第二章 电力传动系统状态量的检测.ppt

《《电气传动数字控制系统电气传动数字控制系统》》——第二章第二章 电气传动系统状态量的检测电气传动系统状态量的检测第二章第二章 电气传动系统状态量的检测电气传动系统状态量的检测2.1 2.1 位移检测位移检测 光栅位置检测传感器光栅位置检测传感器2.2 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测 绝对式光电编码盘绝对式光电编码盘2.3 2.3 转速检测转速检测 增量式光电编码盘增量式光电编码盘 直流测速发电机直流测速发电机2.4 2.4 电流和电压检测电流和电压检测 霍尔电流传感器霍尔电流传感器 霍尔电压传感器霍尔电压传感器  在电动机控制中，控制系统可分为开环系统和闭环系在电动机控制中，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、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电压、电流检测传感器的工作原理及应用前言前言2.1 2.1 位移检测位移检测 光栅是一种在基体上刻制有等间距的均匀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分布条纹的光学元件光栅技术已经出现100100多年了，随着光栅的刻制技术、电子技术多年了，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，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中，已经是相当普遍的事了 光栅传感器的分类光栅传感器的分类 光栅传感器可分为透射式光栅和反射式光栅两种图光栅传感器可分为透射式光栅和反射式光栅两种图2-12-1是是透射式光栅传感器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，光栅是由透光材料栅副的两侧，光栅是由透光材料( (如玻璃如玻璃) )制成的图制成的图2-22-2是是反射反射式光栅传感器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是由不透光材料( (如金属如金属) )制成的光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移传感器的组成光栅位移传感器的组成 光光 栅栅 光栅的表面刻有规光栅的表面刻有规则排列和形状的刻线，则排列和形状的刻线，这些刻线可以是透光的这些刻线可以是透光的( (透射式透射式) )或不透光的或不透光的( (反反射式射式) )。

常用的光栅传感常用的光栅传感器的刻线多属于黑白型器的刻线多属于黑白型的，如下图所示这种的，如下图所示这种刻线刻线( (或称栅线或称栅线) )的白色的白色宽度为宽度为a a，黑色宽度为，黑色宽度为b b，通常情况下，通常情况下a a＝＝b b图中的中的W W＝＝a+ba+b，称为，称为光栅光栅栅距栅距，或称为，或称为光栅常数光栅常数光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器 光栅传感器系统由光栅传感器系统由光栅光栅、、光栅光学系统光栅光学系统、、光电接收系统光电接收系统组成 黑白型光栅黑白型光栅光栅位移传感器的组成光栅位移传感器的组成 光栅光学系统光栅光学系统 光栅光学系统可分成光栅光学系统可分成光源系统光源系统和和光栅副光栅副两部分，其作两部分，其作用是形成用是形成莫尔条纹莫尔条纹光栅光学系统的原理图如图所示光栅光学系统的原理图如图所示光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光源系统光源系统光栅副：标尺光栅副：标尺光栅（移动光光栅（移动光栅）和指示光栅）和指示光栅（固定光栅）栅（固定光栅）光栅位移传感器的组成光栅位移传感器的组成 光电接收系统光电接收系统 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栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光电接收系统光电接收系统光栅位移传感器的工作原理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之间形成一个很小的交角θ，如图，如图(a)所示由于遮光效应，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，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相间的条纹就称为莫尔莫尔(Moire)条纹条纹两条暗纹之间的距离两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹间距，用称为莫尔条纹间距，用B来表示 光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器两光栅刻线两光栅刻线交角交角θθ越小，越小，莫尔条纹间莫尔条纹间距距B B越大莫尔条纹莫尔条纹演示演示 莫尔条纹与两光栅刻线间的夹角莫尔条纹与两光栅刻线间的夹角θ的平分线近似垂直．的平分线近似垂直．当标尺光栅和指示光栅的交角当标尺光栅和指示光栅的交角θ保持不变而相对移动时，莫保持不变而相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移动。

光栅移动了尔条纹将沿着刻线方向移动光栅移动了W W／／2 2栅距时，莫尔栅距时，莫尔条纹由亮条纹变为暗条纹条纹由亮条纹变为暗条纹( (或由暗条纹变为亮条纹或由暗条纹变为亮条纹) )；光栅再；光栅再移动移动W/2W/2栅距时，莫尔条纹则由暗条纹变回亮条纹栅距时，莫尔条纹则由暗条纹变回亮条纹( (或由亮条或由亮条纹变回暗条纹纹变回暗条纹) )因此，光栅移动一个栅距光栅移动一个栅距W W时，莫尔条纹也时，莫尔条纹也移动一个间距移动一个间距B，同时，在指示光栅上的光敏元件接收到，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通过电脉冲计数就可以测量标尺光栅移动的位移位移X X, ,即即 X= X=iWiW 式中：式中：i——i——光电脉冲个数；光电脉冲个数； W——W——光栅栅距光栅栅距 光栅位移传感器的工作原理光栅位移传感器的工作原理光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器 可见，可见，只要保持光栅刻线交角只要保持光栅刻线交角θ足够小，就能获得足够足够小，就能获得足够大的、放大了的莫尔条纹间距目，来测量标尺光栅的位置大的、放大了的莫尔条纹间距目，来测量标尺光栅的位置，，比读光栅刻线要方便得多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传感器的工作原理光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器 实际上，莫尔条纹从亮条纹到暗条纹，以及从暗条纹到实际上，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，即由暗敏元件接收的光照强度也经历了一个周期的变化，即由暗——弱弱——半亮半亮——亮亮——半亮半亮——弱弱——暗变化一次；如果暗变化一次；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传感器的工作原理光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移传感器的工作原理光栅位移传感器的工作原理光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器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，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：其输出波形近似于正弦波形，可表示如下： 式中式中 ——输出信号的直流分量输出信号的直流分量 ——交流信号的幅值。

交流信号的幅值 右图表示了光敏元右图表示了光敏元件的输出随光栅光强度件的输出随光栅光强度变化而变化的规律变化而变化的规律光光强度变化一次所需的时强度变化一次所需的时间间(周期周期)与光栅位移一个与光栅位移一个栅距所需的时间是相同栅距所需的时间是相同的的举例：举例：光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，标尺光栅与指示光栅，标尺光栅与指示光栅的夹角的夹角  =0.1 ，求莫尔条纹的宽度，求莫尔条纹的宽度B是多少？若光电元件检是多少？若光电元件检测到脉冲个数测到脉冲个数i为为500个，那么标尺光栅移动的距离是多少个，那么标尺光栅移动的距离是多少X？？ 分析：分析：（（1）栅距）栅距W =1mm/50=0.02mm=20 m (分辨率分辨率) （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）（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（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 莫尔条纹宽度为莫尔条纹宽度为11.46mm，标尺光栅移动的距离为，标尺光栅移动的距离为1cm 辨向原理及电路辨向原理及电路光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器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，这就是小的属性外，还有一个属性，这就是位移的方向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，必须有是不行的，必须有2个以上的信号根据它们的相位不同来个以上的信号根据它们的相位不同来判断位移方向因此，在指示光栅上安装判断位移方向因此，在指示光栅上安装2个光敏元件个光敏元件Ta、、Tb，安装位置如图所示，，安装位置如图所示，2个光敏元件相距个光敏元件相距B／／4，这样，，这样，它们的输出它们的输出ua、、ub相位相差相位相差90°。

辨向光敏元件位置图辨向原理及电路辨向原理及电路光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器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（是一个逻辑电路，如图（a）所示 用作为用作为2个与门的控制信个与门的控制信号，号， 信号分成信号分成2路：一路经微分电路后送与门路：一路经微分电路后送与门Yl，另一路反，另一路反相后再微分送与门相后再微分送与门Y2由图 （（b）波形图可见，莫尔条纹下移）波形图可见，莫尔条纹下移时，时， 的微分脉冲出现在的微分脉冲出现在 的高电平区间，与门的高电平区间，与门Yl有脉冲输有脉冲输出，它表示了莫尔条纹下移；莫尔条纹上移时，出，它表示了莫尔条纹下移；莫尔条纹上移时， 微分脉冲微分脉冲出现在出现在 的高电平区间，与门的高电平区间，与门Y2有脉冲输出，它表示了莫尔条有脉冲输出，它表示了莫尔条纹上移由此可以辨别光栅的移动方向由此可以辨别光栅的移动方向光栅细分技术光栅细分技术光栅细分技术光栅细分技术 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，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．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，称其为放大因子其为放大因子 ，， 可由下式表示，即可由下式表示，即式中，式中， 稀光栅栅距稀光栅栅距 ；； 密光栅栅距密光栅栅距 光栅细分技术光栅细分技术光栅细分技术光栅细分技术 当当 值不同时，莫尔条纹的数目也不同，莫尔条纹随值不同时，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，随着值变化的情况如图所示由图可见，随着 值的增大，值的增大，莫尔条纹变密了当标尺光栅移动一个栅距莫尔条纹变密了。

当标尺光栅移动一个栅距 ，时，莫，时，莫尔条纹变化了尔条纹变化了 次，相当于放大了次，相当于放大了 倍可见 越大，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，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光栅细分技术光栅细分技术光栅细分技术光栅细分技术 2.莫尔条纹电子细分法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百倍最简单和最常用的细分倍数是4倍这就需要在如图倍这就需要在如图的一个莫尔条纹间距的一个莫尔条纹间距B内，每隔内，每隔B/4安放一个光敏元件，共安放一个光敏元件，共4个光敏元件，使他们的输出相位依次相差个光敏元件，使他们的输出相位依次相差90°光栅传感器的优点光栅传感器的优点（（1 1））输出数字信号输出数字信号 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。

字电路特别是单片机接口2 2））高精度 由于精密的光刻技术和电子细分技术，以及莫尔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光测量，而成本却低得多目前，的测量精度仅次于激光测量，而成本却低得多目前，用于长度测量的光栅精度可达用于长度测量的光栅精度可达0.50.5μμm m/m/m，， 计数速度为计数速度为200 mm200 mm／／s s几种常用的光栅传感器精度如下表所列几种常用的光栅传感器精度如下表所列光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器各种光栅传感器的精度各种光栅传感器的精度光栅传感器的优点光栅传感器的优点光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器（（3））大量程、高分辨率大量程、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 （（4 4））较强的抗干扰能力。

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5 5））信号处理电路简单、可靠信号处理电路简单、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6 6））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位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅传感器的优点光栅传感器的优点光栅传感器的缺点光栅传感器的缺点（（1 1））对环境条件敏感对环境条件敏感 由于光栅传感器的光栅片一般是用玻璃制作的，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的变化会影响光栅传感器的性能和可靠性2 2））一般的光栅传感器是增量式的，信号的输出是一般的光栅传感器是增量式的，信号的输出是串行的 信号的读取电路复杂，速度提高受限信号的读取电路复杂，速度提高受限光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器光栅位移检测传感器 光栅传感器的应用光栅传感器的应用密封式开启式安装有直线光栅的数控机床加工实况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防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部 增量编码器增量编码器 在在增量式增量式测量中，移动部件每移动一个基本长度单位，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，这样，一个脉冲一个脉冲所代表的基本长度单位就是所代表的基本长度单位就是分辨率分辨率，对脉冲，对脉冲计数计数，便可得到位移量。

便可得到位移量角位移、速度测量）（角位移、速度测量） 绝对编码器绝对编码器 在在绝对式绝对式测量中，每一被测点都有一个对应的测量中，每一被测点都有一个对应的编码编码，，常以常以二进制数据二进制数据形式来表示绝对式测量即使断电之后再形式来表示绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前重新上电，也能读出当前位置位置的数据角位移测量）（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、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、高可靠性的特点高分辨率、高可靠性的特点光电式编码器光电式编码器从结构上可分为从结构上可分为绝对式绝对式和和增量式增量式两种 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测绝对编码器绝对编码器 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形光学玻璃上刻出透光和不透光的编码4 4位二进制绝对式光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示““0”0”信息，反之表示信息，反之表示““1”1”信息绝对式光码盘工作原理绝对式光码盘工作原理2.2 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测 图中，一个圆环称为一个图中，一个圆环称为一个码道，对应于数码的码道，对应于数码的1 1位，外位，外环为最低位，里环为最高位．环为最低位，里环为最高位．根据码道数根据码道数N ，按，按2 2N 对圆周分对圆周分度因此，编码盘的角度分辨度因此，编码盘的角度分辨率为：率为： 2.2 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测绝对编码器绝对编码器 码道数码道数 N 越大，分辨率越大，分辨率 越小，编码盘对角度变化的越小，编码盘对角度变化的分辨能力越强，测量也越精确分辨能力越强，测量也越精确绝对式编码绝对式编码器器 1010码道绝对式光电码盘码道绝对式光电码盘 绝对式编码器绝对式编码器按照角按照角度直接进行编码，可直接度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表把被测转角用数字代码表示出来。

根据内部结构和示出来根据内部结构和检测方式有检测方式有接触式接触式、、光电光电式等式等形式 透光区透光区不透光区不透光区零位标志零位标志2.2 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测绝对（接触）式编码器绝对（接触）式编码器演示演示4 4个电刷个电刷 4 4位二进制码位二进制码盘盘 +5V+5V输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 α=360°/2α=360°/2n n 2.2 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测四码道编码盘轴角与二进制数码对照表四码道编码盘轴角与二进制数码对照表 轴轴位置位置角度角度二二进进制制码码轴轴位置位置角度角度二二进进制制码码00º00008180º1000122.5º00019202.5º1001245º001010225º1010367.5º001111247.5º1011490º010012270º11005112.5º010113292.5º11016135º011014315º11107157.5º011115337.5º11112.2 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀刀具具角编码器的输出为角编码器的输出为当前刀具当前刀具号号角编码器与旋转刀库连接角编码器与旋转刀库连接2.2 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（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编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用增量式编码器增量式编码器2.2 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测 增量式光电编码盘是在一个，有内向外分别为增量式光电编码盘是在一个，有内向外分别为A A、、B B、、C C，，如图如图(a)(a)。

在在A A、、B B码道的码盘上，等距离地开有透光的缝隙，码道的码盘上，等距离地开有透光的缝隙，2 2条码道上相邻的缝隙互相错开半个缝宽，展开图如图条码道上相邻的缝隙互相错开半个缝宽，展开图如图(b)(b)第三条码道第三条码道C C只开了一个缝隙，用来表示码盘的零位只开了一个缝隙，用来表示码盘的零位 在码盘的两侧在码盘的两侧分别安装光源和光分别安装光源和光敏元件，当码盘转敏元件，当码盘转动时光源通过透光动时光源通过透光和不透光的区域，和不透光的区域，相应地，每条码道相应地，每条码道将有一系列脉冲从将有一系列脉冲从光敏元件输出光敏元件输出 码道上有多上码道上有多上个缝隙，就会有多个缝隙，就会有多少个脉冲输出将少个脉冲输出将这些信号整形后，这些信号整形后，输出的脉冲信号如输出的脉冲信号如图（图（c c所示）所示） 增量式编码器增量式编码器2.2 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测辨向信号和零标志辨向信号和零标志 光光电电编编码码器器的的码码盘盘上上有有A A组组与与B B组组两两组组狭狭缝缝，，彼彼此此错错开开1/41/4节节距距，，两两组组狭狭缝缝相相对对应应的的光光敏敏元元件件所所产产生生的的信信号号A A、、B B彼彼此此相相差差9090 相相位位，，用用于于辩辩向向。

当当编编码码正正转转时时，，A A信信号号超超前前B B信信号号9090 ；；当当码码盘盘反反转转时时，，B B信信号号超超前前A A信号信号9090  在在码码盘盘上上，，还还有有一一个个狭狭缝缝C C，，每每转转能能产产生生一一个个脉脉冲冲，，该该脉脉冲冲信信号号又又称称““一一转转信信号号””或或零零标标志志脉脉冲冲，，作作为为测测量量的的起起始始基准基准增量式编码器增量式编码器2.2 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测编码器方向的辨别编码器方向的辨别D D触发器触发器2.2 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测BABABA编码器方向的辨别编码器方向的辨别2.2 2.2 角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（角位移）检测角度（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 经过放大整形后的经过放大整形后的A、、B两相脉冲分别输入到两相脉冲分别输入到D触发器的触发器的D端和端和CP端，如图（端，如图（a）。

因此，）因此，D触发器的触发器的CP端在端在A脉冲的上升沿触发脉冲的上升沿触发由于由于A、、B脉冲相位差脉冲相位差90°，当正转时，，当正转时，B脉冲超前脉冲超前A脉冲脉冲90°，触发，触发器总是在器总是在B脉冲处于高脉冲时触发，如图（脉冲处于高脉冲时触发，如图（b），这时），这时Q=1，表示，表示正转；当反转时，正转；当反转时，A脉冲超前脉冲超前B脉冲脉冲90°，触发器总是在，触发器总是在B处于低电处于低电平是触发，这时平是触发，这时Q=0，表示反转表示反转 A、、B脉冲的另一路经与门后，输出计数脉冲这样，用脉冲的另一路经与门后，输出计数脉冲这样，用Q或或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，形成增量编码次角度的增量，形成增量编码。

2.32.3转速检测转速检测 在电气传动速度控制的调速系统中，必须进行转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：可分为两类： 一类一类是输出为脉冲量的传感器，一般称为是输出为脉冲量的传感器，一般称为增量式增量式脉冲发生器（增量式光电编码器）脉冲发生器（增量式光电编码器），包括光电式脉冲，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感应同步器等 另一类另一类是输出为模拟电压量的模拟式传感器，即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传统的测速发电机2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速 增增量量式式编编码码器器除除了了能能直直接接测测量量角角位位移移或或间间接接测测量量直直线线位位移移外外，，常常用用于于数数字字测测速速、、工工位位编编码码、、伺伺服服电电机机控控制制等。

等 M M法测速法测速脉冲频率法测速脉冲频率法测速-M-M法测速法测速M M法测速法测速（适合于高转速场合）（适合于高转速场合）T 编编码码器器每每转转产产生生 N N 个个脉脉冲冲，，在在T T 时时间间段段内内有有 m m1 1 个个脉冲产生，则转速（脉冲产生，则转速（r/min)r/min)为为 ：：n n = 60= 60m m1 1/ /（（NTNT）） 由于由于M M法在低速时的相对分辨率和检测精度都较差，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适合较高转速的测量 m12.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速M法测速法测速（脉冲频率法测速）（脉冲频率法测速）例题例题T 有有一一增增量量式式光光电电编编码码器器，，其其参参数数为为10241024p/rp/r，， 在在5s5s时时间间内内 测测 得得 6553665536个个 脉脉 冲冲 ，， 则则 转转 速速 （（ r/min)r/min)为为 ：： n n = = 6060m m1/1/（（TNTN）） n n = 60 = 60 ×× 65536 / 65536 /（（1024 1024 ×× 5 5）） r/minr/min = 768 = 768 r/minr/min m1 编码器每转产生编码器每转产生 N N 个脉冲，在个脉冲，在T T 时间段内有时间段内有 m m1 1 个脉个脉冲产生，则转速（冲产生，则转速（r/min)r/min)为为 ：：n n = 60= 60m m1 1/ /（（NTNT））2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速T T法测速法测速脉冲周期法测速脉冲周期法测速-T-T法测速法测速2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速T T法测速法测速（（适合于低转速场合）适合于低转速场合）时钟脉冲时钟脉冲f fc c 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 ··· 编编码码器器每每转转产产生生 N N 个个脉脉冲冲，，用用已已知知频频率率f fc c作作为为时时钟钟，，填填充充到到编编码码器器输输出出的的两两个个相相邻邻脉脉冲冲之之间间的的脉脉冲冲数数为为m m2 2 ，，则转速则转速(r/min)(r/min)为为 n n = 60= 60f fc c / / （（NmNm2 2 ）） T T法法在在高高速速时时的的相相对对分分辨辨率率和和检检测测精精度度都都较较差差，，适适合较低转速的测量合较低转速的测量。

2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速T法测速法测速（脉冲周期法测速）（脉冲周期法测速）时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 ··· n = 60fc /（（Nm2 ）） = 60*1000000/（（1024*3000）） =19.53 r/min 有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其参数为10241024p/rp/r，，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为30003000，，时钟频时钟频率率f fc c为为1MHz 1MHz ，，则转速（则转速（r/min)r/min)为为 ：： 编码器每转产生编码器每转产生 N N 个脉冲，用已知频率个脉冲，用已知频率f fc c作为时钟，填充到编码器输出的两作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为个相邻脉冲之间的脉冲数为m m2 2 ，则转速，则转速(r/min)(r/min)为为 n n = 60= 60f fc / c / （（NmNm2 2 ）） 2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速T法测速法测速（脉冲周期法测速）（脉冲周期法测速）编码器在伺服电机中的应用编码器在伺服电机中的应用 利用利用编码器测编码器测量量伺服电机的转速、伺服电机的转速、转角，并通过伺服转角，并通过伺服控制系统控制其各控制系统控制其各种运行参数。

种运行参数•转速测量转速测量•转子磁极位置测量转子磁极位置测量•角位移测量角位移测量2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速光电编码器测速 用用测速发电机测速发电机测量转速是长期以来一直使用的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简便方法在原理上，交流测速发电机感应电势的电势的频率和电压与转频率和电压与转速成正比，使用时需要整流、滤波，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，原理电路及特性见下图图中，K K为测为测速发电机的速发电机的电压常数测速发电机运行可靠、价格便宜、采用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、对称动、死区、对称性和线性度误差以及受温度影响等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不高的传动系统中。

测速发电机检测转速测速发电机检测转速2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测 测速发电机的原理电路及特性测速发电机的原理电路及特性 a) a)直流直流 b)b)交流交流2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速 为实现微机对转速的检测，需对测速机输出的模拟电压为实现微机对转速的检测，需对测速机输出的模拟电压UaUa进行变换，下图为采用直流测速机的变换电路图中，电进行变换，下图为采用直流测速机的变换电路图中，电位器位器RPRP1用来改变前置放大器用来改变前置放大器A A1 1的输出电压，经的输出电压，经A A2 2与二极管组与二极管组成的绝对值放大器获得标准模拟电压成的绝对值放大器获得标准模拟电压U Ud d，电压比较器，电压比较器C C作为作为电压电压U Ua a的极性鉴别器，其输出的极性鉴别器，其输出U UD D的高低电平用作被测转轴旋的高低电平用作被测转轴旋转方向的判向信号。

转方向的判向信号2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速测速机输出电压变换电路测速机输出电压变换电路 2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速 上图中模拟电压的上图中模拟电压的U Ud d 要能被微机检测可采用两要能被微机检测可采用两种转换器，其一是种转换器，其一是电压频率变换器（电压频率变换器（VFC)VFC), ,其二是其二是模拟模拟/ /数字数字(A/D)(A/D)转换器转换器分述如下：分述如下：2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速测速发电机－电压频率变换器（测速发电机－电压频率变换器（VFC)VFC)测速测速 电压频率变换器电压频率变换器(VFC)(VFC)是一种把模拟输入电压变是一种把模拟输入电压变换成脉冲信号输出的变换器，其输出脉冲的频率换成脉冲信号输出的变换器，其输出脉冲的频率f f正比于输入电压正比于输入电压U Ud d。

VFCVFC的传输特性如下：的传输特性如下： 其输出脉冲的频率其输出脉冲的频率f f正比于输入电压正比于输入电压UdUd，正比于，正比于测速发电机的转速测速发电机的转速n n2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速 测速发电机－电压频率变换器（测速发电机－电压频率变换器（VFC)VFC)测速测速经光电耦合器送微机接口的经光电耦合器送微机接口的 VFCVFC的输出脉冲电路的输出脉冲电路2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速 测速发电机－测速发电机－A/DA/D转换器测速转换器测速 大规模集成大规模集成A A／／D D转换器易于与微机相接，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，目前已生产出各式着大规模集成电路的发展，目前已生产出各式各样的各样的A A／／D D转换器下面简要介绍转换器。

下面简要介绍A A／／D D转换器转换器的主要技术指标及用于转速检测的有关问题的主要技术指标及用于转速检测的有关问题2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速 由微机利用测速机、模拟电压变换电路及由微机利用测速机、模拟电压变换电路及A/DA/D转换转换接口芯片组成的测速装置进行转速检测时，原理如图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－测速发电机－A/DA/D转换器测速转换器测速2.3 2.3 2.3 2.3 转速检测转速检测转速检测转速检测- - - -测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速测速发电机测速2.42.4电流和电压的检测电流和电压的检测（一）电流的检测（一）电流的检测 如果电流如果电流比较小比较小，可以在待测电路上串入，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、输入微机模数转换、输入微机 如果电流如果电流比较大比较大，或要求有电隔离，则可，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：的工作原理如下：霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流场方向垂直于薄片，当有电流 I 流过薄片时，在垂流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势直于电流和磁场的方向上将产生电动势E H(VH)，这，这种现象称为种现象称为霍尔效应霍尔效应。

作作用用在在半半导导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B越越强强，，霍霍尔尔电电势势也就越高霍尔电势也就越高霍尔电势EH（电压（电压VH）可用下式表示：）可用下式表示： EH=K IB2024/9/858霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、、d方向的端面之间建立起霍尔电势方向的端面之间建立起霍尔电势c cd da ab b磁场平衡式霍尔电流传感器磁场平衡式霍尔电流传感器IpIcRMVMVHR1IsNpNS2.42.42.42.4电流和电压的检测电流和电压的检测电流和电压的检测电流和电压的检测磁场平衡式霍尔电流传感器磁场平衡式霍尔电流传感器磁场平衡式霍尔电流传感器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中通过一个固定的电流Ic。

聚磁环中穿过一根聚磁环中穿过一根导线，其中流过待测电流导线，其中流过待测电流Ip Ip在聚磁环及其在聚磁环及其缝隙中产生磁场，磁场强度为缝隙中产生磁场，磁场强度为Hp，磁感应强度，磁感应强度为为B于是霍尔元件产生霍尔电流差于是霍尔元件产生霍尔电流差VH VH=K×B×Ic K——霍尔系数霍尔系数 2.42.42.42.4电流和电压的检测电流和电压的检测电流和电压的检测电流和电压的检测磁场平衡式霍尔电流传感器磁场平衡式霍尔电流传感器 VH经放大器经放大器A放大，获得一个补偿电流放大，获得一个补偿电流IsIs流过流过绕在聚磁环上的多匝线圈，产生的磁动势和待测电流绕在聚磁环上的多匝线圈，产生的磁动势和待测电流产生的磁势方向相反，因而产生补偿作用，使磁场减产生的磁势方向相反，因而产生补偿作用，使磁场减小，小，VH随着减小随着减小 因为放大器的放大倍数很大，最后的结果是因为放大器的放大倍数很大，最后的结果是VH≈0，B ≈ 0，此时，此时 IpNp ≈ IsNs 其中，其中，Np——待测电流流过的绕组匝数（图中待测电流流过的绕组匝数（图中Np=1））; Ns——补偿电流流过的绕组匝数。

补偿电流流过的绕组匝数 因此，在已知因此，在已知Np和和Ns的条件下，只要测得的条件下，只要测得Is，即，即可求出待测电流可求出待测电流Ip，也可以根据，也可以根据Is在已知电阻值的测在已知电阻值的测量电阻量电阻RM上的电压上的电压VM，求出，求出IpVM可经模数转换后可经模数转换后进入计算机进入计算机2.42.42.42.4电流和电压的检测电流和电压的检测电流和电压的检测电流和电压的检测磁场平衡式霍尔电流传感器磁场平衡式霍尔电流传感器 霍尔电流传感器的待测电流回路和输出电流时互霍尔电流传感器的待测电流回路和输出电流时互相电隔离的此外，其测量误差绝对值可小于额定值相电隔离的此外，其测量误差绝对值可小于额定值的的1%，测得线性度的绝对值为额定值的，测得线性度的绝对值为额定值的0.2%以下，以下，反应时间反应时间1μs，待测电流的频率范围可到，待测电流的频率范围可到0-150kHz可见其精度及响应速度都是比较高的可见其精度及响应速度都是比较高的2.42.42.42.4电流和电压的检测电流和电压的检测电流和电压的检测电流和电压的检测 对直流电流、电压的检测可采用霍尔传感器。

对直流电流、电压的检测可采用霍尔传感器霍尔传感器是一、二次侧电路高度绝缘、带宽从直霍尔传感器是一、二次侧电路高度绝缘、带宽从直流到流到100kHz、反应时间小于、反应时间小于1μs 的传感器采用霍的传感器采用霍尔电流、电压传感器的检测电路如下图在其二次尔电流、电压传感器的检测电路如下图在其二次侧的取样电阻上可获得与一次侧电流、电压波形相侧的取样电阻上可获得与一次侧电流、电压波形相同的电压波形图中同的电压波形图中R1为取样电阻用于检测直流为取样电阻用于检测直流电流、电压时，图中的电压波形相同的电压波形电流、电压时，图中的电压波形相同的电压波形绝对值电路和比较器绝对值电路和比较器C可以省去可以省去采用霍尔电流传感器的检测电路采用霍尔电流传感器的检测电路2.42.42.42.4电流和电压的检测电流和电压的检测电流和电压的检测电流和电压的检测采用霍尔电流传感器的检测电路采用霍尔电流传感器的检测电路 （二）电压的测量（二）电压的测量 在模数转换器采样电压范围内的电压，可以直接在模数转换器采样电压范围内的电压，可以直接由模数转换成数字量以后输入微机如果电压很小，由模数转换成数字量以后输入微机。

如果电压很小，则可先通过运算放大器放大如果电压很高，则可以则可先通过运算放大器放大如果电压很高，则可以用电阻分压，也可以用磁场平衡式霍尔电流传感器，用电阻分压，也可以用磁场平衡式霍尔电流传感器，测量到侧电压流过已知电阻的电流值，从而推算单侧测量到侧电压流过已知电阻的电流值，从而推算单侧电压值或直接采用按此原理做成的磁场平衡式霍尔电压值或直接采用按此原理做成的磁场平衡式霍尔电压传感器电压传感器2.42.42.42.4电流和电压的检测电流和电压的检测电流和电压的检测电流和电压的检测 2.3电流和电压检测电流和电压检测采用霍尔电压传感器的检测电路采用霍尔电压传感器的检测电路位移检测位移检测（（光栅位置检测传感器）光栅位置检测传感器）角位移检测角位移检测（（绝对式光电编码盘）绝对式光电编码盘）转转速速检检测测（（增增量量式式光光电电编编码码盘盘、、直直流流测测速发电机）速发电机）电电流流和和电电压压检检测测（（霍霍尔尔电电流流传传感感器器、、 霍尔电压传感器）霍尔电压传感器）小结小结。