光电编码器选型及同步电机转速和转子位置测量

光电编码器选型及同步电机转速和
转子位置测量3
于庆广　刘葵　王冲　袁炜嘉　钱炜慷　张程
清华大学
摘要:光电轴角编码器,又称光电角位置传感器,是电气传动系统中用来测量电动机转速和转子位置的核心部件。

对绝对式、增量式和混合式光电轴编码器的工作原理进行了综述,介绍了光电轴编码器的选型原则、转子速度的测量和转子位置的测量方法。

最后,给出了同步电动机变频调速系统中转速和转子位置测量系统的实现。

关键词:光电轴编码器　混合式轴编码器　同步电机转子位置
Choice of Optical2encoder and Measure of Speed and R otor
Place of Synchronous Motor
Yu Qingguang　Liu Kui　Wang Chong　Yuan Weijia　Qian Weikang　Zhang Cheng
Abstract:Optical2encoder,which is also called photoelectric angei2position sensor,is the core device in measurement of motor speed and rotor position in drive system.There summarize the operating principle of ab2 solute、incremental and hybrid encoder,introduce the choice principle of optical2encoder model and the measur2 ing method of rotor speed and rotor position.The implementation of measuring method of rotor speed and ro2 tor position in variable frequency speed2regulated system of synchronous motor is also given.
K eyw ords:optical2encoder　hybrid2encoder　rotor place of synchronous motor
1　引言
光电轴角编码器,又称轴编码器或光电角位
置传感器。

光电轴编码器以高精度计量圆光栅为
检测元件,通过光电转换,将输入的角位置信息转
换成相应的数字代码,并与计算机等控制器及显
示装置相连接,实现数字测量、数字控制与数字显
示[1]。

光电轴编码器具有较高的性能价格比,已
普遍应用在雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、机器人、数控机床和高精度闭环调速系统等诸多领域,是电动机等自动化设备理想的角度和速度传感器。

轴编码器主要分为增量式、绝对式与混合式3种,
其中增量式轴编码器主要用于测量转子速度,绝对式轴编码器主要用于测量转子的空间位置,混合式轴编码器是增量式轴编码器与绝对式轴编码器的组合。

后端加入处理芯片之后,3种轴编码器都具有测量转子速度与空间位置的功能。

本文综述了光电轴编码器的种类和选型原则,介绍了转速和转子位置的测量方法;最后,给出了同步电动机变频调速系统中转速和转子位置测量系统的实现。

2　光电轴编码器
2.1　增量式轴编码器
典型的光电轴角编码器结构原理如图1所示。

图1　光电轴编码器结构图
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3清华大学大学生SR T项目(031T0144)
L ED 是光源,光敏元件通过码盘接受光信号,输
出电信号。

根据码盘结构的不同,有增量式和绝对式两种轴编码器。

增量式编码器的码盘如图2所示,码盘的刻线间距均等,对应每一个分辨率区间,可输出一个增量脉冲。

图2　增量式轴编码器码盘
增量式轴编码器的输出波形如图3所示,增量式编码器输出有A ,B 正交脉冲两路,零脉冲Z 一路。

一般A ,B 端口每转输出1000～5000个脉冲,Z 端口每转输出1个脉冲。

Z 信号用于校
正每转编码器产生的脉冲个数,进一步将误差控制在每一转之内,避免了积累误差的产生。

若要区别电机转子旋转的方向,就要根据A ,B 两路脉冲信号的相位来判断正转和反转[2]。

图3　增量式轴编码器的输出波形
增量式编码器的优点是易于实现小型化,响应迅速,结构简单,其缺点是掉电后容易造成数据损失,且有误差累积现象。

2.2　绝对式轴编码器
图4　绝对式轴编码器码盘
绝对式光电轴角编码器码盘(5位格雷码式码盘)如图4所示,一般使用二进制码盘或格雷码(Gray 2code )盘,码盘上的码道按一定规律排列,
对应每一分辨率区间有唯一的二进制数,因此在不同的位置,可输出不同的数字代码。

格雷码编码的编码效率最高,相邻的两个编码只有一位数据不同,减少了数据跳变,意味着降低了输出编码
错误的概率,在高速运行的编码环境中这一点格外重要,使用也较多。

绝对式光电轴角编码器同增量式相比,具有固定零点,输出代码是轴角的单值函数,抗干扰能力强,掉电后再启动无须重新标定,无累积误差等优点,因此在国防、航天等伺服和变频调速领域得到了广泛应用。

绝对式光电轴角编码器的缺点是制造工艺复杂[1],不易实现小型化。

2.3　混合式轴编码器
混合式轴编码器同时具有增量式轴编码器与绝对式轴编码器的功能,不仅内部以格雷码编码,输出转子的空间位置信号,并且同时还输出增量
式轴编码器所具有的脉冲信号。

所以采用混合式轴编码器可以同时测量转子的空间位置与转速。

由于混合式轴编码器功能齐全,它的结构较为复杂,所以价格相对较高。

3　转子速度的测量
3.1　M 法测量转速
M 法测速度指在给定的时间ΔT 内,传感器
每周产生N 个脉冲信号,读取码盘脉冲个数m ,
由m/ΔT 计算出转速为
n =60
m
N ΔT (1)
当时间固定时,通过统计盘脉冲个数,可以得
出转子旋转过的角度,再除以时间即可得转子转速。

首尾两个盘脉冲计数时可能产生误差,误差的大小为正负一个盘脉冲的间隔。

3.2　T 法测量转速
计时法是以一个高频信号f 作为基准,传感器每周产生N 个脉冲信号,测量两个相邻码盘脉冲个数,电机转速为
n =60
f
N m
(2)
当盘脉冲间隔固定时,通过统计时钟脉冲个数,可以得出转子旋转过一个盘脉冲间隔所花的时间,由盘脉冲间隔除以时间即可得转子转速。

首尾两个时钟脉冲计数时可能产生误差,误差的大小为正负一个时钟脉冲的间隔。

3.3　M/T 法测量转速
M/T 法测量转速的方法是综合了上面两种
方法而成的。

检测时间T d 的长度为T (M 法测
速)之后再输出的第一个脉冲为止。

即T d =T +ΔT 。

8
1
若电机在T(s)时间内转过X(rad)角,那么转速应是
n=60X
2πT d
=
60X
2π(T+ΔT)
(3)
T d时间内传感器产生m1个脉冲,则角位移应是
X=2πm1/N(4)另一方面,在T d时间内可计取时钟脉冲f c的脉冲数为m2,则T d表示为
T d=m2/f c(5)这样,被测转速(r/min)为
n=60f c m1
N m2
(6)
3种方法中,M法在低速时分辨率不高,T法在高速时分辨率低,M/T法与速度几乎无关。

从精度角度而言,也是M/T法误差小,精度高[4]。

但在低速时为保证结果的准确性,该方法需要较长的检测时间,这样就无法满足转速检测系统的快速动态响应指标,因而又出现了变M/T测速法。

其原理见文献[5]。

4　同步电动机转子位置测量
4.1　采用绝对式编码器测电机转子位置
该方法需要在同步电动机转子上同轴联结一个绝对式光电编码器,为提高检测的可靠性常采用格雷码式码盘。

5位格雷码式码盘如图4所示,该码盘低4位输出频率依次降低1/2,第5位输出频率与第4位输出频率相同,但相位相差90°,实现相邻位置并行输出的5位二进制数只有其中一位发生变化。

同步电动机转子旋转一周,码盘输出32个数,即将转子一周的空间角度32等分,每一等分用5位二进制数字编码,代表转子的空间位置。

每一个二进制数所代表的空间电角度为360°×p/32 (p为电机的极对数)。

随着电动机的极对数增加,码盘的分辨率降低,即检测精度降低。

为保证检测精度必须增加编码器的位数,常采用多位(12位)格雷码绝对式光电编码器。

4.2　采用绝对式编码器测转子初始位置
绝对式光电编码器转子位置检测是通过分析码盘并行输出信号实现,然而与同步机转子同轴联结的码盘将因安装方向不同而使同一转子位置输出不同的信号,因此码盘安装后电动机运行前,需确定转子的初始位置,即转子轴线d轴与定子A相绕组轴线重合时码盘的输出值。

该过程称为初始定位。

初始定位是在电机空载,转子励磁的情况下,三相定子绕组按下列要求通入直流电流
i a=I R　i b=-0.5I R　i c=-0.5I R(7)式中,I R为直流给定值,约为电机额定电流的1/3。

电动机主回路通电后,电动机将朝初始位置旋转,且在初始位置作减幅振荡,待电机静止后,码盘的输出值即为转子初始位置值。

工作原理简述如下。

当定子绕组按式(7)通入直流电流时,由式(8)可得定子电流空间矢量
i=
2
3
(i a+i b e j120°+i c e-j120°)
=I R(8)式(8)表明,定子电流空间矢量i的幅值为I R,且位于A轴上。

由电机学可知,电动机的电磁转矩使转子朝定子磁通矢量方向旋转。

因定子电流为直流电流,定子磁通矢量静止不动,且初始定位时同步电动机空载,故电机停止旋转时电磁转矩为零,即d轴与A轴重合,此时码盘的输出值即为转子初始位置值。

经过多次初始定位,即可确定准确的初始位置值[6]。

4.3　采用增量式编码器测转子位置
使用增量式编码器实现电机转子位置检测的方法如下。

假定它在旋转过程中给定时间T(s)内给出脉冲数目为m,则电机转速n(r/min)可表示为
n=60×m/T×N
式中:N为光电编码盘每转输出的脉冲数。

假定电机在静止时转子的初始位置角(电角度)是θ0,电机的极对数为p,则从静止开始经过时间T(s)后的电机转子位置(机械角)与电机速度之间的关系为
θ=θ
0/p+(n×T/60)×2π
=θ0/p+2π×m/N(9)若用电角度表示,则为
θ=θ
0+2π×p×m/N(10)在第i个采样时间结束后,即第i个采样值为
θ
i=
θi-1+2π×p×m i/N(11)式中:i为自然数;m i为第i个采样周期的脉冲计数值。

只要知道电机转子的初始位置角θ0,则转子
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任意时刻的位置都可通过式(11)求得。

4.4　采用增量式编码器测转子初始位置
采用增量式光电编码器测转子初始位置与采用绝对式编码器测转子初始位置的原理基本相同。

同样的,初始定位是在电机空载,转子励磁的情况下,三相定子绕组按式(7)通入直流电流。

电动机主回路通电后,电动机将朝初始位置旋转,且在初始位置作减幅振荡,待电机静止后,记录码盘的输出脉冲个数m 0,则转子的初始位置
角θ0=2πp m 0/N 。

经过多次初始定位,即可确定准确的初始位置值。

这里要注意,由于电机在初
始位置振荡,因此需注意m 0的测量要采用无误差测量的电路结构[7]。

文献[8]给出另一种类似同步电动机模拟器的同步电机转子位置的检测方法。

5　FP GA 的转速和转子位置的实现
可编程CPLD/FP GA 是用来测量转速和转子位置的最好选择之一。

图5所示为转速和转子位置检测器原理框图,它由与电机同轴连接的光电码盘、可编程器件CPLD/FP GA 等组成。

CPLD/FP GA 接受光电轴编码器的输出,将计算出来的转速和转子位置通过光纤送给主控制器,完成转速和转子位置闭环控制。

图5　转速和转子位置检测器原理框图
考虑到编码器的输出方式分增量式和绝对式
两种,本文设计了如图6所示的CPLD/FP GA 系统。

其中,增量式部分由译码器、互锁电路、正反向计数链及可逆计数器构成。

绝对式部分主要由数据锁存器构成。

对高频时钟进行分频即可得到采样脉冲序列。

当出现一采样脉冲时,锁存器1锁存当前时刻的绝对式输出信号,等到下一次采样脉冲出现时,锁存器2将前一时刻的信号锁存,同时新的绝对式输出信号由锁存器1锁存。

数据处理器对计数器值或锁存器的信号进行处理,并将处理后的转子位置和转速信号由三态缓冲器输出,此输出信号一路接数码管显示,另一路经并转串电路由光纤送至主控制器。

图6　CPLD/FP GA 系统的实现
本测量单元在作者研制的10kW 同步电机
变频调速系统中得到应用,效果非常好。

本测量单元也可以作为混合式编码器的测量单元、数字式速度显示表或速度监控装置。

6　结论
本文综述了绝对式、增量式和混合式光电轴编码器的工作原理和选型原则,介绍了电机转子速度和转子位置测量的几种方法。

最后,给出了基于FP GA 的同步电动机变频调速系统中转速和转子位置测量单元的实现。

参考文献
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收稿日期:2005205230修改稿日期:2005207218
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