速脉冲周期法测速-T法测速2.3转速检测-光电编码器测速第四十三页，共六十七页，2022年，8月28日T法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···

编码器每转产生N个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2

，则转速(r/min)为n=60fc/（Nm2）

T法在高速时的相对分辨率和检测精度都较差，适合较低转速的测量。2.3转速检测-光电编码器测速T法测速（脉冲周期法测速）第四十四页，共六十七页，2022年，8月28日时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···

n=60fc

/（Nm2

）

=60*1000000/（1024*3000）

=19.53r/min

有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz，则转速（r/min)为：

编码器每转产生N个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2，则转速(r/min)为n=60fc/（Nm2）

2.3转速检测-光电编码器测速T法测速（脉冲周期法测速）第四十五页，共六十七页，2022年，8月28日编码器在伺服电机中的应用

利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。转速测量转子磁极位置测量角位移测量2.3转速检测-光电编码器测速第四十六页，共六十七页，2022年，8月28日

用测速发电机测量转速是长期以来一直使用的简便方法。在原理上，交流测速发电机感应电势的频率和电压与转速成正比，使用时需要整流、滤波，因而不能反映旋转方向；直流测速发电机的输出电压和转速成正比，电压的极性能反映旋转方向。它们的输出信号都是模拟电压，属模拟式传感器，其原理电路及特性见下图。图中，K为测速发电机的电压常数。测速发电机运行可靠、价格便宜、采用永磁励磁结构不需附加电源，但其输出电压存在脉动、死区、对称性和线性度误差以及受温度影响等问题，测量精度不高，因而多用在对控制精度要求不高的传动系统中。测速发电机检测转速2.3转速检测第四十七页，共六十七页，2022年，8月28日测速发电机的原理电路及特性

a)直流b)交流2.3转速检测-测速发电机测速第四十八页，共六十七页，2022年，8月28日

为实现微机对转速的检测，需对测速机输出的模拟电压Ua进行变换，下图为采用直流测速机的变换电路。图中，电位器RP1用来改变前置放大器A1的输出电压，经A2与二极管组成的绝对值放大器获得标准模拟电压Ud，电压比较器C作为电压Ua的极性鉴别器，其输出UD的高低电平用作被测转轴旋转方向的判向信号。2.3转速检测-测速发电机测速第四十九页，共六十七页，2022年，8月28日测速机输出电压变换电路

2.3转速检测-测速发电机测速第五十页，共六十七页，2022年，8月28日

上图中模拟电压的Ud要能被微机检测可采用两种转换器，其一是电压频率变换器（VFC),其二是模拟/数字(A/D)转换器。分述如下：2.3转速检测-测速发电机测速第五十一页，共六十七页，2022年，8月28日测速发电机－电压频率变换器（VFC)测速

电压频率变换器(VFC)是一种把模拟输入电压变换成脉冲信号输出的变换器，其输出脉冲的频率f正比于输入电压Ud。VFC的传输特性如下：

其输出脉冲的频率f正比于输入电压Ud，正比于测速发电机的转速n2.3转速检测-测速发电机测速第五十二页，共六十七页，2022年，8月28日

测速发电机－电压频率变换器（VFC)测速经光电耦合器送微机接口的VFC的输出脉冲电路2.3转速检测-测速发电机测速第五十三页，共六十七页，2022年，8月28日

测速发电机－A/D转换器测速

大规模集成A／D转换器易于与微机相接，是微机检测模拟量时普遍使用的接口芯片。随着大规模集成电路的发展，目前已生产出各式各样的A／D转换器。下面简要介绍A／D转换器的主要技术指标及用于转速检测的有关问题。2.3转速检测-测速发电机测速第五十四页，共六十七页，2022年，8月28日

由微机利用测速机、模拟电压变换电路及A/D转换接口芯片组成的测速装置进行转速检测时，原理如图。

测速发电机－A/D转换器测速2.3转速检测-测速发电机测速第五十五页，共六十七页，2022年，8月28日2.4电流和电压的检测（一）电流的检测如果电流比较小，可以在待测电路上串入一个小电阻，用小电阻上的电压降反应电流的大小。此电压降可通过运算放大器放大后，经模数转换、输入微机。如果电流比较大，或要求有电隔离，则可以采用磁场平衡式霍尔电流传感器，霍尔元件的工作原理如下：第五十六页，共六十七页，2022年，8月28日霍尔元件的工作原理

半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势E

H(VH)，这种现象称为霍尔效应。

作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH（电压VH）可用下式表示：

EH=K

IB第五十七页，共六十七页，2022年，8月28日2023/2/1558霍尔效应演示

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab第五十八页，共六十七页，2022年，8月28日磁场平衡式霍尔电流传感器IpIcRMVMVHR1IsNpNS2.4电流和电压的检测磁场平衡式霍尔电流传感器第五十九页，共六十七页，2022年，8月28日磁场平衡式霍尔电流传感器

上图中有一个用软磁材料制成的带有缝隙的聚磁环，缝隙中放了一片霍尔元件。霍尔元件中通过一个固定的电流Ic。聚磁环中穿过一根导线，其中流过待测电流Ip。Ip在聚磁环及其缝隙中产生磁场，磁场强度为Hp，磁感应强度为B。于是霍尔元件产生霍尔电流差VH。

VH=K×B×Ic

K——霍尔系数。