交流伺服电动机速度与位置传感器的分析
张万峰孙 力 刘亚光
(哈尔滨工业大学威海分校 山东 264200)
【摘 要】分析用于交流伺服电动机速度与位置检测的各类传感器的结构及功能，介绍混合式光电码盘的结构，并给出其信号处理电路。文中还分析了混合式光电码盘的参数指标对交流伺服电动机系统性能的影响。
1 引 言
交流伺服电动机系统与普通的直流伺服电动机系统相比，不仅具有体积小、可靠性高等特点，而且它还具有优越的伺服性能。交流伺服电动机系统由电动机本体、传感器及驱动控制线路三大部分组成，而传感器是交流伺服电动机系统的重要组成单元，作为一个交流伺服电动机系统，为了实现优越的伺服性能，其传感器应能精确地反映转子的位置与速度，这就要求系统的速度及位置传感器应具有灵敏度高、动态性能好、精度高、抗干扰能力强等特点。
用于交流伺服电动机系统位置及速度检测的传感器主要有光电编码器、磁电编码器、旋转变压器、测速发电机。其中光电编码器与磁电编码器既可用于转轴位置检测，也可用于速度检测，旋转变压器多用于转轴位置检测，测速发电机则用于转速检测。
附表对以上几种主要的速度及位置传感器的结构特性及功能进行了比较。从附表的比较来看，不同的位置及速度传感器的应用特性具有不同的特点，旋转变压器与测速发电机的转轴位置检测与速度检测方面有各自的特点。目前，广泛应用于数控机床、机器人仿真系统等领域的光电编码器与磁电编码器是近年来随着光电技术、新材料技术、数字处理技术发展起来的两种新型的速度及位置传感器。本文仅就光电编码器进行分析。
2混合式光电码盘的结构功能分析
混合式光电码盘是一种既可检测转角又可检测转速的传感器，其典型结构通常采用非接触式光学码盘。光电码盘测量光栅的外码道通常为增量式光电码盘，与指示光栅及光敏元件配合，在旋转时可产生伺服电动机系统的有关转速、转向、原点位置及相对角位移的数字信号a、b、z；测量光栅的内码道为****式光学码盘，与指示光栅及光敏元件配合，旋转时可产生伺服电动机系统有关转子磁极****位置的数字信号u、v、w。所以，混合式光电码盘主要由测量光栅、指示光栅、发电元件、光敏探测器及信号处理电路组成，在电机旋转时，测量光栅与电机轴同步旋转，所
以，又称旋转光栅，指示光栅是固定不动的，所以又称固定光栅。图1为混合式光电码盘的结构示意图。
在混合式光电码盘的结构中，测量光栅一般用光学玻璃制成，指示光栅一般用复合胶片制成。发光元件一般采用红外发光管，光敏探测器是由锗(ge)、砷化铟(inas)、锑化铟(insb)等半导体材料在一个基片上集成的多个光电二极管，其响应速度一般为100khz～1mhz。
下面对混合式光电码盘的输出波形及信号处理电路进行分析，图2为混合式光电码盘的输出信号波形。
在光电码盘中，受光元件所检测出的微弱信号的处理有多种不同的方案。由于光电二极管的受光面积只有1mm2数量级，在电机旋转时，其每次受光的时间又很短，所以即使光电二极管有较高的响应速度，它所产生的信号电流也只有微安级，并且该信号中还存在共模干扰，所以其处理电路应具有放大、比较整型和输出几个环节，图3是混合式光电码盘的信号处理电路框图。
在图3电路中信号的幅值放大部分采用电流一电压转换电路和差动放大电路，整型部分采用滞回比较电路，信号输出采用长线驱动器。
需要特别加以说明的是，由于光电二极管为光伏探测元件，它在负载电阻很小的条件下具有较高的响应特性，在零负载电阻下具有****的灵敏度，典型的i／v转换的电路结构如图4所示，其转换率为：
作为交流伺服电动机系统的速度及位置传感器，较高的响应速度，较低的温度漂移，较大的共模抑制比和较强的抗干扰能力是混合式光电码盘信号处理电路的基本要求。另外，采用电流内插法可增加其输出脉冲，从而提高混合式光电码盘的分辨率，高分辨率的混合式光电码盘是保证交流伺服电动机系统位置控制和速度控制精度的重要条件。
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