交流伺服電動機速度與位置傳感器的分析
張萬峰孫 力 劉亞光
(哈爾濱工業大學威海分校 山東 264200)
【摘 要】分析用于交流伺服電動機速度與位置檢測的各類傳感器的結構及功能，介紹混合式光電碼盤的結構，并給出其信號處理電路。文中還分析了混合式光電碼盤的參數指標對交流伺服電動機系統性能的影響。
1 引 言
交流伺服電動機系統與普通的直流伺服電動機系統相比，不僅具有體積小、可靠性高等特點，而且它還具有優越的伺服性能。交流伺服電動機系統由電動機本體、傳感器及驅動控制線路三大部分組成，而傳感器是交流伺服電動機系統的重要組成單元，作為一個交流伺服電動機系統，為了實現優越的伺服性能，其傳感器應能精確地反映轉子的位置與速度，這就要求系統的速度及位置傳感器應具有靈敏度高、動態性能好、精度高、抗干擾能力強等特點。
用于交流伺服電動機系統位置及速度檢測的傳感器主要有光電編碼器、磁電編碼器、旋轉變壓器、測速發電機。其中光電編碼器與磁電編碼器既可用于轉軸位置檢測，也可用于速度檢測，旋轉變壓器多用于轉軸位置檢測，測速發電機則用于轉速檢測。
附表對以上幾種主要的速度及位置傳感器的結構特性及功能進行了比較。從附表的比較來看，不同的位置及速度傳感器的應用特性具有不同的特點，旋轉變壓器與測速發電機的轉軸位置檢測與速度檢測方面有各自的特點。目前，廣泛應用于數控機床、機器人仿真系統等領域的光電編碼器與磁電編碼器是近年來隨著光電技術、新材料技術、數字處理技術發展起來的兩種新型的速度及位置傳感器。本文僅就光電編碼器進行分析。
2混合式光電碼盤的結構功能分析
混合式光電碼盤是一種既可檢測轉角又可檢測轉速的傳感器，其典型結構通常采用非接觸式光學碼盤。光電碼盤測量光柵的外碼道通常為增量式光電碼盤，與指示光柵及光敏元件配合，在旋轉時可產生伺服電動機系統的有關轉速、轉向、原點位置及相對角位移的數字信號a、b、z；測量光柵的內碼道為****式光學碼盤，與指示光柵及光敏元件配合，旋轉時可產生伺服電動機系統有關轉子磁極****位置的數字信號u、v、w。所以，混合式光電碼盤主要由測量光柵、指示光柵、發電元件、光敏探測器及信號處理電路組成，在電機旋轉時，測量光柵與電機軸同步旋轉，所
以，又稱旋轉光柵，指示光柵是固定不動的，所以又稱固定光柵。圖1為混合式光電碼盤的結構示意圖。
在混合式光電碼盤的結構中，測量光柵一般用光學玻璃制成，指示光柵一般用復合膠片制成。發光元件一般采用紅外發光管，光敏探測器是由鍺(ge)、砷化銦(inas)、銻化銦(insb)等半導體材料在一個基片上集成的多個光電二極管，其響應速度一般為100khz～1mhz。
下面對混合式光電碼盤的輸出波形及信號處理電路進行分析，圖2為混合式光電碼盤的輸出信號波形。
在光電碼盤中，受光元件所檢測出的微弱信號的處理有多種不同的方案。由于光電二極管的受光面積只有1mm2數量級，在電機旋轉時，其每次受光的時間又很短，所以即使光電二極管有較高的響應速度，它所產生的信號電流也只有微安級，并且該信號中還存在共模干擾，所以其處理電路應具有放大、比較整型和輸出幾個環節，圖3是混合式光電碼盤的信號處理電路框圖。
在圖3電路中信號的幅值放大部分采用電流一電壓轉換電路和差動放大電路，整型部分采用滯回比較電路，信號輸出采用長線驅動器。
需要特別加以說明的是，由于光電二極管為光伏探測元件，它在負載電阻很小的條件下具有較高的響應特性，在零負載電阻下具有****的靈敏度，典型的i／v轉換的電路結構如圖4所示，其轉換率為：
作為交流伺服電動機系統的速度及位置傳感器，較高的響應速度，較低的溫度漂移，較大的共模抑制比和較強的抗干擾能力是混合式光電碼盤信號處理電路的基本要求。另外，采用電流內插法可增加其輸出脈沖，從而提高混合式光電碼盤的分辨率，高分辨率的混合式光電碼盤是保證交流伺服電動機系統位置控制和速度控制精度的重要條件。
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