電動機(jī)的位置、速度檢測方法

本篇我們學(xué)習(xí)一些常用的電動機(jī)的位置、速度檢測方法，有的通過電磁感應(yīng)效應(yīng)檢測、有的通過光電轉(zhuǎn)換后檢測、有的通過霍爾元器件檢測，等等。 下面我們就一一來講解。

1）光電編碼器

光電編碼器可以把角度或者速度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，可以分為絕對式編碼器、增量式編碼器。

我們先講絕對式編碼器，它由光電碼盤和光電檢測裝置組成，如下圖所示：

碼盤與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸固定，可以隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)； 一列光電轉(zhuǎn)換裝置（光敏三級管）位置固定，可以檢測到正對位置的黑/白狀態(tài)。

圖中的碼盤有4圈編碼，是4位編碼器。 如果白色識別為0黑色識別為1，則圖中位置4個光敏三極管的輸出為0000； 如果逆時針轉(zhuǎn)動22.5°，則輸出為0001。

4位編碼器一共可以表示16種狀態(tài)，所以圖示的編碼器的分辨率為360°/16=22.5°。

因?yàn)樗妮敵鼍椭甘玖宿D(zhuǎn)盤的角度位置，所以稱為絕對編碼器。

絕對編碼器想要提高檢測精度，需要提高編碼的位數(shù)，也就是要增加碼盤的圈數(shù)； 但是不能無限增加，到了極限后，可以采用編碼器級聯(lián)的方式提高位數(shù)，也就是減速后再接一個編碼器。

絕對式編碼器在檢測位置時，如果正好停在兩個扇區(qū)之間，光敏三極管可能把編碼識別為0也可能識別為1，那么就很可能識別出錯。 有兩種解決辦法：

一是使用格雷碼設(shè)置碼盤； 二是多使用一組光敏三極管來檢測，最外側(cè)的碼道上安裝1只光電管，其他每個碼道上安裝兩只光電管，一只為超前光電管，處于比它低一位的光電管超前的位置； 一只為滯后光電管，處于比它低一位的光電管滯后的位置，如下圖安裝。

最低位直接讀取，i+1位的編碼依據(jù)第i位的編碼來取值，如果i位為1則取滯后光電管的讀數(shù)，如果i位為0則取超前光電管上的讀數(shù)。

格雷碼和超前/滯后法都可以使得誤差與分辨率一致，最多跳一位。

現(xiàn)在講講增量式編碼器，它的結(jié)構(gòu)和絕對式編碼器是差不多的，只是碼盤上的編碼不同。

如下圖，增量式編碼器一般只有三圈編碼，A、B編碼等距離錯開半個扇區(qū)寬度排列，C編碼只有一點(diǎn)用于指示零位（有的增量式編碼器沒有C碼道）。 增量式編碼器只能指示轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動的相對角度和方向，不能指示絕對位置。

增量式編碼器依據(jù)A、B碼道的脈沖數(shù)來計算轉(zhuǎn)過了多少角度。 確定轉(zhuǎn)動方向時，是依靠A、B編碼的變化關(guān)系，如果在B編碼為1時，A編碼從1變?yōu)?，則碼盤在順時針轉(zhuǎn)動時； 如果在B編碼為1時，A編碼從0變?yōu)?，則碼盤在逆時針轉(zhuǎn)動。

2）電磁感應(yīng)式傳感器

這類傳感器是靠電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)的。

常見的一種電磁式傳感器是開口變壓器，結(jié)構(gòu)示意如下圖：

開口變壓器的轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，定子上有一塊120°扇形的導(dǎo)磁材料，其他部分不導(dǎo)磁； 定子上有6個齒，激勵線圈繞在不相鄰的三個繞組上，其他三個相隔120°的繞組上引出WA、WB、WC三個二次繞組。

在工作時，激勵繞組種通入高頻的交流電（比轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高得多），由于中心的轉(zhuǎn)子上，只有120°的范圍能導(dǎo)磁（如圖中的位置，只有WB繞組總可以檢測到電壓），所以通過檢測WA、WB、WC三個繞組中的電壓，就能知道轉(zhuǎn)子的位置。

實(shí)際中使用的扇形導(dǎo)磁片的角度不一定是120°，只要能分辨出位置即可； 導(dǎo)磁片的個數(shù)應(yīng)和電機(jī)的極對數(shù)相等。

除了開口變壓器，還有一種常見的電磁感應(yīng)式傳感器是測速發(fā)電機(jī)，有直流或交流，也有單匝線圈或多匝線圈。 它用轉(zhuǎn)子帶動一個小發(fā)電機(jī)，接上電阻作為負(fù)載后，檢測電壓，可以得知轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。 原理比較簡單，就不細(xì)說了。

3）霍爾傳感器

霍爾傳感器是用于檢測磁場的器件。 它是利用了霍爾效應(yīng)，帶電體在與磁力線垂直的方向運(yùn)動時，會受到磁場的作用力（洛倫茲力）。 霍爾器件安裝方向與磁力線垂直時，會輸出一個電壓，并且這個電壓是可以表示出磁力線的正反方向的。

我們前面講過無刷電機(jī)的有感驅(qū)動方式，就是使用三個霍爾器件去檢測轉(zhuǎn)子的位置，以實(shí)現(xiàn)換相。

而實(shí)際上，由于霍爾的輸出可以指示磁力線的方向，所以只需要兩個成90°安裝的霍爾器件，就能檢測出轉(zhuǎn)子的位置。 如下圖所示，由霍爾輸出的正負(fù)可以知道N/S極的朝向，有兩個霍爾輸出電壓的大小，可以知道磁鐵的旋轉(zhuǎn)角度：

與霍爾器件相似的一種器件是干簧管，它也可以檢測磁場，但是由于干簧管有機(jī)械觸點(diǎn)，它的開關(guān)速度比霍爾慢的多；而且，干簧管只能檢測磁場的有無，無法檢測正負(fù)！所以在電機(jī)測速時一般不使用干簧管。

4）旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器一般有相位檢測式和跟蹤方式兩種。

下圖所示是“相位檢測式“旋轉(zhuǎn)變壓器的基本結(jié)構(gòu)，左邊是定子線圈，中間是轉(zhuǎn)子線圈，右邊是轉(zhuǎn)子輸出變壓器：

定子線圈有兩個，在空間上相互正交，并且通上相位差為90°的正弦電流進(jìn)行勵磁，通常勵磁電流頻率遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)速和工頻。

轉(zhuǎn)子上有一個線圈，可以感應(yīng)出定子線圈中的交變電流，并通過變壓器輸出。

假設(shè)定子線中的電流為U1-3 = Umcosω0t、U2-4 = Umsinω0t，轉(zhuǎn)子的角度位置為θ，則變壓器的輸出UR1-2 = k*(U1-3cosθ – U2-4sinθ) = kUmsin(ω0t-θ)，其中k是變壓器的比例。

可以看到，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度就是輸出信號相對于勵磁信號的相移角θ，這樣就能檢測出轉(zhuǎn)子的位置。（由于這種方法是用檢測相位的方法來檢測轉(zhuǎn)子位置，所以稱為相位檢測式）

繼續(xù)上述的分析，如果轉(zhuǎn)子正在以角速度ωr轉(zhuǎn)動，那么上式可以化為：UR1-2 = kUmsin(ω0-ωr)t，也就說輸出信號相對勵磁信號的頻率變化量，就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

旋轉(zhuǎn)變壓器的另一種實(shí)現(xiàn)方法，是跟蹤方式，它的結(jié)構(gòu)與相位檢測式類似，但是定子只有一相線圈，而轉(zhuǎn)子有兩個正交的線圈，通過檢測轉(zhuǎn)子的兩個線圈輸出的電壓幅值比，來確定轉(zhuǎn)子的角度。

旋轉(zhuǎn)變壓器這種方式一般在高端設(shè)備中用的很多，主要是因?yàn)樗敵龅氖?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬量信號，可以通過高位數(shù)的AD采集得到很高的分辨率。而相比與光電編碼器等一些方式，如果想要做到高分辨率，成本會非常高。

但是缺點(diǎn)是，旋轉(zhuǎn)變壓器方法使用時的計算量較大，需要有強(qiáng)大的處理器做支持，或者使用專用芯片。
如下圖是一種專用芯片的實(shí)現(xiàn)方式：

好了，關(guān)于一些電機(jī)位置、速度的檢測方法，就講到這里了。