第7章 机电传动控制系统中常用的检测元件,7.1 测速发电机,7.2 光电编码器,7.1 测速发电机,测速发电机是一种转速测量传感器。在许 多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的 转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信 号电压。,测速发电机分为交流和直流两种类型。,7.2.1 交流测速发电机,交流测速发电机又分为同步式和异步式两 种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作 原理。,转子,定子,励磁绕组,输出绕组,异步式交流测速发电机的结构与杯形转子 交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组， 一个是励磁绕组，一个是输出绕组。,7.2.1 交流测速发电机,工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电 源U1，由 U1 4.44 f1N11 可知：,当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转 子切割1产生转子感应电势Er和转子电流Ir， 它们的大小与1和转子转速 n 成正比：,转子电流 Ir也产生磁通r ，r 在输出绕组中感应出电压U2 ， U2的大小与r成正比：,综合上述分析可知：,当 U1恒定不变时， U2与n 成正比，这样， 发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压 信号，输出给控制系统。,由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测 速发电机的输出电压 U2与n 间存在着一定的非 线性误差，使用时要注意加以修正。,7.2.1 直流测速发电机,直流测速发电机分永磁式和他励式两种。 两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻 RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场， 因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服 电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。,当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时， 电枢产生电动势E，其大小为：,发电机的输出电压为：,上式中代入：,于是,可见，当励磁电压U1保持恒定时（ 亦恒 定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与 电枢转速 n 成正比。这样，发电机就把被测装 置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制 系统。,值得注意的是，由于直流电机中存在着电 枢反应现象，使得输出电压U2与转速n 有一定 的线性误差。 RL越小、n 越大，误差越大。因 此，在使用中应使RL和 n的大小符合直流测速 发电机的技术要求。,测速发电机的作用是将机械速度转变为电压信号，在自动控制系统和计算装置中作为检测元件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发电机将速度转换为电压信号作为反馈信号，达到调节速度的作用。,编码器以其高精度。高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种位移测量。 编码器按结构形式有直线式编码器和旋转式编码器之分。 由于旋转式光电编码器是用于角位移测量的最有效和最直接的数字式传感器，并已有各种系列产品可供选用，故本节着重讨论旋转式光电编码器。,7.2 光电编码器,旋转式编码器有两种增量编码器和绝对编码器 增量编码器与前三节讨论的几种数字式传感器有类似之处。它的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行累计计数。 最简单的一种绝对编码器是接触式编码器 绝对编码器二进制输出的每一位都必须有一个独立的码道。一个编码器的码道数目决定了该编码器的分辨力。,从编码技术上分析，造成错码的原因是从一个码变为另一个码时存在着几位码需要同时改变。若每次只有一位码改变，就不会产生错码，例如格雷码（循环码）。格雷码的两个相邻数的码变化只有一位码是不同的（见表101）。从格雷码到二进制码的转换可用硬件实现，也可用软件来完成。,旋转式光电编码器 接触式编码器的实际应用受到电刷的限制。目前应用最广的是利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。由于其精度高，可靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前大多数关节式工业机器人都用它作为角度传感器。国内已有16位绝对编码器和每转10000脉冲数输出的小型增量编码器产品，并形成各种系列。,1.绝对编码器,光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃。玻璃上刻有透光和不透光的图形。 它们相当于接触式编码器码盘上的导电区和绝缘区，如图1020所示。 编码器光源产生的光经光学系统形成一束平行光投射在码盘上，并与位于码盘另一面成径向排列的光敏元件相耦合。 码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应每一码道有一个光敏元件。 当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换输出相应的电平信号。,2.增量编码器 增量编码器，其码盘要比绝对编码器码盘简单得多，一般只需三条码道。这里的码道实际上已不具有绝对码盘码道的意义。,与绝对编码器类似，增量编码器的精度主要取决于码盘本身的精度。用于光电绝对编码器的技术，大部分也适用于光电增量编码器。,4.光电增量编码器的应用 （1）典型产品应用介绍 图1024所示为LEC型 小型光电增量编码器的 外形图。每转输出脉冲 数为205000，最大允 许转速为5000rmin。,（2）测量转速 增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所测量的是平均转速。,（3）测量线位移 在某些场合，用旋转式光电增量编码器来测量线位是一种有效的方法。这时，须利用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度,图（a）表示通过丝杆将直线运动转换成旋转运动。例如用一每转1500脉冲数的增量编码器和一导程为6mm的丝杆，可达到4m的分辨力。为了提高精度，可采用滚珠丝杆与双螺母消隙机构。 图（b）是用齿轮齿条来实现直线旋转运动转换的一种方法。一般说，这种系统的精度较低。 图（c）和（d）分别表示用皮带传动和摩擦传动来实现线位移与角位移之间变换的两种方法。该系统结构简单，特别适用于需要进行长距离位移测量及某些环境条件恶劣的场所。 无论用哪一种方法来实现线位移角位移的转换，一般增量编码器的码盘都要旋转多圈。这时，编码器的零位基准已失去作用。为计数系统所必须的基准零位，可由附加的装置来提供。如用机械、光电等方法来实现。,测量电路 实际中，目前都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起， 所以只要加上计数与细分电路（统称测量电路）就可组成一个位移测量系统。从这点看，这也是编码器的一个突出优点。,1计数电路,四倍频细分电路原理图如图1029（a）所示。 输出x1与x2信号作为计数器双时钟输人信号。 按电路图可得如下逻辑表达式：,2细分电路,Q1、Q2、Q3和 Q4分别与S1、S2相对应。当正向转动时，S1信号超前S2相位/2。电路各点的波形如图1029（b）所示，与门输出Y1、Y2、Y3和Y4的脉冲宽度仅为S1或S2信号脉冲宽度的一半，相位差为/2。单稳电路输出Q1、Q2、Q3和 Q4的脉冲宽度应尽可能窄，至少要小于S1信号最小脉冲宽度的12，但同时要满足与Y1、Y2、Y3和Y4相“与”的要求。由图1029可知，在S1信号的一个周期内，得到了四个加计数脉冲输出，这样就实现了四倍频的加计数。由于光栅与光电增量编码器的输出基本相同，上述测量电路同样可用作光栅测量电路。,顺便指出，按照旋转式编码器的工作原理，如把码盘拉直成码尺，就可构成直接进行线位移测量的直线式光电编码器。而且根据码尺的取材不同（透光或反光），它还可分成透光式和反光式两种结构形式,