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
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 otorPlace of Synchronous MotorYu Qingguang Liu Kui Wang Chong Yuan Weijia Qian Weikang Zhang ChengAbstract: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 motor1 引言光电轴角编码器,又称轴编码器或光电角位置传感器。
采用磁编码器实现电机转速与位置检测方法
采用磁编码器实现电机转速与位置检测方法《御&控{舔国羲采用磁编码器实现电机转速与位置检测方法引言全数字化是伺服驱动技术发展的必然趋势,而编码器到伺服驱动单元的数字化连接接口是全数字化伺服驱动技术的重要标志之一.伺服永磁同步电动机(PMSM)近几年来在伺服驱动系统中得到了广泛的应用.伺服永磁同步电动机需要精确的转子磁极位置实现磁场定向和准确的速度反馈进行控制.目前检测转子位置的方法有两类:无传感器技术和传统的机械传感器控制.无传感器技术是近几年研究的热点,主要是利用电机绕组中相关的变量如定子电压,定子电流等,来估算转子的位置和速度_】l,此法虽然省掉了机械传感器,但是该法存在计算量大,不能满宽范围调速要求,对电机的结构有要求等问题,影响了它的应用范围.而传统的方法多采用光电编码器,该方法精度很高l2】,但由于采用的发光元件,其寿命不长,成本高.本文采用一种新型磁编码器对永磁同步电动机转子速度和位置进行检测,实深圳航天技术创新研究院漆亚梅李铁才摘要:针对采用磁编码器作为电机位置检测问题,介绍了磁编码器工作原理和输出模式,及电机转子速度和转子位置测量的几种方法,并在基于DSP~tJPMSM控制系统中进行了实验研究.其研究结果表明:该磁编码器能高精度的,同时完成速度和位置全数字反馈控制,且性价比较高.关键词:磁编码器PMSM转速检测转于位置检测现了高精度的,同时完成速度和位置全数字反馈控制,且性价比较高.磁编码器工作原理编码器的设计采用了无接触磁编码器芯片AS5040.该芯片是一款世界上最小的l0位多输出旋转磁性编码器集成电路将现场传感霍尔元件,A/D转换,数字信号处理和输出接口集成到单个芯片.因此省去许多磁编码器的外围设备,使其体积给小,成本更低,并且由于采用了无接触传感,因而可以完美的应用于油,灰尘,温度变化大等工况【3】.编码器实物图片如图1所示.编码器工作原理:在芯一片上固定一图1磁编码器实物图片个可产生正弦磁场的两极磁钢,使其围绕芯片中心旋转即可测量角度,可通过磁体的360度旋转探测l024个绝对位置,测量分辨率可达l0位,可测最高转速l0000转/分,可以同时提供增量输出和绝对数出.并且提供了正交编码A/B输出,单通道输出和针对一对或两队极直流无刷电动机U一,厂一w三种不同的增量输出模式,可根据需要通过OTP进行配置;同时还提供了绝对位置数据同步串行接口(SSI),与角度成正比的工作周期PwM输出,提供可编程的起始位置和标记过零信号.该器件能够允许磁场为校准和偏磁,并具有故障自诊断功能,因此其测量精度和可靠性都很高,测速范围宽,能在恶劣环境下工作,与相同分辨率的光电编码器相比,成本只是光电编码器的几分之一3.测速原理与方法转速测量选用磁编码器模式1的增量输出,即将其配置成正交编码A/B模式,该模式下随着电机旋转产生与转速成正比相位差90的正交编码脉冲输出A/B及index信号理想波形,如图2所示,电机每旋转一周indeX输出～ServoControl49智能检测个脉;中,而A/B输出256个脉冲.转子的正反转可以根据A,B两路脉冲信号的相位先后来判断,转速可由如图2方法计算得出.r_1厂]f_]广]-『_]厂]厂]几厂_1厂]r-1:厂]厂]厂一n!:f_]广]图2正交编码A/B及index输出对符号假定时钟频率为f,磁编码器每转脉冲数为N,倍频系数k,n为转速,最大误差率,T为时间间隔,M1在T内对编码器脉;中计数值,M2对时钟脉冲计数值(见图37.(a)M法测速原理(b)T法测速原理(c)M/T法测速原理图3各种测速法原理"M法'铡速通过测量一段固定时间间隔的编码脉冲数来计算转速,适用于高速场合如图3(a)转速为:60M.n—(1)七xN×T相对误差率:==嘉x100%%(2)"T法'0速通过测量编码器相邻脉冲时间间隔来计算转速,适用于低速场合,当速度较高时其准确性较差.由图3b)可得到:60f—k~N—~M(3)2相对误差率:‰=等=×l00%(4)ax×0o%(4)"M/T法'测速"M/T法"测速是上面两种方法的结合,同时测量一定个数编码器脉;中和产生这些脉;中所花的时间,在整个速度范围内都有较好的准确性,但对于低速,该方法需要较长的检测时间才能保证结果的准确性,无法满足转速检测系统的快速动态相应指标.针对于此有提出了变"M/T法"测速法,即M1是可变化的,随着转速的降低M1 将降低,以提高其实时性要求【.如图3(C)为M/T法测速原理,可得转速:6O.k×(5)xNM,J,相对误差率:~max=-An=×l00%(6)×0u%(6)磁编码器转子位置检测同步串行接R(ss1)输出绝对位置当CSn由逻辑高电平变为逻辑低电平时,数据输出(DO)将由高阻态变为逻辑高电平并开始读出数据.数据在时钟信号第一个下降沿来临时写入转换寄存器,每个后续时钟信号上升沿来临时输出一位数据.连续字节包^竺^竺^!:^!^!^l竺^!:角位置数据状态位图4同步串口输出时序图50SewoControlr———一括16位,头1O位是角度信息D【9:0],后续的6位为系统信息,用于校验数据.其中,D9一DO为绝对角位置数据(最高有效位在第一个时钟信号之后).如图4所示.脉宽调制信号输出绝对位置可以输出一个频率为0.9756KHz的脉宽调制信号,其脉冲宽度与测量角度成比例:d-一1(7)t(+oE)…脉宽调制信号信号周期为l025微秒,最小脉宽为】微秒,对应位置为0,对应角度为O度;最大脉宽为1024微秒,对应位置l023,对应角度359.65度,精度可达0.35度.如图5所示,PWM的最小输出脉宽为1US..-_■●峨一..哪.....一...:;i………;'.…;.…:'■:?…;??,??…:?……!一?:? .…j…i,.一一..;...■.:....:....:...:....:....:....:...:….:..一,'—-_一—,——t—''….…''…'………'…..'''!…''一一.'一''.' ;….;…….;…0…;…0……0…..::::::::::''…d''…'图5脉宽调制信号的最小输出脉宽波形实验研究把磁编码器应用于基于TMS320LF2407A永磁同步电动机FOC控制系统的转子速度和位置中,图6基于TMS320LF2407A的永磁同步电动机FOC控制系统中转速和转子位置测量单元结构图(见图6).该在本系统中主要应用了TMS320LE2407A的EVA模块的捕获单元和正交编码电路,以及模数转换单元ADC.图6PMSM控制系统的转速和转子位置测量单元硬件结构图本方案采用M法.磁编码器的将每转产生的256个脉;中A/B正交信号被送入DSP的QEP1~DQEP2,由DSP的QEP正交编码电路自动利用脉冲的4个沿对输入的信号4倍频转换,可以使每转得到1024个脉冲.输入的4倍频脉;中存deX的输出实验测试波形,电机转子每旋转一周,A,B各输出256个脉冲,两相脉冲相差90.,indeX输出一个Jlg;~.模拟输出由PWM输出外接低通滤.j田了_帅,皿唧-■■-豫入到EVA中的TIME2的计数器T2CNT中,根据转向进行增减计数,转向可通过查询GPTCON寄存器I4位获得.i15一dex信号被送入捕捉CAP3,每当indeX发生跳变时,计数器对计数器T2CNT清零,以消除累积误差.根据M法测速算法进行软件编程即可实现速度检测.对于位置的检测,对磁编码器的脉宽调制信号进行变换,通过一个低通滤波器变成0～4.5V与转子位置角成正比的模拟信号直接给DSP的模拟输入ADCINO1,对其位置角进行检测.软件流程图如图7所示.图8,9为磁编码器增量A/B,in一一c—jnto……一……一一～一TM$320LF24047芯片初始化…一一一一…～…程序参数初始亿}………ADC初始化程序～,一Z…一…EvA初始化程序…一!一……中断允许(int2)l～一一一一…主程序循环初始化速度检测子程序.一一!…一一一一,～启动AID转换程序一I■.IlNT2 …～一…一一,结束图7主程序流程图!譬:■:-:::蔓'}??--?:::一'B'…j…:..…'…''…d'叠矗图8正交A和index输出波形图一1哼己_kH圈姗16己kHzt,■●■-■■■■t口l-:_}一.蚺.e§垒!曼盎I墅曼蹩g!f!堡图9正交信号A/B输出波形一町0.胚勘.,a??-,?-?…?……?………………:…? .;t:i一|l__0一≯l.t.Ii0÷善…■;l1_'il;.≥t.…图10模拟输出(《1司服控翩》波器来实现,其实测波形如图10所示, 0—4.5V电压与旋转角度成正比,因此可以通过任意时刻的电压值未读取角度值.结语本文介绍的磁编码器实现了高精度的,同时完成速度和位置全数字反馈控制,且性能与价格比较高.在目前应用最广泛的DSP硬件平台上可直接将磁编码器的测量信号,通过软件编程完成对电机转速和位置的检测与控制,使系统的集成性获得提高.是全数字伺服控制系统的优选器件.作者简介漆亚梅(1962一)男硕士,研究方向为电机与驱动控制.参考文献【1】于庆广.刘葵,王冲,袁炜嘉,钱炜慷,张程等.光电编码器选型及同步电机转速和转子位置测量【J】.电气传动.2006,36(4): 17—19[2】吕德刚李铁才,杨贵杰等.高性能磁编码器设计….仪器仪表,2Oo6,27(6):1347～l350【3]江庆明,杨旭,甘永梅.王晓钰.王兆安等一种基于光电编码器的高精度测速和测加速度方法Ⅲ.微计算机信息,20042o(6):48～49--…__…__…●-…-_…_.…..…..…..…..…_'…_●…(上接第46页)取速度.所以在此处还需要完善.2.组态王作为堆垛机监控系统的上位监控软件,具有实现在线实时监控堆垛机的工作状态,立体仓库的存储状况,绑定底层数据库实现设置堆垛机连续作业,联网实现网络控制与管理等功能,上位机对下位设备状态的动画模拟显示还应进一步完善,从而更形象直观地对现场设备进行状态监控.堆垛机快速存取系统,提高了工作效率,达到了设计要求,随着物流业在我国的迅速兴起,对堆垛机控制系统将提出更高的要求.由于组态软件的控制系统可对系统进行分布式控制与集中管理,它将得到更广泛的应用.作者简介朱帅男研究生,研究方向为智能电气与安全参考文献n】刘毅.自动化立体仓库管理与监控系统研究[D].太原:太原理工大学,2008,I7.[2]彭魏臻.麻红昭PII协议分析[J】化工自动化及仪表,20O6,33(4).【3]秦明森实用物流技术[M].北京:中国物资出版社.2001,38【4】彭魏臻麻红昭PPI协议分析[J]化工自动化及仪表,2006,33(4):8—12,[5】龙永辉,孙中生SiomensPPI协议分析….工业控制计算机._-K~05,18(7):】10}12. ServoControI51。
基于光电编码器的双馈调速系统中数字信号的检测
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ：Ｏｐｉａ—ｎ ｏ ｅ ｅｃ ｒ ｅ ｉｅｉ ａｕ ｅ ｎ ｆｍｏｏ ｐ ｅ ｎ ｔｒ ｏ ｉ ｏ ｒ ｅ ｓｓ ｔ ｌ ｃ ｄ ｒｉ ｔ ａ ｄｒ ｏ ｓｔ ｎ ｉ ｄ ｖ ｙ — ｃ ｅ ｓｈ ｎ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｉ
相或 Ｂ相每输出一个脉冲， 表示编码器旋转了一个 固定的角度。当 ｚ相输出一个脉冲时表示编码器旋
转了一周 。因此旋转编码器可以测量角位移及位移
转速高时准确性较差，一般适用于速度比较低的场 合； 法是通过测量一段固定时间内编码器的脉冲 Ｍ 数来确定转速， 适合于高速场合； Ｍ／ 而 Ｔ法则是前 两种方法的结合， 适用于调速范围较大的场合。 由于 实际中异步电动机的转速 比较高，因此这里我们采 用 Ｍ 法测速原理 。 法测转速是在给定时间 Ｔ内， Ｍ 传感器每周产生 Ｎ个脉冲信号， 读取码盘脉冲个数
ｔ ｒ ， ｔ ｐ ｒ ｔｏ ｒ ｃｐ ｅ ａ ｄ ｍａｎ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓｗｅ ｅｉ ｔｏ ｕ ｅ ｎ ｅ ｅ ｔ ｎ ｍ ｅｈ ｄ ｆｔ ｅ ｍ ｏ ｏ ｐ ｅ ， ｅ ｉ ｏ ｅ ａ ｉ ｎ ｐ ｎ ｉ ｌ ｎ ｉ ｈ ｒ ｃ ｅ ｔ ｒ ｒ ｄ ｃ ｄ ａ ｄ ｄ ｔ ｃｉ ｔ ｏ ｓｏ ｔ ｒｓ ｅ ｄ ｎ ｓ ｉ ｉ ｃ ｎ ｏ ｈ ｐ ｓ ｉ ｎ ｏ ｔ ｒａ ｄ ｐ ａ ｅ ｏ ｔ ｒ ｉ ｄ ｃ ｉ ｎ ｅｅ ｔ ｍｏ ｉ ｅ ｆ ｒ ｅ ｉ ｏ ｂ ｙ ｆ ｄ ｍｏ ｏ ｐ ｅ ｅ ｕ ａ ｉ ｎ ｓ ｓｅ ｏ ｉ ｏ ｆ ｒ ｏ ｎ ｈ ｓ ｆｒ ｏ ｕ ｔ ｌｃｒ ｔ ｏ ｏ ｎ ｏ ｏ ｔ ｏ ｃ ｎ ｄ ｕ ｌ － ｔ ｒｓ ｅ ｄ ｒ ｇ ｌｔ ｙ ｔ ｍ ｖ ｅ ｏ ｂ ｓ ｄ ｏ ｃ ｅ ｎ ａ ｎ ｏ ｅ ｒ ｒ ｖ ｄ ｄ ｉ ｉ ｐ ｐ ｒ ａ ｅ ｎ ｉ ｒ ｍｅ ｔ ｌ ｃ ｄ ｒ ｎ ｅ ｗｅ ｅｐ ｏ ｉ ｅ ｔ ｓ ａ ｅ ． ｎ ｈ
光电编码器测量电机转速的方法
光电编码器测量电机转速的方法光电编码器测量电机转速的方法可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。
具体的测速方法有M法、T法和M/T法3种。
一、M法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法，例如光电编码器是N线的，则每旋转一周可以有4N个脉冲，因为两路脉冲的上升沿与下降沿正好使编码器信号4倍频。
现在假设检测时间是Tc，计数器的记录的脉冲数是M1，在实际的测量中，时间Tc内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。
如果要求测量的误差小于规定的范围，比如说是小于百分之一，那么M1就应该大于50。
在一定的转速下要增大检测脉冲数M1以减小误差，可以增大检测时间Tc单考虑到实际的应用检测时间很短，例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制，一般应在0.01秒以下。
由此可见，减小测量误差的方法是采用高线数的光电编码器。
M法测速适用于测量高转速，因为对于给定的光电编码器线数N机测量时间Tc条件下，转速越高，计数脉冲M1越大，误差也就越小。
二、T法也称之为测周法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法。
为了减小误差，希望尽可能记录较多的脉冲数，因此T法测速适用于低速运行的场合。
但转速太低，一个编码器输出脉冲的时间太长，时钟脉冲数会超过计数器最大计数值而产生溢出;另外，时间太长也会影响控制的快速性。
与M法测速一样，选用线数较多的光电编码器可以提高对电机转速测量的快速性与精度。
三、M/T法M/T法测速是将M法和T法两种方法结合在一起使用，在一定的时间范围内，同时对光电编码器输出的脉冲个数M1和M2进行计数。
实际工作时，在固定的Tc时间内对光电编码器的脉冲计数，在第一个光电编码器上升沿定时器开始定时，同时开始记录光电编码器和时钟脉冲数，定时器定时Tc时间到，对光电编码器的脉冲停止计数，而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻，时钟脉冲才停止记录。
转子磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测
转子磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测摘要：文章重点解析了应用带有U、V、W相的复合式光电编码器，去检测转子磁钢表贴式永磁同步电机（SPMSM）转子初始位置的原理与流程。
实践证明这一新兴检测技术的应用是对传统检测方法算法执行周期漫长与繁琐等缺陷的弥补，这一技术的应用在检测SPMSM转子初始位置领域中的应用体现出快捷性与精确性特征，希望这一检测技术在后续的发展中得到更大的应用空间。
关键词：永磁同步电机；光电编码器；初始位置；检测方法国际上现存的文献资料多数是介绍在相关软件的协助下对永磁同步电机转子位置进行检测，与转子初始位置检测相关的研究少之又少。
实质上，转子初始位置检测是构成传感器调速体系的关键要素，若该环节存在错差，将会干扰转子位置计算的精确性，为精确型电机管控的系列计算结果的产出设置障碍，最终干扰电机运行的有序性。
基于此，本文探究复合式光电编码器在磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测进程中的具体应用。
1.复合式光电编码器检测转子初始位置的方法在对磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测之时常用的的光电编码器多数为复合式光电编码器，复合式光电编码器作为增量型光电编码器，最大的特征为能够以最为简易的方式完成磁极定位任务，其能够传递出正、反相两组信号，即U、V、W、A、B、Z（正相）与U-、V-、W-、A-、B-、Z（反相）。
一组被用于检测磁极方位，信息具有绝对性特征，三个线路在空间位置上互存角度差为120°，三路脉冲信号U、V、W在空间中所占比例均为50%；另一组信号的功能等同于增量式光电编码器，将三个线路方波脉冲数值传递出来，分别为A、B 与Z 。
前两个线路脉冲相位差为90°，其最大的功能在于辨别转子运行的方向，Z脉冲每运行一次，对基准点位置确定工作就进行一次。
U、V、W信号最大的作用为判别永磁同步伺服系统转子磁极的初始方位。
应该格外注意的内容是：复合式光电编码器的极对数目始终要和电机的极对数目达成统一性，转子运转360°编码器U、V、W相内就会有一相发出和其极对数相等的脉冲个数[1]。
刘宜章基于光电编码器的直流电机转速测量系统设计
基于光电编码器的直流电机转速测量系统设计摘要在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。
模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。
数字式通常采用光电编码器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。
随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法。
本文便是运用AT89C51单片机控制的智能化转速测量仪。
电机在运行过程中，需要对其进行监控，转速是一个必不可少的一个参数。
本系统就是对电机转速进行测量，并可以和PC机进行通信，显示电机的转速，并观察电机运行的基本状况。
本设计主要用AT89C51作为控制核心，由光电编码器、LED数码显像管、HIN232CPE 电平转换、及RS232构成。
详细介绍了单片机的测量转速系统及PC机与单片机之间的串行通讯。
充分发挥了单片机的性能。
本文重点是测量速度并显示在5位LED数码管上。
其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。
关键字：MSC-51（单片机）；AT89C51；转速；光电编码器AbstractIn the project practice, we will meet each kind to need frequently to survey the rotational speed the situation, the survey rotational speed method divides into the simulation type and the digital two kinds. The simulation type uses measured that the fast generator is the detecting element, obtains the signal simulates the quantity. Digital usually uses the electro-optical encoder, the Hall part and so on is the detecting element, obtains the signal is the signal impulse. Along with microcomputer's widespread application, specially high performance price compared to monolithic integrated circuit's appearance, the tachometric survey uses generally take the monolithic integrated circuit as the core digital measuring technique I graduated from the Design of the issue is control of the intelligent use of SCM speed measuring instrument. The system is the motor speed measurement, and PC and can communicate that the motor speed, and to observe the motor running the basic situation.The main design AT89C51 control as the core, by the Hall sensor, LED digital CRT, HIN232CPE-level conversion, and a RS232. Detailed measurements of the speed of the SCM system and PC and the serial communication between the microcontroller. Give full play to the performance of the SCM. This paper is to measure the speed and displayed in five LED digital pipe.The advantage of a simple hardware and software capabilities improve, measuring speed, high precision and control system reliable, cost-effective and so on.Keyword：MSC-51(One-chip computer)；AT89C51; sensor；Tachometer绪论目前, 测量直流电机转速的方法很多, 主要分为计数式、模拟式、同步式三大类。
编码器如何测位置、测转速、测角加速度？
编码器如何测位置、测转速、测角加速度？展开全文在电气传动系统中，是用来测量电机转速及转子位置核心部件。
光电编码器，它的转轴和被测转轴连在一起，由被测转轴带动它的转轴转动，然后将被测的物理量转变为二进制编码或者一串脉冲。
就以光电编码器来说进行细分又有三种类型，有增量式编码器、绝对式编码器、混合式编码器。
其中的增量式编码器多用于转轴转速测量，绝对式编码器多用于转轴空间位置的测量，而混合式编码器其实就是增量式编码器和绝对式编码器的组合体，后端是置入处理芯片的。
所以说其实这三类编码器都具有测量转子转速及空间位置的功能。
题目说的如何实现物理量的测量？这得从其原理出发。
因此来说说增量式编码器工作原理。
曾量式编码器上图是增量式编码器的结构示意图。
被测转轴带动它的转轴转动从而使光电码盘转动。
关键部位就是光电码盘，在其周边刻有节距相等的辐射状窄缝，而且是两组透明的检测窄缝，这两组透明的检测窄缝是错开1/4节距，因此两个光电变换器输出信号在相位上相差90度。
当工作时，鉴向盘不动的，只有主码盘和其转轴是跟被测转轴一起转动的，使发出的光源投射到主码盘和鉴向盘上。
假如主码盘的不透明区域和鉴向盘的透明窄缝对齐，投射光线是被全部遮挡的，此时编码器输出的电压信号是最小的。
假如主码盘的透明区域和鉴向盘透明窄缝对齐，投射光线是全部透过的，此时编码器输出的电压信号是最大的。
所以说增量式编码器的主码盘每转一个刻度线周期，它就输出一个近似正弦波电压信号，而且两组光电变换器输出电压信号相位差为90度。
看下图，是增量式编码器输出波形上面不是说到有两组光电变换器输出信号吗？图中的A和B就是输出的两组电压信号，属于两路正交脉冲。
图中的Z是一路零脉冲，它的作用是用来校正每转编码器产生的脉冲个数，将误差控制在每转之内，避免积累误差的产生。
区别电机转子旋转方向，根据A和B这两路脉冲信号相位来判断电机转子是正转还是反转。
但增量式编码器有优点也有缺点，优点是实现小型化容易、结构简单、响应速度快，缺点是掉电后容易丢数据，还容易积累误差。
光电编码器测速
实验三光电传感器转速测量实验实验目的1.通过本实验了解和掌握采用光电传感器测量的原理和方法。
2.通过本实验了解和掌握转速测量的基本方法。
实验原理直接测量电机转速的方法很多，可以采用各种光电传感器，也可以采用霍尔元件。
本实验采用光电传感器来测量电机的转速。
由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。
光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。
图3.31说明了这四种形式的工作方式。
图3.31 光电传感器的工作方式图3.32直射式光电转速传感器的结构图直射式光电转速传感器的结构见图3.32。
它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。
开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。
开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即n=f/N式中：n - 转速f - 脉冲频率N - 圆盘开孔数。
反射式光电传感器的工作原理见图3.33，主要由被测旋转部件、反光片（或反光贴纸）、反射式光电传感器组成，在可以进行精确定位的情况下，在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸会取得较好的测量效果。
在本实验中，由于测试距离近且测试要求不高，仅在被测部件上只安装了一片反光贴纸，因此，当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次。
通过测出这个跳变频率f，就可知道转速n。
n=f如果在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸，那么，n=f/N。
N-反光片或反光贴纸的数量。
图3.33 反射式光电转速传感器的结构图实验仪器和设备1. 计算机 n台2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套3. 并口数据采集仪（DRDAQ-EPP2）1台4. 开关电源（DRDY-A）1台5. 光电转速传感器（DRHYF-12-A） 1套6. 转子/振动实验台（DRZZS-A）/(DRZD-A) 1 台实验步骤及内容1.光电传感器转速测量实验结构示意图如图3.34所示，按图示结构连接实验设备，其中光电转速传感器接入数据采集仪A/D输入通道。
光电编码器原理及选型标准
1.光电编码器原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90旱牧铰仿龀逍藕拧根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
1.1增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90海佣煞奖愕嘏卸铣鲂较颍鳽相为每转一个脉冲，用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
1.2绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。
这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。
显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。
目前国内已有16位的绝对编码器产品。
绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。
绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。
光电编码器脉冲当量测量实验总结
光电编码器脉冲当量测量实验总结
光电编码器脉冲当量测量实验是一种常见的测量方法，用于测量旋转角度或转速等参数。
在本次实验中，我们使用了光电编码器来测量电机的转速，并通过计算脉冲数和时间间隔来得出脉冲当量。
我们需要准备实验设备，包括光电编码器、信号发生器、示波器、数据采集卡等。
然后，将光电编码器的输出信号连接到信号发生器的输入端，并将示波器的输入端连接到信号发生器的输出端。
接着，通过数据采集卡将示波器的输出信号转换为数字信号，以便后续处理。
接下来，我们进行了实验操作。
首先启动电机，使其开始旋转。
然后，通过示波器观察光电编码器的输出信号，记录下脉冲数和时间间隔。
接着，根据脉冲计数原理和时间间隔计算出脉冲当量。
最后，将计算结果与理论值进行比较，验证实验结果的准确性。
通过本次实验，我们深入了解了光电编码器的工作原理和使用方法，掌握了脉冲当量的计算方法，并能够准确地测量电机的转速。
同时，也发现了一些问题和不足之处，例如在高速旋转时容易出现误差，需要采取相应的措施来减小误差。
总之，光电编码器脉冲当量测量实验是一项重要的实验内容，对于理解光学传感器的原理和应用具有重要意义。
希望今后能够继续深入学习相
关知识，不断提高自己的实践能力和水平。
基于增量式光电编码盘的永磁同步电机转子位置初始定位
基于增量式光电编码盘的永磁同步电机转子位置初始定位*陈 荣(盐城工学院电机与信息工程学院,江苏盐城 224003)摘 要:在简述矢量控制原理的基础上,通过分析现有转子位置检测手段的不足,提出使用增量式光电编码盘实施永磁同步转子位置检测及转子位置的初始定位方法。
该试验系统使用转子位置初始定位方法。
试验结果表明,该方法可以满足实际使用要求。
关键词:永磁同步电机;增量式光电编码盘;初始定位中图分类号:TM 301.2B TM 351 文献标识码:A 文章编号:1673-6540(2007)03-0032-03R otor Inci pient Position Locati on of P M S M B asedon Incre m ental Photoelectri c Coded D iskC HE N Rong(Institute of E lectric M ach i n e and Infor m ati o n Eng i n eer i n g ,Yancheng Institute of Techno l o gy ,Yancheng 224003,Ch i n a)Abstrac t :A m ethod o f ro tor po siti on detec ti on and i nc i pien t pos ition locati on usi ng i ncre m ental pho t oe lectr i ca l coded disksw as i ntroduced .T he pri nc i p l e of vector contro lw as presented .T he s hortcom ing of roto r position de tecti on m easure used no w adays w as analyzed .T he m ethod had been put i nto use i n exper i m ent syste m,and the test res u lts showed that it could m eet the needs of practica l use .K ey word s :perman en t m agn etic synch ronous m otor ;incre m en ta l photoe lectr ical coded d isk ;i nc i p ien t position location*江苏省高校自然科学基金项目(04KJ B470150);盐城市科学技术局自然科学基金项目(YK2005016-1)0 引 言在交流传动系统中,永磁同步电机的数学模型相对简单,且其功率密度大、低速时转子不发热、不影响传动精度;而且,由于电机转子有励磁,电机的运行频率极低,电机调速范围较宽[1]。
光电编码盘测量电机速实验实验报告
实验七电机测速及悬浮实验
Temp=Counter+((End-Start+1)>>1); if(Type^(lValue<Temp)) { if(Type) Counter=Temp; Start=(Start+End+1)>>1; Type=false; } else { if(!Type) Counter=Temp; End=(Start+End-1)>>1; Type=true; } } return Start; }
实验七电机测速及悬浮实验
由上面的数据可看出.如果,按照序号 01327645 的方式遍历循环码.其编码实值是按自然 数顺序排列.反之,如果按此顺序遍历其二进制实值.则会发现遍历过的数据的个数减一即为 二进制码所对应循环码的实值.再观察序号顺序,我们会发现: 如果把二进制码分半,前半部分 从前向后遍历,后半部从后向前遍历.如果分半部分可再分,则再将其分半.并按照前半部分从 前向后遍历(分解),后半部分从后向前遍历的方式遍历(分解).直到不可分.即可实现按序号所 描述顺序遍历二进制码.如果,按此顺序遍历二进制码,我们可以很方便地在序列中找到所要 的二进制码与其对应的循环码.本思想可以很方便地用递归实现.这样就实现了二进制到循环 码的转换.同样,循环码到二进制的转换,也可以用相同的方法推出.为了加快运算,我们跳过不 必要的遍历将递归改为递推.这样就实现了循环码与二进制之间的快速转换.此算法的时间复 杂度约为 O(n),n 为要转换数据的 BIT 数.
main() {
实验七电机测速及悬浮实验
long input=0; #ifdef test //程序测试部分 clock_t cStart,cEnd; unsigned long dTime; cStart=clock(); for (input=0;input<9999999;input++)
实例——光电编码器在电机控制中的运用
实例——光电编码器在电机控制中的运用任务某设备上有一套电机控制系统，电动机上均配有一台光电编码器（光电编码器与电动机同轴安装），用于测量电动机的转速，结合PLC控制，保证物料进给适当。
所需主要软硬件配置① 1套GX DEVELOPER V8.86；② 1台增量式光电编码器（1024线）；③ 1根编程电缆；④ 1台FX2N-32MT PLC。
讲运用前，我们先科普下光电编码器相关的知识：光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成，在伺服系统中，光栅盘与电动机同轴致使电动机的旋转带动光栅盘的旋转，再经光电检测装置输出若干个脉冲信号，根据该信号的每秒脉冲数便可计算当前电动机的转速。
分类（常用光电编码器）增量式编码器，通过光电转换系统，输出A、B、Z三组方波脉冲，其中A、B两脉冲相位差相差90度以判断电动机的旋转方向，Z脉冲为每转一个脉冲以便于基准点的定位。
绝对式编码器，通过光电转换系统，输出数字量。
在绝对式编码器的码盘上存在有若干同心码道，每条码道由透光和不透光的扇形区间交叉构成，码道数就是其所在码盘的二进制数码位数，码盘的两侧分别是光源和光敏元件，码盘位置的不同会导致光敏元件受光情况不同进而输出二进制数不同，因此可通过输出二进制数来判断码盘位置。
区别（常用光电编码器）科普完毕，回来前面的任务：接线图常见的光电编码器的输出脉冲信号有+5V和+24V，而三菱FX2NPLC的输入端的有效信号是0V（NPN接法时）；因此，为了保证脉冲信号的稳定与有效，在选用光电编码器时要注意最好不要选用+5V输出的光电编码器，（上图中的编码器是NPN型输出的。
）此外，编码器的0V端子要与PLC的COM短接。
否则不能形成回路。
PLC所需指令脉冲速度检测指令（SPD）在FX系列PLC中有一条指令SPD用于测量单位时间内的脉冲个数非常方便（具体看下图）。
当X1闭合时，D1对X0由OFF到ON的动作计数，100ms后，将其结果存入D0。
光电编码器速度测量方法
光电编码器速度测量方法
光电编码器是一种常用的速度测量设备，其工作原理是利用光电效应将旋转运动转化为电信号，用来测量旋转物体的角速度。
在实际应用中，为了获得更精确的测量结果，需要采用一些特殊的方法来提高测量精度。
第一种方法是使用多个光电编码器。
通过将多个光电编码器分别安装在被测物体的不同位置上，可以获得更加准确的旋转速度信息。
在实际应用中，通常会使用三个或更多的光电编码器，分别测量被测物体的不同位置。
第二种方法是使用边沿计数器。
边沿计数器是一种精密的计数器，可以对光电编码器输出的电信号进行精确的计数。
通过对边沿计数器进行配置，可以实现高速的计数和计算，从而提高测量精度。
第三种方法是使用数字信号处理器。
数字信号处理器可以对光电编码器输出的信号进行数字滤波和处理，从而提高测量精度。
通过对输入信号进行数字滤波和滤波器设计，可以获得更加稳定和精确的测量结果。
综上所述，光电编码器速度测量方法有多种，每种方法都有其优缺点和适用范围。
在实际应用中，需要根据被测物体的具体特点和测量要求，选择最合适的测量方法，从而获得更加准确和可靠的测量结果。
- 1 -。
电机转速和转子位置数字测量方法的研究
样 时 间 。利用 测量 信号 处理 电路 对编码 器 脉冲信 号 进行 预处 理 ， 可得 到 测 量周 期 内编 码 器 脉 冲信 号 个数 ， 这个 脉 冲信 号 个 数 包含 有 整 数 和 小 数两 部 分 。其 中的小数 部分 即为码盘 脉 冲信 号 和采样 信 号之 间 的相 对 位 置 ， 因此 综 合 Ｍ／ 法 可 以 同 Ｔ
时测量 出 电机 的转 速 和转子 位置 。
改进 ， 它们 的测 量 精度 和 分 辨 率也 各 不 相 同 。文
献 中按 照测 速时采 样 时间是否 变化将 这些 测速 方 法 分 为两类 ： 一类 是 采 样 时 间变 化 依赖 于测 量 频
率 ， Ｃ Ｔ法ｒ ； 一类 是采样 时 间 固定 的 ， 样 如 Ｅ ２另 采 时间不 随测量 频率 变化 而变化 ， Ｄ 如 Ｂ法 ｒ 。 ３ ］
Ｋｅ ｗｏｄ ：ｙ ｔ ｅ ｉｅ Ｔ ｓｉ ｔ ｎ ｍｅｈ ｄ ｓ ｅ ｄ ｒｔ ｒｐ ｓｔｏ ｙ ｒ ｓｓ ｎｈ ｓｚ ｄＭ／ ｅｔｍａｉ ｔ ｏ ｐ ｅ ｏｏ ｏ ｉ ｎ ｏ ｉ
１ 引 言
目前 ， 高精度 的交 流 电机 数字 控制 系统 中 ， 在 电机转 速与转 子位 置 的测 量通 常是采 用安 装在 电 机 轴上 的光 电 编码 器 。在 给 定 的测 量 周 期 内 ， 编 码 器 随着 电机转速 的变化 输 出相应频 率 的数字 脉
ＣＳ ＤＴ 法 。
本 文提 出 的综 合 Ｍ／ 法 同样 采 用 固定 的采 Ｔ
冲信号 ， 利用 不 同 的方 法对 这 些 脉 冲信 号 进 行 处
理 ， 得到多 种数 字测速 方法 。文献 Ｅ ］ 述 了各 可 １概
种测速 的方 法 ， 些 方 法 是 对 Ｍ 法 或 者 Ｔ 法 的 这
429 基于磁编码器永磁同步电动机转速及位置的检测
转速测量选用磁编码器模式１的增量输出，即 将其配置成正交编码Ａ／Ｂ模式．该模式下随着电机 旋转产生与转速成正比相位如图２所示，电机 每旋转一周，ｉｎｄｅｘ输出一个脉冲，而Ａ／Ｂ输出２５６ 个脉冲．转子的正反转可以根据Ａ、Ｂ两路脉冲信号 的相位先后来判断，转速可由如下方法计算得出．
收藕鞠期：２０∞一Ｏｌ—ｌｌ 俸者籍奔：王力（１９ｓ２一），男，埝尔滨瑾王大学该圭疆究缀。
度【ｌｊ．此法虽然省掉了机械传感器，但是其计算量 大，不能犀时满足电机各种运行状态的检测，并且对 电机的结构有要求．而传统的方法多采用光电编码 器．该方法精确度很高¨Ｊ，但由于采用的是发光元 传，英寿命不长，成本离．本文应用一莉薪型磁编码 器来实现对永磁同步电动机转予速度和位置的检 测，介绍了相应的检测方法，最后给出了基于
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图４同步串口输出时序图
４．２ ＰＷＭ输出绝对位置
可以输出一个频率为０．９７５ ６ｋＨｚ的脉宽调制
ｄ：唑一１ 信号，其脉冲宽度与测量角度成比例，即 （７） ０￡０ｎ＋￡硪，
其中，ｄ为位置． ＰｗＭ信号周期为１ ０２５ｍｓ，最小脉宽为１ｍｓ，对
对于位置的检测，对磁编码器的ＰｗＭ信号进
万方数据
第６期
王力等：熬予磁编码器永磁圈步电动机转速及位置的检测
行变换，通过一个低通滤波器变成０—４．５Ｖ与转子 位置角成正比的模拟信号，直接给ＤｓＰ的模拟输入
鑫ＤＣｌ№ｌ，对其位置焦送行梭测。魏图７所示为主程
序流程图．
模拟输出由ＰＷＭ输出外接低通滤波器来实 现＋电机转速为６ ＯＯＯｒ／ｍｉｎ的实测波形如瀚ｌＯ所 示，Ｏ一４．５Ｖ电压与旋转角度藏迸毖，因就可改通过 侄意时刻的电压值来读取角度值。
电机测速方案
电机测速方案一、引言电机是现代工业中不可或缺的关键设备，在各个领域都发挥着重要的作用。
为了确保电机的正常运行，测速是必不可少的环节。
本文将介绍一种可靠的电机测速方案。
二、传感器选择在选择测速方案之前，我们首先需要选择适合的传感器。
常用的电机测速传感器有光电编码器、霍尔传感器和磁敏传感器。
我们需要根据电机的具体要求和实际应用场景来选择合适的传感器。
三、光电编码器测速方案光电编码器是一种常用的电机测速传感器，通过检测旋转轴上的光电信号来获得转速信息。
使用光电编码器进行测速需要以下步骤：1. 安装光电编码器：将光电编码器安装在电机的旋转轴上，并与电机轴线平行。
确保光电传感器与编码盘之间没有障碍物，以免影响测速的准确性。
2. 连接电路：将光电编码器与电机控制系统连接。
通常情况下，光电编码器会输出脉冲信号，我们需要将这些脉冲信号传递给控制系统进行测速计算。
3. 测速计算：通过计算编码器输出的脉冲数量和脉冲周期，我们可以得到电机的转速。
根据测速的要求，可以选择不同的测速算法，如脉冲计数法、周期测速法等。
四、霍尔传感器测速方案霍尔传感器是另一种常用的电机测速传感器，通过检测磁场变化来获得转速信息。
使用霍尔传感器进行测速需要以下步骤：1. 安装霍尔传感器：将霍尔传感器固定在电机旋转轴周围，靠近电机轴心。
确保传感器与磁铁之间的距离和位置合适，以便获得准确的转速信息。
2. 连接电路：将霍尔传感器与电机控制系统连接。
通常情况下，霍尔传感器会输出高低电平信号，我们需要将这些信号传递给控制系统进行测速计算。
3. 测速计算：通过计算霍尔传感器输出信号的频率和周期，我们可以得到电机的转速。
同样地，根据测速的要求，可以选择不同的测速算法进行计算。
五、磁敏传感器测速方案磁敏传感器是一种基于磁场变化的测速传感器，可以用于电机的测速。
使用磁敏传感器进行测速需要以下步骤：1. 安装磁敏传感器：将磁敏传感器安装在电机旋转轴附近，并确保传感器与磁铁之间的距离合适。
基于CCD光电式两车相对空间位置测量技术研究
相关技术综述
CCD是英文“Charge-Coupled Device”的缩写，中文称为“电荷耦合器 件”。它是一种半导体器件，能够将光线转化为电荷，并在此基础上进行信号处 理。在CCD光电式两车相对空间位置测量技术中，CCD器件作为一种关键的组件， 用于捕捉和转换车辆反射或自身发射的光线，进而计算出车辆之间的相对位置。
基于模型拟合的方法则通过建立空间目标的数学模型，拟合图像中的特征点， 得到空间目标的位置和姿态。
本次演示采用基于深度学习的视觉空间目标位置姿态测量方法。该方法通过 训练深度神经网络来学习空间目标的特征，并推断出空间目标的位置和姿态。具 体实验设计包括：首先，收集大量的空间目标图像数据，并标注其中的位置和姿 态信息；其次，设计深度神经网络模型，并采用适当的优化算法进行训练；最后， 利用训练好的模型对新的空间目标图像进行推断，得到其位置和姿态。
视觉空间目标位置姿态测量方法在近年来得到了广泛。目前，常见的视觉空 间目标位置姿态测量方法主要包括基于特征匹配的方法、基于深度学习的方法和 基于模型拟合的方法等。其中，基于特征匹配的方法主要通过识别图像中的特征 点，进而计算出空间目标的位置和姿态；基于深度学习的方法则利用深度神经网 络对图像进行学习和推断，得到空间目标的位置和姿态；
实验结果表明，基于深度学习的视觉空间目标位置姿态测量方法具有较高的 定位精度和运行效率。相比其他传统方法，该方法具有更高的鲁棒性和自适应性。 然而，该方法仍存在一些挑战，如图像质量的差异、光照变化和遮挡等问题，需 要进一步研究和改进。
本次演示研究了基于视觉的空间目标位置姿态测量方法，并验证了其可行性 和优势。该方法为空间探索领域提供了一种新的测量技术手段，具有广泛的应用 前景。在未来的研究中，可以进一步探索如何提高该方法的鲁棒性和自适应性， 以适应更加复杂和严苛的空间环境。可以研究如何将该方法与其他传感器和信息 源进行融合，以提高空间目标位置姿态测量的精度和可靠性。
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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 otorPlace of Synchronous MotorYu 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 motor1 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713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 =60mN 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 =60fN 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 。
81若电机在T(s)时间内转过X(rad)角,那么转速应是n=60X2πT d=60X2π(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 m1N 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=23(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=θ0/p+(n×T/60)×2π=θ0/p+2π×m/N(9)若用电角度表示,则为θ=θ0+2π×p×m/N(10)在第i个采样时间结束后,即第i个采样值为θi=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91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。