第3章传感器检测及其接口电路 第4章控制电动机及其选择计算课件

1第3章传感器检测及其接口电路3.1传感器3.2位移测量传感器3.3速度、加速度传感器3.4位置传感器3.5传感器前期信号处理3.6传感器接口技术3.7传感器非线性补偿原理3.8数字滤波23.1传感器一、传感器技术

定义：传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按照一定规律将它转换成另一种信息的装置。目前大多数的传感器将获取的信息转换为电信号。二、传感器的分类及要求

按被测参量分：位移，速度，加速度，力，力矩等。

按工作原理分：应变式，电容式，压电式，热电式等。3

计数型（二次型+计数型）

电压，电流型（热电偶,Cds电池）电感，电容型（可变电容）有接点型(微动开关，接触开关，行程开关)

传感器

电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型二值型电量无接点型(光电开关，接近开关)模拟型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）4三、传感器性能与选用原则 1、传感器的静态特性传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞性、重复性、分辨率、漂移和精度。

5（1）线性度

传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差定义为传感器的非线性误差（线性度）

传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的标准设备，对传感器进行往复循环测试，得到的输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性，这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，与理论直线有偏差，如图3-3所示。

6图3-3传感器的线性度示意图

7

线性度可用下式计算： 式中：;

γL——线性度(非线性误差)；

Δmax——最大非线性绝对误差；

yFS

——输出满度值。 （2）灵敏度。传感器在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称为灵敏度，用S表示，即

（3-1）8

对于线性传感器来说，它的灵敏度S是个常数。 （3）迟滞性。传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分数表示：

式中:

ΔHm——输出值在正、反行程间的最大差值。

(3-2)(3-3)9

迟滞特性一般由实验方法确定，如图3-4所示。

图3-4迟滞特性

10

（4）重复特性。传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得的输出/输入曲线不一致的程度，称为重复特性，如图3-5所示。重复特性误差用满量程输出的百分数表示，即 式中:

ΔRm——最大重复性误差。 重复特性也由实验方法确定，常用绝对误差表示，如图3-5所示。(3-4)11图3-5重复特性12

（5）分辨力。传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。分辨力与满度输入比的百分数表示称为分辨率。

（6）漂移。由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下,传感器的输出发生的变化称为漂移。 （7）精度。精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。13

2.传感器的动态特性 动态特性是指传感器测量动态信号时,输出对输入的响应特性。一个动态特性好的传感器其输出能再现输入变化规律。但实际上，输出信号不可能与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入之间的差异叫做动态误差。14

3传感器的选用原则

快速、准确、可靠、经济的获取信号。传感器的选择所要考虑的问题主要包括： 1）足够的量程；2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高；3）精度适当、稳定性高；4）反应速度快、工作可靠；5）实用性和适应性强；6）使用经济；153.2位移测量传感器

线性位移和角位移测量的总称

直线位移测量：

电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器等；角位移传感器：

电容传感器、光电编码盘；161.电容式传感器以电容器为敏感元件，将机械位移量（被测非电量）转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。优点：结构简单、分辨力高、可实现非接触测量、并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面积式电容传感器进行位移测量。

3.2位移测量传感器171.电容式传感器对于平板式电容器，忽略边缘效应，其电容量可表示为：真空介电常数，等于板间介质的相对介电系数极板的有效面积（）两极板的距离（）

电容式传感器可分为：变极距型、变面积型和变介质型18(1)变极距式电容传感器

图2是空气介质变极距式电容传感器的工作原理图。图中一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量⊿d。

19(1)变极距式电容传感器变极距电容传感器的初始电容Co可由下式表达，即

当动极板因被测量变化使距离减小时，有：

传感器的这种变化关系呈非线性，电容的变化量为：如图所示。

20(1)变极距式电容传感器21(1)变极距式电容传感器在实际使用时常采用近似（线性化处理）

如果满足

，将电容变化量进行泰勒级数展开：忽略高阶小项（非线性项）可得近似的线性关系和灵敏度S：

22(1)变极距式电容传感器这种处理的结果，使得传感器的相对非线性误差增大，如图4所式。总结：1、变极距的传感器只有在很小时，才有近似的线性输出；2、灵敏度与初始极距的平方成正比，故可减小的办法来提高灵敏度。23(1)变极距式电容传感器

为改善这种情况，可采用差动变极距式电容传感器，这种传感器的结构，如图5所示。它有三个极板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时，即d1=d2=do，则C1=C2=Co，如果活动极板向右移动⊿d,则d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似线性处理方法，可得传感器电容总的相对变化，为

传感器的相对非线性误差γo为

24(1)变极距式电容传感器变极距电容传感器改为差动式之后，非线性误差大大减小，而灵敏度也提高了一倍。25(2)变面积式电容传感器

图6是变面积式电容传感器结构示意图，它由两个电极构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成半圆形。26(2)变面积式电容传感器

假定极板间的介质不变（即电介质常数不变），当两极板完全重叠时，其电容量为

Co=⊿A/A

当动极板绕轴转动一个α角时，两极板的对应面积要减小⊿A，则传感器的电容量就要减小⊿C。如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它回路方法检测出来，就实现了角位移转换为电量的电测变换。

电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um

27

2.可变磁阻式电感传感器 典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图所示,它主要由线圈、铁心和活动衔铁组成。

28原理：电磁感应原理，把被测位移量变化成线圈自感或互感变化；特点：结构简单，输出功率大，输出阻抗小，抗干扰能力强，但动态响应慢，不宜做快速动态测试。29

当线圈通以激磁电流时,其自感L与磁路的总磁阻Rm有关,即 （3-5） 式中: W——线圈匝数；

Rm——总磁阻。

30

式中:

L——铁心导磁长度（m）；

μ——铁心导磁率（H/m）；

A——铁心导磁截面积（m2）,

A=a×b;

δ——空气隙(m),δ=δ0+Δδ;

μ0——空气磁导率（H／m）,μ0=2π×10-7;

A0——空气隙导磁截面积（m2）。

如果空气隙δ较小,而且不考虑磁路的损失,则总磁阻为：

（3-6）31

由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的,因此计算时铁心的磁阻可以忽略不计,故

（3-7） 将式(3-7)代入式(3-5),得（3-8）

式（3-8）表明,自感L与空气隙δ的大小成反比,与空气隙导磁截面积A0成正比。当A0固定不变而改变δ时,L与δ成非线性关系32此时传感器的灵敏度为 图3-7为差动型磁阻式传感器,它由两个相同的线圈、铁心及活动衔铁组成。当活动衔铁接于中间位置（位移为零）时,两线圈的自感L相等,输出为零。当衔铁有位移Δδ时,两个线圈的间隙为δ0+Δδ,δ0-Δδ,这表明一个线圈的自感增加,而另一个线圈的自感减小。（3-9）33图3-7可变磁阻差动式传感器34图3-8可变磁阻面积型电感传感器35

3.2.2数字式位移传感器 光栅由标尺光栅和指示光栅组成,两者的光刻密度相同,但体长相差很多,其结构如图3-15所示。

36

3.2.2光栅原理：指示光栅平行的放在主光栅侧面，并且使他们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条明暗条纹。主光栅和被测物体相连，产生位移时，莫尔条纹随着上下移动，用光电器件记录下莫尔条纹通过某点的数目，便可计算光栅移动的距离。

37图3-16莫尔条纹示意图莫尔条纹是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列的,如图3-16所示。

38

光栅莫尔条纹的特点是起放大作用,用W表示条纹宽度,P表示栅距,θ表示光栅条纹间的夹角,则有 若P＝0.01mm,把莫尔条纹的宽度调成10mm,则放大倍数相当于1000倍,即利用光的干涉现象把光栅间距放大1000倍,因而大大减轻了电子线路的负担。 光栅测量系统的基本构成如图3-17所示。

(3-10)39图3-17光栅测量系统40感应同步器

感应同步器是一种应用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种检测元件，有直线式和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。41

滑尺表面刻有两个绕组,即正弦绕组和余弦绕组,见图3-18。

图3-18直线感应同步器原理图42

圆盘式感应同步器如图3-19所示,其转子相当于直线感应同步器的滑尺,定子相当于定尺,而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。

图3-19圆盘式感应同步器（a）定子；（b）转子

43

（1）鉴相式。所谓鉴相式,就是根据感应电势的相位来鉴别位移量。 即uA=Umsinωt,uB=Umcosωt时,则定尺上的绕组由于电磁感应作用将产生与激磁电压同频率的交变感应电势。图3-20说明了感应电势幅值与定尺和滑尺相对位置的关系。

44图3-20滑尺绕组位置与定尺感应电势幅值的变化关系45

滑尺在定尺上每滑动一个节距,定尺绕组感应电势就变化了一个周期,即

eA=KuAcosθ

（3-11） 式中:;

K——滑尺和定尺的电磁耦合系数；

θ——滑尺和定尺相对位移的折算角。 若绕组的节距为W,相对位移为l,则 （3-12）

46

同样,当仅对正弦绕组B施加交流激磁电压UB时,定尺绕组感应电势为

e

B=-Ku

Bsinθ

（3-13） 对滑尺上两个绕组同时加激磁电压,则定尺绕组上所感应的总电势为

e=e

A+eB=KuA

cosθ-KuBsinθ =KUm

sinωt

cosω-KU

m

cosωtsinω =KUmsin(ωt-θ) （3-14）47

上式可以看出,感应同步器把滑尺相对定尺的位移l的变化转成感应电势相角θ的变化。因此,只要测得相角θ,就可以知道滑尺的相对位移l：

（3-15）48

（2）鉴幅式。在滑尺的两个绕组上施加频率和相位均相同,但幅值不同的交流激磁电压uA和uB。

uA=Umsinθ1sinωt（3-16）

uB=Umcosθ1

sinωt

（3-17） 式中:θ1——指令位移角。 设此时滑尺绕组与定尺绕组的相对位移角为θ,则定尺绕组上的感应电势为

e=KuA

cosθ-KuB

sinθ=KUm(sinθ1cosθ-cosθ1sinθ)sinωt=KUmsin(θ1-θ)sinωt

（3-18）493.3速度、加速度传感器

3.3.1直流测速机速度检测 图3-21所示为永磁式测速机的原理图。

图3-21永磁式测速机的原理图50原理：微型的直流发电机；直流测速机励磁方式：电磁式和永磁式电枢结构：无槽电枢、有槽电枢。空心杯电枢、圆盘电枢永磁式测速机：恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子转速成正比的直流电势。51直流测速机的输出特性曲线：与负载电阻相关；当负载电阻时，其输出电压与转速成正比。随着负载电阻减小，其输出电压下降，且输出电压与转速之间不能严格保持线性关系，因此，对于要求精度比较高的直流测速机，负载电阻应尽量大。图3-22直流测速机的输出特性52

3.3.2光电式转速传感器 光电式转速传感器是一种角位移传感器,由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成,如图3-23所示。图3-23光电式转速传感器的结构原理图53光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上，当缝隙圆盘随着被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，圆盘每旋转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲。根据测量单位时间内的脉冲数N,则可测出转速为 （3-19） 式中:;

Z——圆盘上的缝隙数；

n——转速(r／min)；

t——测量时间(s)。 一般取Zt=60×10m(m＝0,1,2,…)。利用两组缝隙间距W相同,位置相差（i／2+1／4）W（i＝0,1,2,…）的指示缝隙和两个光电器件,就可辨别出圆盘的旋转方向。

543.4位置传感器

3.4.1接触式位置传感器

1.由微动开关制成的位置传感器

55

2.二维矩阵式配置的位置传感器一般用于及机器人手掌内侧。安装多个二维触觉传感器，用于检测自身与某物体的接触位置，被测物体的中心位置与倾斜度，甚至还可以识别物体的大小和形状。56

3.4.2接近式位置传感器

接近式位置传感器按其工作原理主要分：电磁式、光电式、静电容式，气压式和超声波式。其基本工作原理可用图表示出来

573.4.2接近式位置传感器

1.电磁式传感器高频振荡电路在检测部分有检测线圈，检测对象为金属体。当开关接近金属体时，检测线圈的电感量发生变化，使振荡回路停振，检测出这一停振变化，产生输出信号。高频振荡电路金属体检波电路波形整形电路输出电路58

3.4.2接近式位置传感器

2.电容式传感器

电容式接近开关在检测部分采用导体电极，当电极与被测物一接近，检测部分的导体电极与被测对象之间产生静电电容变化。利用这一现象制成电容式接近开关，检测出这一电容量的变化，产生输出信号。检测物体高频震荡电路检波电路整形电路输出电路电极板(检测头)59

3.4.2接近式位置传感器

3.光电式传感器

优点：体积小、可靠性高、检测位置精度高、响应速度快、易于TTL及CMOS电路兼容分类：透光型、反射型60透光型光电式传感器：

发光器件与受光器件相对放置，中间留有间隙，当被测物体到达这一间隙时，发射光被遮住，从而接受器件（光敏原件）便可检测出物体已经到达。61

反射型光电式传感器：

光电传感器发出的光经被测物体反射后再落到检测器件上。623.5传感器前期信号处理

传感器：将不同形式的被测量转换为电信号；

传感器输出形式：电压输出、电流输出、频率输出。传感器输出信号的处理：

原因：直接输出电信号微弱（功率小、电压低）。

方式：利用运算放大器进行信号放大。633.5传感器前期信号处理

3.5.1测量放大器 传感器直接输出信号：

信号弱，夹杂工频、静电和电磁耦合等共模干扰。放大电路要求（测量放大器、仪表放大器）：

高的共模抑制比、高增益、低噪声和高输入阻抗。64

3.5.1测量放大器

图3-35为三个运放组成的测量放大器,差动输入端U1和U2分别是两个运算放大器(A1、A2)的同相输入端,因此输入阻抗很高。采用对称电路结构,而且被测信号直接加入到输入端上,从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器,其增益近似为1。65

图3-35电路结构中，保证A1和A2放大器性能对称（输入阻抗和电压增益），其漂移将大大减小，具有高输入阻抗、高共模抑制比，对微小差模电压敏感。左边两个运放采用7650,这将是非常优质的放大。(3-32)(3-33)测量放大器的放大倍数由下式确定：

66 AD522主要可用于恶劣环境下要求进行高精度数据采集的场合。由于AD522具有低电压漂移(2μV/℃)、低非线性(0.005％，增益为100时)、高共模抑制比(>110dB,增益为1000时)、低噪声(1.5uV（P-P）,0.1～100Hz)、低失调电压(100uV)等特点,因而可用于许多12位数据采集系统中。图3-36为AD522的典型接法。67图3-36AD522的外围电路68

数据防护端：提高交流输入时的共模抑制比。对远处传感器送来的信号，通常采用屏蔽电缆传送到测量放大器，电缆上的分布参量RG会使信号产生相移，当出现交流共模信号时，这些相移将使共模抑制比降低。利用数据防护端可以克服上述影响（如图3-37所示）。对于无此端子的仪器用放大器,如AD524、AD624等,可在RG2(如图3-40所示)端取得共模电压,再用一运放作为它的输出缓冲屏蔽驱动器。运放应选用具有较低偏流的场效应管运放,以减少偏流流经增益电阻时对增益产生的误差。69

图3-37AD522的典型应用70 3.5.2程控增益放大器 模拟信号进行量化前使用。

A/D转换前，为减小误差，希望将模拟信号在A/D转换器所能接受的范围内达到最大值，然而，当被测量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟信号变化也较大，在这种情况下，如果单纯只使用一个放大倍数的放大器，在进行小信号转换时将会引入很大的误差，无法满足精度要求。工程上，通常采用改变放大器增益的方法来实现不同幅度信号的放大。71 3.5.2程控增益放大器 图3-38即为一利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关S1闭合,S2和S3断开时,放大倍数为 （3-34） 而当S2闭合,而其余两个开关断开时,其放大倍数为 （3-35） 选择不同的开关闭合,即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合情况进行选择,即可实现程控增益变换。72图3-38程控增益放大器原理图73

图3-39为AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器,通过改变其外接电阻R的办法可实现增益控制。图3-39由AD521和模拟开关构成的程控增益放大器74

图3-40为AD524的结构原理图,其特点是具有低失调电压（50mV）,低失调电压漂移（0.5μV/℃）,低噪声(0.3μV（P-P）,0.1～10Hz),低非线性（0.003％,增益为1时）,高共模抑制比（120dB,增益为1000时,增益带宽为25MHz),具有输入保护等。从其结构图可知,对于1,10,100和1000倍的整数倍增益,无需外接电阻,在具体使用时只需一个模拟开关的控制即可达到目的；对于其他倍数的增益控制,也可用外接增益调节电阻的方法来实现,同样也可用改变反馈电阻与D/A转换器的结合、甚至改变其参考端电压的方法来实现程控增益。75图3-40AD524原理图76 3.5.3隔离放大器 由于隔离放大器采用了浮离式设计,消除了输入、输出端之间的耦合,因此还具有以下特点： （1）能保护系统元件不受高共模电压的损害,防止高压对低压信号系统的损坏。 （2）泄漏电流低,对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。 （3）共模抑制比高,能对直流和低频信号(电压或电流)进行准确、安全的测量。

77 3.5.3隔离放大器 隔离方式：

变压器耦合：线性度高、隔离性能好，带宽在1KHZ以下 。

光电耦合：带宽可达10KHz，隔离性能不如变压器耦合； 78

图3-41为284型隔离放大器的电路结构图。为提高微电流和低频信号的测量精度,减小漂移,其电路采用调制式放大,其内部分为输入、输出和电源三个彼此相互隔离的部分,并由低泄漏高频载波变压器耦合在一起。通过变压器的耦合,将电源电压送入输入电路并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极型前置放大器、调制器；输出部分包括解调器和滤波器,一般在滤波器后还有缓冲放大器。79

图3-41284型隔离放大器的电路结构图803.6传感器接口技术

传感器：非电物理量-----电量模数转换器（A/D）:模拟量----数字量；3.6.1传感器信号的采样/保持 在对模拟信号进行模/数变换时,从启动变换到变换结束的数字量输出,需要一定的时间,即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时,由于孔径时间的存在,会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生,必须在A/D转换开始时将信号电平保持住,而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化,即对输入信号处于采样状态。能完成这种功能的器件叫采样/保持器。81

3.6.1传感器信号的采样/保持

从上面的分析也可知,采样/保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。在模拟量输出通道,为使输出得到一个平滑的模拟信号,或对多通道进行分时控制时,也常使用采样/保持器。

香农采样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理。

82 1.采样/保持器的原理 采样/保持器由存储电容C,模拟开关S等组成,如图3-42所示。S接通时，输出信号跟随输出信号，称为采样阶段；S断开时，电容C一直保持断开时的电压，称为保持阶段；83 2.集成采样/保持器

集成采样／保持器的特点是： （1）采样速度快、精度高,一般在2~2.5s内即可达到±0.01％～±0.003％的精度。 （2）下降速率慢,如AD585,AD348为0.5mV／ms,AD389为0.1V／ms。 正因为集成采样／保持器有许多优点,因此得到了极为广泛的应用。下面以LF398为例,介绍集成采样／保持器的原理。图3-43为LF398的原理图。由图可知,其内部由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。84图3-43LF398的原理图工作原理：A3：比较器；Pin7：控制逻辑参考电压输入；Pin8：控制逻辑电压输入；当输入控制逻辑电平高于参考端电压时，A3输出低电平信号驱动开关S闭合，输入经跟随器A1、A2至输出同时向保持电容充电（采样）；当输入控制逻辑电平低于参考端电压时，A3输出高电平信号驱动开关S断开（保持）。85

主要技术指标有： （1）工作电压：±5～±18V。 （2）采样时间：≤10μs

。 （3）可与TTL、PMOS、CMOS兼容。 （4）当保持电容为0.01μF时,典型保持步长为0.5mV

（5）低输入漂移,保持状态下输入特性不变。 （6）在采样或保持状态时高电源抑制。

86

图3-44为LF398的外引脚图,图3-45为其典型应用图。在有些情况下,还可采取两级采样保持串联的方法,选用不同的保持电容,使前一级具有较高的采样速度而使后一级保持电压下降速率慢,两级结合构成一个采样速度快而下降速度慢的高精度采样／保持电路,此时的采样总时间为两个采样／保持电路时间之和。87图3-44LF398的外引脚图88图3-45LF398的典型应用图89 3.6.2多通道模拟信号输入

1.常用多路模拟开关集成电路

1）单端8通道

AD7501是单片集成的CMOS8选1多路模拟开关,每次只选中8个输入端的一路与公共端接通,选通通道是根据输入地址编码而得到的。所有数字量输入均可用TTL或CMOS电路。图3-46为AD7501的外引脚图和原理图。

90图3-46AD7501的外引脚原理图。91 AD7501的主要参数有：

(1)导通电阻Ron的典型值为170（-10V≤VS≤10V）,导通电阻温漂为0.5％／℃,路间偏差为4％。

(2)输入电容：3pF

。

(3)开关时间：ton=0.8μs,toff=0.8μs。

(4)极限电源电压：UDD

＝+17V,USS

＝-17V。

2）单端16通道

AD7506为单端16选1多路模拟开关,图3-47为AD7506的外引脚图和原理图。92图3-47AD7506的外引脚图和原理图93 (1)导通电阻Ron

＝300。导通电阻温漂为0.5％／℃,路间偏差为4％。

(2)开关时间：ton=0.8μs

,toff=0.8μs。

(3)极限电源电压：UDD

＝＋17V,USS

＝-17V。

3）差动4通道

AD7502是差动4通道多路模拟开关,其主要特性与AD7501的基本相同,但在同选通地址情况下有两路同时选通。其外引脚和原理图如图3-48所示。

94图3-48AD7502的外引脚图和原理图95 2.多路模拟开关应用举例 在许多机电一体化产品中,都需要用到多路模拟量输入情况,此时可采用多路模拟开关来实现。图3-49为利用AD7501组成的8路模拟量输入通道。对于16路输入情况,可使用两片AD7501组合而成,见图3-50。96图3-49AD75018路输入97图3-50两片AD7501组成16路输入98 3.多路开关选用时的注意事项 （1）对于传输信号电平较低的场合,可选用低压型多路模拟开关,这时必须在电路中有严格的抗干扰措施,一般情况下选用常用的高压型。 （2）对于要求传输精度高而信号变化慢的场合,如利用铂电阻测量缓变温度场,就可选用机械触点式开关。但在输入通道较多的场合,应考虑其体积问题。 （3）在切换速度要求高、路数多的情况下,宜选用多路模拟开关。在选用时应尽可能根据通道量选取单片模拟开关集成电路,因为在这种情况下每路特性参数可基本一致；在使用多片组合时,也宜选用同一型号的芯片以尽可能使每个通道的特性一致。99

（4）在选择多路模拟开关的速度时,要考虑到其后级采样保持电路和A／D的速度,只需略大于它们的速度即可,不必一味追求高速。 （5）在使用高精度采样/保持A／D进行精密数据采集和测量时,需考虑模拟开关的传输精度问题,尤其需注意模拟开关漂移特性。因为如果性能稳定,即使开关导通电阻较大,也可采取补偿措施来消除影响；但如果阻值和漏电流等漂移很大,将会大大影响测量精度。100

作业1、为什么差动变极距型电容位移传感器的精度是普通的变极距电容传感器的2倍？2、光栅位移传感器主要由哪几部分构成？产生的莫尔条纹最主要的作用是什么？3、感应同步器的测量方式有几种类型？写出励磁方式和输出信号的表达式。4、已知光电脉冲编码器的周脉冲数Z=1200，在t=10s的时间内测轴的脉冲数N=6000，则光电脉冲编码器测得的角位移是多少？轴的转速是多少？101第4章

控制电动机及其选择计算

4.1步进电动机及其控制4.2直流伺服电动机及其控制4.3交流伺服电动机及其控制4.4直线电动机4.5控制电动机选择与计算实例102

控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置，由于它们的工作可在很宽的速度和负载范围内受到连续而精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。1034-1伺服电动机控制方式的基本形式104图4-2执行元件的种类105

(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。

(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。

(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。106

4.1步进电动机及其控制

一、步进电动机的结构与工作原理 步进电动机按其工作原理主要可分为磁电式和反应式两大类，三相反应式步进电动机的工作原理如图4-12所示，其中步进电动机的定子上有6个齿，其上分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。107图4-12步进电动机运动原理图108

步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。上述分析中的步进电动机步距角为30°。对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态，如图4-13所示。真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。109图4-13三相反应式步进电动机110

二、步进电动机的通电方式 如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。 如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。111

一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。 由于采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。图4-14是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。112图4-14不同通电方式时的矩频特性113

通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算：

(4-12)

式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k＝1；当采用单双相轮流通电方式时，k＝2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。114

三、步进电动机的使用特性

（1）步距误差。 （2）最大静转矩。 （3）启动矩频特性。 当伺服系统要求步进电动机的运行频率高于最大允许启动率时，可先按较低的频率启动，然后按一定规律逐渐加速到运行频率。图4-15给出了90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线。

由图可见，

负载转矩越大，

所允许的最大启动频率越小。

115图4-15启动矩频特性116

（4）运行矩频特性。图4-16是90BF002型步进电动机的运行矩频特性曲线。117图4-16运行矩频特性118

（5）最大相电压和最大相电流。 四、步进电动机的控制与驱动 步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式。图4-17为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由环形分配器、功率驱动器、步进电动机等组成。119图4-17开环步进电动机控制系统框图120

步进电动机在一个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因此只要控制一定的脉冲数，即可精确控制步进电动机转过的相应的角度。但步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。 实现环形分配的方法有两种。一种是计算机软件分配，采用查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满足速度和方向要求的环形分配脉冲信号。这种方法能充分利用计算机软件资源，减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更能显示出这种分配方法的优点。但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。121

另一种是硬件环形分配，采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件（如触发器、逻辑门等）构成，特点是体积大，成本高，可靠性差。专用的环形分配器目前市面上有很多种，如CMOS电路CH250即为三相步进电动机的专用环形分配器，它的引脚功能及三相六拍线路图如图4-18所示。122

图4-18环形分配器CH250引脚图(a)引脚功能；(b)三相六拍线路图123

图4-18环形分配器CH250引脚图(a)引脚功能；(b)三相六拍线路图124

2）功率驱动 常见的步进电动机驱动电路有三种：

(1）单电源驱动电路。这种电路采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不高的小型步进电动机的驱动。图4-19所示为步进电动机的一相绕组驱动电路（每相绕组的电路相同）。125图4-19单电源驱动电路126

(2）双电源驱动电路。双电源驱动电路又称高、低压驱动电路，采用高压和低压两个电源供电，如图4-20所示。127图4-20高、低压驱动电路128

(3）斩波限流驱动电路。这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，其波形如图4-21所示。这种电路功率大，功耗小，效率高，目前应用最广。图4-22所示为一种斩波限流驱动电路原理图。129图4-21斩波限流驱动电路波形图130图4-22斩波限流驱动电路131五、步进电动机的选用

1.转矩和惯量匹配条件为了使步进电动机具有良好的启动能力及较快的响应速度，通常推荐TL/Tmax≤0.5及JL/Jm≤4

2.步距角的选择和精度步距角的选择是由脉冲当量等因素来决定的。步进电动机的步距角精度将会影响开环系统的精度。132

4.2直流伺服电动机

一.直流伺服电动机的分类 直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由激磁绕组产生；永磁式的磁场由永磁体(永久磁铁)产生。电磁式直流伺服电动机是一种目前巳普遍使用的伺服电动机，特别是在大功率范围内(100w以上)。永磁式直流伺服电动机由于尺寸小、重量轻、效率高、出力大、结构简单，无需激磁等一系列优点而被越来越重视。133

4.2直流伺服电动机

二、直流伺服电动机的特点

1、稳定性好；

2、可控性好；

3、响应迅速；

4、控制功率低，损耗小；

5、转矩大；134

4.2直流伺服电动机

三.直流伺服电动机的基本结构及工作原理 直流伺服电动机的结构与一般的直流电动机结构相似，也是由定子、转子和电刷等部分组成，直流伺服电动机部件主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成,如图4-3所示。135图4-3直流伺服电动机基本结构136137四.直流伺服系统 由于伺服控制系统的速度和位移都有较高的精度要求，因而直流伺服电动机通常以闭环或半闭环控制方式应用于伺服系统中。直流伺服系统的闭环控制是针对伺服系统的最后输出结果进行检测和修正的伺服控制方法，而半闭环控制是针对伺服系统的中间环节（如电动机的输出速度或角位移等）进行监控和调节的控制方法。它们都对系统输出进行实时检测和反馈，并根据偏差对系统实施控制。半闭环和闭环控制的位置伺服系统的结构原理分别如图4-10、图4-11所示。138图4-10半闭环伺服系统结构原理图139图4-11闭环伺服系统结构原理图140141五.直流伺服电动机与驱动直流伺服电机为直流供电，为调节电机转速和方向，需要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前常用晶体管脉宽调速驱动和可控硅直流调速驱动两种方式。可控硅直流(SCR)驱动方式，主要通过调节触发装置控制可控硅的控制角(控制电压之大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小．使直流电机电枢电压的变化易平滑调速。142图4-12单相交流可控硅桥式整流电路(a）整流电路；(b）波形图143144

而采用脉宽调速驱动系统，其开关频率高(通常达2000一3000Hz)，伺服机构能够响应的频带范围也较宽，与可控硅相比其输出电流脉动非常小，接近于纯直流。脉冲宽度调制（PWM）直流调速驱动系统原理如下图，其中u为导通率，又称占空比或占空系数。145M…只要改变导通时间就可改变电枢两端的平均电压146六.直流伺服系统的组成相敏放大器位置调节器速度调节器PWM公放器伺服电动机减速器速度检测位置检测Lw直流伺服系统的原理框图++__147七.直流伺服电动机的功率接口

直流伺服电动机的驱动控制一般采用脉冲调制法（PWM）比较器伺服电动机功率放大器三角波发生器UTnUlUI+UTUSUPPWM功率放大器开关功率放大器电压——脉宽变换器图4-13PWM功率驱动接口组成框图148Ul0tUTtUI+UTtUS(UP)tUl0tUS(UP)tUS(UP)tUI+UTtUI+UTtUl0tUTtUTtTUTPP图4—14PWM脉宽调制波形（a）（b）(c)149（1）在图4-14a中，控制信号UI=0，UT与UI相加后，仍然是一个正负幅度相等的三角波，通过比较器之后，输出正负幅度相同.宽度相同的矩形波US，经功率放大器后其直流分量为零，电机不会转动，只是在交流分量的作用下在停止位置处微振，这种振动对直流伺服电动机有利，可以克服直流伺服电动机时的静摩擦。（2）在图4-14b中,控制信号UI>0,这时UT与UI相加后形成一个不对称的三角波，它的正波幅度和宽度增大，负波幅度和宽度减小，通过比较器后，输出正脉冲宽.负脉冲窄的矩形波。由于此时输出电压的平均值（直流分量）为正，因此电动机正转。而且UI越大，输出信号US的正脉冲宽度越宽，在电动机中产生的直流分量越大，电动机正转的速度也越快。（3）在图4-14c中,控制信号UI<0,产生的UT+UI的信号是一150个正波幅度和宽度较小，负波幅度和宽度较大的不对称三角波，通过比较器后，输出正脉冲窄.负脉冲宽的矩形波。由于此时输出电压的平均值（直流分量）为负，因此电动机反转。很明显UI越负，在电动机中产生负的直流分量越大，电动机反转的速度越快。（4）结论：控制信号UI的特性决定了电动机的工作状态，UI=0，电动机停止；UI>0，电动机正转，UI<0电动机反转，且︱UI︱越大，转速则越快。

151图4-15H型桥式PWM晶体管功率放大器152图4-16双极式H型可逆器的电压、电流波形的电路原理图153

（1）当UAB＝0时，Us的正、负脉宽相等，直流分量为零，V1和V4的导通时间与V2和V3的导通时间相等，流过电枢绕组中的平均电流等于零，电动机不转。但在交流分量作用下，电动机在停止位置处微振，这种微振有动力润滑作用，可消除电动机启动时的静摩擦，减小启动电压。 （2）当UAB>0时，Us的正脉宽大于负脉宽，直流分量大于零，V1和V4的导通时间长于V2和V3的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着U1增加，转速增加。 （3）当UAB<0时，Us的直流分量小于零，电枢绕组中的电流平均值也小于零，电动机反转，且反转转速随着U1减小而增加。154

（4）当V1和V4或V2和V3始终导通时，电动机在最高转速下正转或反转。155

156

4.3交流伺服电动机

一.交流伺服电动机的种类1、同步型（SM）：采用永磁结构的同步电动机，又称无刷直流伺服电动机。特点：无接触换向部件需要磁极位置检测器（如编码器）具有直流伺服电动机的全部优点。157

4.3交流伺服电动机

一.交流伺服电动机的种类2、感应型（IM）：笼型感应电动机特点：对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制。具有直流伺服电动机的全部优点。158二、交流伺服电动机的调速 异步电动机的转速方程为

（4-14）

式中,

n为电动机转速；s为转差率。变频调速间接变换方式（交－直－交变频）直接变换方式（交－交变频）SPWM变频调速

159图4-39交—直—交变频电路结构图160图4-39交—直—交变频电路结构图161三、SPWM变频调速1、SPWM波形原理 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。下面来分析一下如何用一系列等幅而不等宽的脉冲来代替一个正弦波。 把图4-40(a)所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。162

这些脉冲宽度相等，都等于π／N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到图4-40(b)所示的脉冲序列，这就是PWM波形。163图4-40正弦波PWM原理示意图(a)正弦半波；(b)PWM波形164

2单相SPWM控制原理 图4-41是采用电力晶体管作为开关器件的电压型单相桥式逆变电路。 控制V4或V3通断的方法如图4-42所示。165图4-41单相桥式PWM逆变电路166图4-42单极性SPWM控制方式原理167

图4-41所示的单相桥式逆变电路采用双极性控制方式时的波形如图4-43所示。168图4-43双极性PWM控制方式原理169交流电动机变频调速功率接口变频调速是交流电动机调速的发展方向，而且有的变频调速系统在动态性能及稳态性能的指标上已超过直流调速。因此在、机电一体化系统设计时可优先选用交流电动机变频调速方案。（1）变频器的分类按照变频方式和控制方式可分为按变频方式交-直-交变频器电压型电流型交-交变频按控制方式脉冲宽度调制型（PWM）脉冲幅度调制型（PAM）矢量控制型170（2）变频器选择电动机的容量及负载特性是变频器选择的基本依据。在选择变频器前，首先要分析控制对象的负载特性并选择电动机容量，根据用途选择合适的变频器类型，然后再进一步确定变频器的容量。

(3)变频器的使用方法在人工控制系统中，只要在控制回路接线端上接上相应的机械开关即可实现变频调速。在自动控制系统中，则有三种方法：第一种使用继电器开关电路，继电器开关受上位控制器的控制，这种方法适用于简单的恒速控制，其控制电路如图4-44α所示。171第二种方法是模拟控制方法，上位机模拟通道与控制回路的电压频率设定端子或电流频率设定端子相连其控制电路如图4-44b所示；第三种方法是采用变频器数字接口板，接口板是变频器的选件，将它接入变频器后，变频器就可以通过数字接口与上位控制器的并行输出口直接相连，以实现直接数字控制，其控制电路如图4-44c所示。172图4-44交频器的三种控制方法173图4-44交频器的三种控制方法174六.步进电动机功率驱动接口

步进电动机功率驱动接口包含环形脉冲分配器和功率放大器两部分。

1.脉冲分配器的实现方法脉冲分配器有两种形式一种是由专门环形分配集成电路或数字时序逻辑电路构成的硬件分配器，如CH250三相步进电动机的脉冲分配器集成电路175CLENJ3RJ3LJ6RJ6L功能11000双三拍正转10100双三拍反转10010单六拍反转10001单六拍正转01000双三拍正转00100双三拍反转00010单六拍正转00001单六拍反转1XXXX不变X0XXXX不变0XXXX不变1XXXXX不变CH250功能真值表176硬件环形分配电路原理图177转向1—2相通电CPWVU代码转向正A000101H反AB101103HB201002HBC311006HC410004HCA510105HA000101H三相六拍分配状态1782.步进电动机功率放大的形式（1）单电压功率放大图图4-45为该电路的原理图，是步进电动机控制中最简单的一种驱动电路，在本质上它是一个简单的功率反向器。单电压功率放大电路的最大特点是结构简单，缺点是工作效率低，在高频工作状态时，效率尤其差。图4-46所示为恒流功放电路，它是单电压功率放大电路的一种改进电路。该电路的特点是用恒流源代替外接电阻RC,使功率大为降低，电源效率得到提高。179图4-45单电压功率放大电路原理图180图4-46恒流功放电路原理图ILIDIe181（2）双电压功率放大电路双电源功率放大电路图182（3）斩波型功率放大电路此类电路有两种：一种是斩波恒流型；另一种是斩波平滑型。前者应用较为广泛。斩波恒流功放是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近，典型电路如图4-47a所示。从提高高频工作性能及店员效率的角度看，斩波恒流型功放电路可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定额定电流和减小时间常数，但是由于电流波形呈锯齿形，驱动时会有较大的电磁噪声。要消除电磁噪声，有两种措施：一是使斩波频率提高至超声波频率；另一种是使步进电动机各相采用同一个频率的斩波信号。