【文章內(nèi)容簡介】 反饋方式 大多數(shù)為開環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步 閉環(huán)方式，編碼器反饋 編碼器類型 — 光電型旋轉(zhuǎn)編碼器（增量型 /絕對(duì)值型），旋轉(zhuǎn)變壓器型 響應(yīng)速度 一般 快 耐振動(dòng) 好 一般 6 位置和速度傳感器的選擇 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中有許多不同的物理量（如位移、加速度、速度、電流等）需要控制和監(jiān)測。如果沒有傳感器對(duì)原始的各種參量進(jìn)行精確而可靠的監(jiān)測，那么對(duì)機(jī)電的各種控制都無法實(shí)現(xiàn)。因此，能把各種不同的非電量轉(zhuǎn)化成電量的傳感器，便成為機(jī)電一體化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制中，被控變量要么是速度要么是位置，一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體性能，在很大程度上將取決于用來產(chǎn)生反饋信號(hào)的傳感器類型極其質(zhì)量。 電機(jī)反饋傳感器在很大的測量范圍內(nèi)決定了一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體能力。傳感器誤差限制了位置或速度的穩(wěn)態(tài)精度，反饋傳感器中的不完美，如粗糙的分辨率以及周期性誤差引起力矩?cái)_動(dòng)。 在本系統(tǒng)中主要用的傳感器有 光電編碼器和霍爾式傳感器 光電編碼器 光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器，光電編碼器主要是通過讀取光電碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以把光電編碼器分為絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器兩種類型。增量式光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，價(jià)格低，精度高 ，響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用更為廣泛。在高分辨率和大量程角速度 /位移測量系統(tǒng)中，增量式光電編碼器更具優(yōu)越性。絕對(duì)式編碼器能直接給去對(duì)應(yīng)的每個(gè)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計(jì)算機(jī)處理，但當(dāng)給進(jìn)數(shù)大于一轉(zhuǎn)時(shí)，須作特殊處理，需要多級(jí)檢測裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本提高。 1）絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)式編碼器如圖 2 所示，他通過讀取編碼盤上的二進(jìn)制的編碼信息來表示絕對(duì)位置信息。 編碼盤按照一定的編碼形式制成碼盤。圖 2 為二進(jìn)制的編碼盤，圖中白色的是透過的 ,用“ 0”表示，黑色的是不透光的，用“ 1”表示。通常將組 成編碼的圈稱為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制中的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)是最高位。如果編碼盤有 4個(gè)碼道，就形成 4位 16進(jìn)制的編碼，因此可將碼盤劃分為 16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，如 0000， 0001....,1111。 按照碼盤上形成的碼道配置相應(yīng)的的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二級(jí)管和驅(qū)動(dòng)電子電路。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中的透光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“ 0”，遮光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“ 1”。這樣形成與編碼方式一致的高，低電平，從而獲得扇 區(qū)的位置信息。 7 圖 2: 絕對(duì)式編碼器碼盤 2）增量式編碼器 增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸的碼盤給出一系列的脈沖，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計(jì)數(shù)器對(duì)這些脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以此算出轉(zhuǎn)過的角位移量。增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3所示。 圖 3: 增量式編碼器結(jié)構(gòu) 圖 4：增量式編碼器原理圖 光電碼盤和轉(zhuǎn)軸連在一起。碼盤可用玻璃材料制成，表面鍍上一層不透光的金屬鉻， 8 然后在邊緣制成向心的透光狹縫。透光狹縫在碼盤圓周上等分，數(shù)量從幾百條到幾千條不等。這樣，整個(gè)碼盤圓周上被等分成 n個(gè)透光的槽。 增量式編碼器的工作原理如圖 4 所示，它由主碼盤、鑒向盤、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換器組成。在圖形的主碼盤周邊上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄縫，形成均勻分布的透明區(qū)和不透明區(qū)。鑒向盤與主盤平行，并刻有 A， B 兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯(cuò)開 1/4 節(jié)距，以使 A、 B 兩個(gè)光電變換器的輸出信號(hào)在相位上相差 90186。工作時(shí)，鑒向盤靜止 不動(dòng)，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當(dāng)主碼盤上的不透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線被全部遮住，此時(shí)光電變換器輸出的電壓最小；當(dāng)主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線全部通過，此時(shí)光電變換器輸出的電壓最大。主碼盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)刻線周期，光電變換器將輸出一個(gè)近似的正弦波電壓且光電變換器 A、 B的輸出電壓相位差為 90186。 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器是基于霍耳效應(yīng)的一種磁敏式的傳感器。霍耳效應(yīng)應(yīng)用于 1879 年首次被美國物理學(xué)家霍耳在金屬材料中發(fā)現(xiàn)。目前霍爾式傳 感器在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中主要可以用來測量電流和磁場，有時(shí)也用做位置信號(hào)的傳感器。 此系統(tǒng)中我們采用霍爾傳感器作為電流反饋信號(hào)的數(shù)據(jù)采集單元，運(yùn)用的原理是，在一定的溫度下，對(duì)于一個(gè)確定的霍耳元件，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B保持恒定時(shí)，電流 I 的變化可引起霍耳電勢 UH相應(yīng)的線性變化，則可通過測量霍耳電勢 UH 來測得電流 I 或者跟電流 I 有關(guān)的其他物理量。 直流定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析 直流電動(dòng)機(jī)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中具有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，調(diào)速性能和控制性能，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在需要調(diào) 速的高性能電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。另外，它的電樞電壓、電樞電流、電樞回路電阻、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速等各參數(shù)、變量之間的關(guān)系幾乎都是近似的線性函數(shù)關(guān)系，這使直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型較為簡單、準(zhǔn)確，相應(yīng)地使得直流調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)也較為容易，且經(jīng)過較長時(shí)間的實(shí)踐，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟、經(jīng)典，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 直流電機(jī)調(diào)速方法概述 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為： ??? VIRUn )( (公式 1 ) 式中 n — 轉(zhuǎn)速（ r/min）； 9 U — 電樞電壓（ V）； I — 電樞電流（ A）； R — 電樞回路總電阻（ ? ）； ? — 勵(lì)磁磁通（ Wb）； eK — 由電機(jī) 結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢常數(shù)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U ； （ 2）減弱勵(lì)磁磁通 ? ； （ 3）改變電樞回路電阻 R 。 這三種調(diào)速方法性能比較如下： 1． 調(diào)壓調(diào)速 調(diào)壓調(diào)速特性曲線如圖 5 所示。 工作條件：保持勵(lì)磁 N??? ；保持電阻 aRR? ； 調(diào)節(jié)過程：改變電樞電壓 NUU?? ? ， Un?? ? ， 0nn?? ? ； 調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。 2． 調(diào)阻調(diào)速 調(diào)阻調(diào)速特性曲線如圖 6所示。 工作條件：保持勵(lì)磁 N??? ；保持電壓 NUU? ； 調(diào)節(jié)過程：增加電阻 aRR?? ? ， Rn?? ? ， 0n 不變； 調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。 3． 調(diào)磁調(diào)速 調(diào)磁調(diào)速特性曲線如圖 7 所示。 工作條件：保持電壓 NUU? ；保持電阻 aRR? ； 調(diào)節(jié)過程：減 小勵(lì)磁 N? ??? ； n??? ? ， 0n? 調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。 1n23n0n 1U23UNn NLIOI 圖 5： 調(diào)壓調(diào)速特性曲線 10 1n23n0n NLIOI1R23R a 圖 6： 調(diào)阻調(diào)速特性曲線 1n230n N 1?23?N eT LTO 圖 7： 調(diào)磁調(diào)速特性曲線 4． 三種調(diào)速方法的性能與比較 對(duì)于要求在 一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng) 中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 Idcr以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程，在起動(dòng)電流達(dá)到最大值 Idm后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。 而我們期望達(dá)到的理想起動(dòng)過程是，在電機(jī)最大允許電