交流伺服電動(dòng)機(jī)速度與位置傳感器的分析
張萬峰孫 力 劉亞光
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海分校 山東 264200)
【摘 要】分析用于交流伺服電動(dòng)機(jī)速度與位置檢測(cè)的各類傳感器的結(jié)構(gòu)及功能，介紹混合式光電碼盤的結(jié)構(gòu)，并給出其信號(hào)處理電路。文中還分析了混合式光電碼盤的參數(shù)指標(biāo)對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性能的影響。
1 引 言
交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與普通的直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相比，不僅具有體積小、可靠性高等特點(diǎn)，而且它還具有優(yōu)越的伺服性能。交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)本體、傳感器及驅(qū)動(dòng)控制線路三大部分組成，而傳感器是交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的重要組成單元，作為一個(gè)交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的伺服性能，其傳感器應(yīng)能精確地反映轉(zhuǎn)子的位置與速度，這就要求系統(tǒng)的速度及位置傳感器應(yīng)具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能好、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
用于交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)位置及速度檢測(cè)的傳感器主要有光電編碼器、磁電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、測(cè)速發(fā)電機(jī)。其中光電編碼器與磁電編碼器既可用于轉(zhuǎn)軸位置檢測(cè)，也可用于速度檢測(cè)，旋轉(zhuǎn)變壓器多用于轉(zhuǎn)軸位置檢測(cè)，測(cè)速發(fā)電機(jī)則用于轉(zhuǎn)速檢測(cè)。
附表對(duì)以上幾種主要的速度及位置傳感器的結(jié)構(gòu)特性及功能進(jìn)行了比較。從附表的比較來看，不同的位置及速度傳感器的應(yīng)用特性具有不同的特點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)變壓器與測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸位置檢測(cè)與速度檢測(cè)方面有各自的特點(diǎn)。目前，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人仿真系統(tǒng)等領(lǐng)域的光電編碼器與磁電編碼器是近年來隨著光電技術(shù)、新材料技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)發(fā)展起來的兩種新型的速度及位置傳感器。本文僅就光電編碼器進(jìn)行分析。
2混合式光電碼盤的結(jié)構(gòu)功能分析
混合式光電碼盤是一種既可檢測(cè)轉(zhuǎn)角又可檢測(cè)轉(zhuǎn)速的傳感器，其典型結(jié)構(gòu)通常采用非接觸式光學(xué)碼盤。光電碼盤測(cè)量光柵的外碼道通常為增量式光電碼盤，與指示光柵及光敏元件配合，在旋轉(zhuǎn)時(shí)可產(chǎn)生伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的有關(guān)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、原點(diǎn)位置及相對(duì)角位移的數(shù)字信號(hào)a、b、z；測(cè)量光柵的內(nèi)碼道為****式光學(xué)碼盤，與指示光柵及光敏元件配合，旋轉(zhuǎn)時(shí)可產(chǎn)生伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)有關(guān)轉(zhuǎn)子磁極****位置的數(shù)字信號(hào)u、v、w。所以，混合式光電碼盤主要由測(cè)量光柵、指示光柵、發(fā)電元件、光敏探測(cè)器及信號(hào)處理電路組成，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量光柵與電機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)，所
以，又稱旋轉(zhuǎn)光柵，指示光柵是固定不動(dòng)的，所以又稱固定光柵。圖1為混合式光電碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖。
在混合式光電碼盤的結(jié)構(gòu)中，測(cè)量光柵一般用光學(xué)玻璃制成，指示光柵一般用復(fù)合膠片制成。發(fā)光元件一般采用紅外發(fā)光管，光敏探測(cè)器是由鍺(ge)、砷化銦(inas)、銻化銦(insb)等半導(dǎo)體材料在一個(gè)基片上集成的多個(gè)光電二極管，其響應(yīng)速度一般為100khz～1mhz。
下面對(duì)混合式光電碼盤的輸出波形及信號(hào)處理電路進(jìn)行分析，圖2為混合式光電碼盤的輸出信號(hào)波形。
在光電碼盤中，受光元件所檢測(cè)出的微弱信號(hào)的處理有多種不同的方案。由于光電二極管的受光面積只有1mm2數(shù)量級(jí)，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其每次受光的時(shí)間又很短，所以即使光電二極管有較高的響應(yīng)速度，它所產(chǎn)生的信號(hào)電流也只有微安級(jí)，并且該信號(hào)中還存在共模干擾，所以其處理電路應(yīng)具有放大、比較整型和輸出幾個(gè)環(huán)節(jié)，圖3是混合式光電碼盤的信號(hào)處理電路框圖。
在圖3電路中信號(hào)的幅值放大部分采用電流一電壓轉(zhuǎn)換電路和差動(dòng)放大電路，整型部分采用滯回比較電路，信號(hào)輸出采用長線驅(qū)動(dòng)器。
需要特別加以說明的是，由于光電二極管為光伏探測(cè)元件，它在負(fù)載電阻很小的條件下具有較高的響應(yīng)特性，在零負(fù)載電阻下具有****的靈敏度，典型的i／v轉(zhuǎn)換的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，其轉(zhuǎn)換率為：
作為交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的速度及位置傳感器，較高的響應(yīng)速度，較低的溫度漂移，較大的共模抑制比和較強(qiáng)的抗干擾能力是混合式光電碼盤信號(hào)處理電路的基本要求。另外，采用電流內(nèi)插法可增加其輸出脈沖，從而提高混合式光電碼盤的分辨率，高分辨率的混合式光電碼盤是保證交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)位置控制和速度控制精度的重要條件。
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