交流伺服电机及其控制技术 教学课件 ppt 作者 寇宝泉 第5章

1、24828E,第5章 交流伺服系统常用的传感器,5.1 位置传感器 5.2 速度传感器 5.3 电流传感器 5.4 电压传感器 5.5 温度传感器,24828E,第5章 交流伺服系统常用的传感器,表-1 传感器的主要类型,24828E,5.1 位置传感器,5.1.1 旋转变压器 5.1.2 感应同步器 5.1.3 旋转变压器-数字转换器 5.1.4 光电编码器 5.1.5 磁性编码器 5.1.6 几种传感器的对比,24828E,5.1.1 旋转变压器,1.电磁式旋转变压器 2.磁阻式旋转变压器,24828E,1.电磁式旋转变压器,图-1 无刷旋转变压器的结构,24828E,1.电磁式旋转变压器,图-2 振幅调制型无刷旋转变压器的绕组配置,24828E,1.电磁式旋转变压器,图-3 振幅调制型无刷旋转变压器的信号,24828E,1.电磁式旋转变压器,图-4 相位调制型无刷旋转变压器的绕组配置,24828E,1.电磁式旋转变压器,图-5 相位调制型无刷旋转 变压器的信号,24828E,2.磁阻式旋转变压器,图-6 磁阻式旋转变压器的定、转子冲片图,24828E,2.磁阻式旋转变压器,图-7

2、 磁阻式旋转变压器原理示意图,24828E,5.1.2 感应同步器,(1)输出电压小 (2)电枢反应弱 (3)输出电压的失真系数大于励磁电压 (4)输出电压相位移接近90,24828E,5.1.2 感应同步器,图-8 感应同步器绕组布线示意图 a)定子 b)转子,24828E,5.1.3 旋转变压器-数字转换器,1)提供有10位、12位、14位和16位的分辨率，用户可通过两个控制引脚自行选用不同的分辨率。 2)可将输入的模拟信号转换为并行二进制数输出，易与单片机或DSP等控制芯片接口。 3)采用比率跟踪转换方式，使之连续输出数据而没有转换延迟，并具有较强的抗干扰能力和远距离传输能力。 4)用户可通过外围元器件的选择来改变带宽、最大跟踪速度等动态性能。 5)具有很高的跟踪速度，当采用10位分辨率时，最大跟踪速度达1040r/s。 6)能产生与转速成正比的模拟信号，输出范围为8V(DC)，线性度可达，回差小于0.3%，可代替传统的测速发电机，提供高精度的速度信号。 7)具有过零标志信号(RIPPLE CLOCK)和旋转方向信号(DIRECTION)。,24828E,5.1.4 光电编码器,

3、1.绝对式编码器 2.增量式编码器 3.准绝对式编码器 4.混合式光电编码器,24828E,1.绝对式编码器,(1)单圈编码器 (2)多圈编码器,24828E,1.绝对式编码器,图-10 绝对式编码器的结构,24828E,1.绝对式编码器,图-11 二进制码盘的光学图案,24828E,1.绝对式编码器,图-12 格雷码码盘的 光学图案,24828E,2.增量式编码器,图-13 增量式编码器的结构,24828E,2.增量式编码器,图-14 增量式编码器光学图案,24828E,3.准绝对式编码器,1)准绝对式编码器光学图案比较简单，因此，准绝对式编码器的机械尺寸比较小，译码系统也比较简单。 2)准绝对式编码器用光学图案对位置进行编码，因此，应用系统可在工作的任意时刻进行位置测量，测量到的数据为绝对位置数据，且测量结果不易丢失，两次上电测量同一位置的测量结果绝对一样。 3)准绝对式编码器位置编码的各有效位沿圆周(切向)分布，因此，应用系统上电后不能立刻获得有效位置编码，而要经过一个自引导过程，但无论自引导过程的方向和起始位置如何，初始化位移都固定为几个计量光栅节距，轻微的振动就可以确定初始位

4、置，方便了实际操作。 4)准绝对式编码器光学图案包含计量光栅，因此，可以通过电子技术或软件方法对光学最小分辨角进行细分，从而有效提高系统的测量精度。 5)准绝对式编码器输出的位置信息是全量程绝对编码，非常容易与计算机、过程控制器和伺服控制器等数字器件相连接。,24828E,3.准绝对式编码器,图-15 准绝对式编码器 光学图案,24828E,4.混合式光电编码器,图-16 混合式光电编码器的输出信号波形,24828E,4.混合式光电编码器,图-17 混合式光电编码器信号处理电路框图,24828E,4.混合式光电编码器,图-18 混合式光电编码器 I/V转换电路,24828E,5.1.5 磁性编码器,1.磁性编码器的结构与工作原理 2.采用多相形式的多脉冲化,24828E,1.磁性编码器的结构与工作原理,(1)磁鼓 (2)磁阻效应元件(Magnetoresistive,24828E,1.磁性编码器的结构与工作原理,图-19 磁性编码器的结构,24828E,图-20 MR元件的磁场与磁化,24828E,图-21 MR元件的电阻变化率特性,24828E,图-22 磁鼓与MR元件的位置关系,2

5、4828E,图-23 MR元件的输出特性,24828E,图-24 MR元件的接线图,24828E,2.采用多相形式的多脉冲化,1)结构简单、紧凑。 2)灵敏度高、稳定性好、高频特性好，响应速度快。 3)高速下仍能稳定工作。 4)抗污染等恶劣环境的能力强。 5)具有多功能的特点，易于制成绝对式编码器。 6)耐振动、抗冲击、可靠性高。 7)耗电少。,24828E,2.采用多相形式的多脉冲化,图-25 2倍频时MR元件的接线图,24828E,2.采用多相形式的多脉冲化,图-26 信号处理电路,24828E,2.采用多相形式的多脉冲化,图-27 信号处理时序,24828E,5.1.6 几种传感器的对比,表-5 常用的三种位置(速度)传感器的比较,24828E,5.2 速度传感器,5.2.1 测速发电机 5.2.2 数字转速传感器,24828E,5.2.1 测速发电机,1)输出电压与转速成正比，并保持稳定。 2)转动惯量小，以保证反应迅速。 3)灵敏度高，即输出电压对转速的变化反应灵敏，输出特性斜率大。 4)结构简单、工作可靠。 5)输出电压纹波小。 6)正、反转的输出特性应一致。 7)无线电干

6、扰小、噪声小、体积小、重量轻。,24828E,1.无刷直流测速发电机,图-28 三相无刷直流测速发电机的构成,24828E,1.无刷直流测速发电机,图-29 三相无刷直流测速 发电机的信号波形,24828E,2.异步测速发电机,(1)非线性误差 只有在严格保持直轴磁通d不变的前提下，异步测速发电机的输出电压才与转子转速成正比。 (2)剩余电压 (3)相位误差,24828E,2.异步测速发电机,图-30 异步测速发电机的工作原理,24828E,5.2.2 数字转速传感器,1.数字测速的技术要求 2.数字测速方法,24828E,1.数字测速的技术要求,(1)分辨率 (2)精度 (3)检测时间,24828E,2.数字测速方法,(1)M法测速 (2)T法测速 (3)M/T法测速,24828E,2.数字测速方法,图-31 M法测速原理,24828E,图-32 T法测速原理,24828E,图-33 M/T法测速原理,24828E,5.3 电流传感器,5.3.1 霍尔电流传感器 5.3.2 电流检测IC 5.3.3 电阻+绝缘放大器,24828E,5.3.1 霍尔电流传感器,1.直接检测式电流传感器

7、 2.磁场平衡式电流传感器,24828E,1.直接检测式电流传感器,图-34 直接检测式霍尔电流传感器原理图,24828E,2.磁场平衡式电流传感器,1)测量范围宽，可测量各种电流，如直流、交流、脉冲电流等。 2)电气隔离性能好。 3)线性度好、测量精度高。 4)抗外界电磁和温度等干扰因素的能力强。 5)电流上升率大，响应速度快，工作频带宽。 6)过载能力强、可靠性高。 7)体积小，重量轻，安装简单、方便。,24828E,2.磁场平衡式电流传感器,图-35 磁场平衡式霍尔电流传感器原理图,24828E,5.3.2 电流检测IC,图-36 IR2171的内部框图,24828E,5.3.2 电流检测IC,图-37 采用线性光耦隔离的 直流电流检测电路,24828E,5.3.3 电阻+绝缘放大器,这种方法是使要检测的电流流过电阻，把电阻上产生的电压通过绝缘放大器(或线性光耦)隔离，以达到强、弱电隔离及噪声隔离的目的。由于检测电流中含有PWM斩波产生的高次谐波，所以检测电阻必须采用无感电阻。图-37是采用线性光耦隔离的直流电流检测电路。,24828E,5.4 电压传感器,电压传感器主要用于检测逆变电路的直流母线电压。上节介绍的霍尔电流传感器可以作为电压传感器使用。也可以采用先利用采样电阻分压，再把采样电阻上的电压通过绝缘放大器(或线性光耦)隔离的电压检测方法。除此之外，还可以利用V/F变换器把直流母线电压转换成频率与该电压成正比的脉冲列，把脉冲列利用光耦隔离，并通过计数器计数，这种电压方式为数字检测方式；或把脉冲列输入到F/V变换器，把频率信号转换成直流电压信号，这种电压检测方式则为模拟检测方式。,24828E,5.5 温度传感器,(1)电阻值：R() (2)B值(热敏指数)：B(k) (3)耗散系数：(mW/) (4)热时间常数：(sec) (5)电阻温度系数：(%/),24828E,图-38 各种热敏电阻器,

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