,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,2019年12月3日8时6分,#,2024/11/19 4:50,1,第三章 位移、角度检测传感器,广东工业大学机电学院,在对电动机控制中，控制系统可分为开环系统和闭环系统两类。,开环控制系统比较简单，能够满足一般的控制要求；,闭环控制系统则用于有精度要求的控制。,在电动机控制系统中，这些精度要求包括：,电动机本身的精度要求如角度和转速；,执行机构的精度要求，如线位移和角位移；,要实现对这些物理量的精确控制就必须通过高精度的检测传感器对这些物理量进行检测将检测的结果转换成数字量反馈给计算机,本章介绍在电动机控制中常用的位移、角度检测传感器的工作作原理以及它们与,CPU,或计算机的接口。,2024/11/19 4:50,2,2024/11/19 4:50,3,第三章 位移、角度、转速检测传感器,一、光栅位移检测传感器,二、光电编码盘角度检测传感器,2024/11/19 4:50,4,一、 光栅位移检测传感器,（一）光栅传感器的特点和分类,（二）,光栅位移传感器的组成,（三）光栅位移传感器的工作原理,光栅技术已经出现,100,多年了,光栅是一种在基体上刻制有等间距的均匀分布条纹的光学元件,光栅技术在近二三十年得到了快速的发展,光栅的刻制技术、电子技术的发展，光栅莫尔条纹细分技术的不断改进、以及计算机处理技术的巨大进步,光栅应用已普遍,利用光栅进行位移测量、应用于电动机及执行机构的闭环控制中,2024/11/19 4:50,5,2024/11/19 4:50,6,（一）光栅传感器的特点和分类,光栅传感器有以下优点。,输出数字信号,这使它易于与数字电路，特别是与,CPU,接口。,高精度,由于精密的光刻技术和电子细分技术，以及莫尔条纹所具有的对局部误差的消除作用，光栅传感器可以得到很高的测量精度。,在大量程方面，光栅传感器的测量精度仅次于激光测量，而成本却比其低得多。目前，用于长度测量的光栅，其测量误差可控制在,0.2,0.4 m,m,以内，精度为,0.5,3 m,1500 mm,分辨率可做到,0.1m,，允许计数速度为,200 mm,s,。,国外现在的产品可达到,nm,级精度。,下表为常用的光栅传感器精度。,2024/11/19 4:50,7,2024/11/19 4:50,8,同时具备大量程、高分辨率的特点。一般的传感器很难在大量程和高分辨率两个方面同时兼顾。,有较强的抗干扰能力。数字信号输出一般都比模拟信号输出具有更高的抗干扰能力。,信号处理电路简单、可靠。,光栅的输出信号，用数字电路进行整形、细分、辨向处理,一般都将信号处理电路和光栅部件组装在一起，体积小，应用方便。,传感器的输出接口电路都有驱动器，因此有带负载能力和长距离传输能力。,惯量小。光栅传感器体积小，重量轻，对组成系统的惯量和动态特性影响小,2024/11/19 4:50,9,光栅传感器的缺点。,对环境条件敏感。,由于光栅传感器的光栅片一般是用玻璃制作的，而且移动光栅片与固定光栅片之间的间隙很小，因此对环境如湿度、温度、振动冲击等较为敏感。环境的变化会影响光栅传感器的性能和可靠性。,一般的光栅传感器都是增量式的,信号的输出是串行的。,如果要求绝对式的、并行的光栅传感器，则信号的读取电路复杂，速度无法提高。,2024/11/19 4:50,10,光栅传感器的分类,光栅传感器可分为,透射式光栅和反射式光栅,两种。下图是透射式光栅传感器的结掏，其特点是光敏元件和光源分别位于光栅副的两侧，光栅是由透光材料,(,如玻璃,),制成的。,2024/11/19 4:50,11,光栅传感器的分类,下图是反射式光栅传感器的结构，光敏元件和光源位于光栅副的一侧，光栅是由不透光材料,(,如金属,),制成的。,2024/11/19 4:50,12,（二）,光栅位移传感器的组成,光栅传感器系统是由光栅、光栅光学系统、光电接收电路系统纰成。,1,光栅,光栅的表面刻有规则排列和形状的刻线，这些刻线可以是透光的,(,透射式,),或不透光的,(,反射式,),。常用的光栅传感器的刻线多属于黑自型的这种刻线的白色宽度为,a,，黑色宽度为,b,通常情况下,a=b,。图中的,w=a+b,，称为光栅栅距,或称为光栅常数。,2024/11/19 4:50,13,2,、光栅光学系统,光栅光学系统的作用是形成莫尔条纹。可分成光源系统和光栅付,2,部分 。,2024/11/19 4:50,14,(1),光源系统,光源系统包括光源和凸透镜。,光源,从光源发出的光经过凸透镜后变成平行光线，照射到光栅上 。,对光源的要求是：能够提供稳定的光能量光效率要高发热量要小寿命长，供电电路简单。,符合上述要求的,常用光源是砷化镓,(GaAs),发光二极管,， 它的光波长为,0.88,0.94 m,，与光敏接收元件的最敏感光谱十分接近因此效率高，另外砷化镓发光二极管还有体积小发热少，寿命长，光源与凸透镜制作成一体的诸多优点但由于这种光源发出的是不可见光。因此对安装调试要求较高。,2024/11/19 4:50,15,(2),光栅副,光栅副包括标尺光栅和指示光栅,标尺光栅也称移动光栅,，而,指示光栅又称固定光栅,。,标尺光栅是测量的基准它决定测量的精度。,指示光栅一般不做成满量程，而只取一小块足够覆盖光电元件即可。,光栅的材料多用玻璃和不锈钢。玻璃用于透射式光栅，不锈钢用于反射式光栅。,两光栅间的间歇比较小 计算公式：,式中,有效光波波长。,2024/11/19 4:50,16,3,光电接收系统,光电接收系统是由光敏元件组成它将莫尔条纹的光学信号转换成电信号。,光敏元件有：光敏二极管、光敏三极管、光电池；,光敏三极管灵敏度高、负载能力强、较为常用。光敏三极管输出电流在,5mA,以上。峰值光敏波长,K,为,0.86,0.9m,，响应时间为,2s,，响应频率在,100KHz,以下。,2024/11/19 4:50,17,将标尺光栅和指示光栅重叠在一起，并使,它们的刻线之间形成一个很小的交角,，,在光栅垂直方向上出现的明暗相间的条纹就称为莫尔,(Moire,，法语指水面波纹的意思,),条纹,。两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹间距，用,B,来表示。根据图,(b),莫尔条纹间距,B,与栅距,W,和夹角,有如下关系,：两光栅刻线交角越小莫尔条纹间距,B,越大。,（三）光栅位移传感器工作原理,2024/11/19 4:50,18,莫尔条纹与光栅刻线间的夹角,的平分线近似垂直,当标尺光栅和指示光栅的交角,保持不变而相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移动。光栅移动了,W/2,栅距时，莫尔条纹由暗条纹变为亮条纹,(,或由亮条纹变为暗条纹,),；光栅再移动,w/2,栅距时莫尔条纹则由亮条纹变回暗条纹,(,或由暗条纹变回亮条纹,),。因此,光栅移动一个栅距,W,时莫尔条纹也移动一个间距,B,，同时在指示光栅上的光敏元件接收到一次光脉冲的照射，并相应输出一个电脉冲。,通过计数电脉冲的数目，就可以测量标尺光栅移动的位移,x,，即,x=iW i-(,光,),电脉冲的个数。,2024/11/19 4:50,19,利用莫尔条纹实现位移的测量有如下特点,:,(1),莫尔条纹间距对光栅栅距有放大作用,如果,W=0.02 mm,，,=0.1(0.00174532 rad),时,则,B=11.4592 mm,。即，光栅移动,0.02 mm,时莫尔条纹移动,11.4592mm,，莫尔条纹起了放大,1,倍的作用。这样，光敏元件就可以直接布置在莫尔条纹宽度范周内。,2024/11/19 4:50,20,利用莫尔条纹实现位移的测量有如下特点,:,(2),莫尔条纹对光栅栅距局部误差有消差作用,在光栅测量过程中,标尺光栅上的数十条、数百条刻线参与测量，个别刻线的,栅距误差会得到均化,作用，对整个奠尔条纹的位置和形状影响较小,因此,莫尔条纹就具有了对光栅栅距局部误差的消差作用,。莫尔条纹位置的标准差,X,和单条刻线位置的标准差,的关系可由下式表示,式中,n-,参与形成莫尔条纹的刻线数。,2024/11/19 4:50,21,(3),莫尔条纹从亮条纹到暗条纹以及从暗条纹到亮条纹的变化不是阶跃性的，而是逐渐过渡的。,下图为移动的标尺光栅相对不动的指示光栅移动一个栅距时，光敏元件接收的光照强度也经历一个周期的变化，即由暗弱半亮亮半亮弱暗,(,或由亮半亮弱暗弱半亮亮,),变化一次；,2024/11/19 4:50,22,光强度的周期变化使光敏元件的输出也同步周期变化，其输出波形近似于正弦波形可用下式表示,式中,U,0,-,输出信号的直流分量,U,m,-,交流信号的幅值。,光强度变化一次所需的时间,(,周期,),与光栅位移一个栅距所需的时间是相同的。,2024/11/19 4:50,23,位移的方向,必须有,2,个以上的信号根据它们的相位不同来判断位移方向。在指示光栅上安装,2,个光敏元件,Ta,、,Tb,，安装位置如图所示，,2,个光敏元件相距,B,4,这样，,它们的输出,Ua,、,Ub,相位相差,90,度,。,标尺光栅向左或向右移动时，莫尔条纹则相应地向上或向下移动，如果能够辨别莫尔条纹是上移还是下移，那么就能知道标尺光栅移动的方向。由图可见，,当莫尔条纹上移时，,Tb,先感知莫尔条纹，而,Ta,后感知莫尔条纹，,Ua,落后,Ub 90,；当莫尔条纹下移时，,Ta,先感知莫尔条纹而,Tb,后感知莫尔条纹，,Ub,落后,Ua 90,。,2024/11/19 4:50,24,2,个光敏元件的输出经过整形后送入辨向电路。如图,(a),所示,ub,信号分成,2,路：一路径微分电路后送与门,Y1,，另一路反相后再微分送与门,Y2,。由图,(b),波形图可见，莫尔条纹下移时，,ub,的微分脉冲出现在,ua,的高电平区间，与门,Yl,有脉冲输出它表示了莫尔条纹下移；莫尔条纹上移时，,ub,微分脉冲出现在,ua,的高电平区间，与门,Y2,有脉冲输出，它表示了莫尔条纹上移，由此可以辨别光栅的移动方向。,二、光电编码盘角度检测传感器,光电编码盘角度检测传感器将测得的角位移转换为脉冲形式的数字信号输出。,光电编码盘角度检测传感器可分为两种,绝对式光电绾码盘,增量式光电编码盘。,2024/11/19 4:50,25,2024/11/19 4:50,26,1,、绝对式光电编码盘的工作原理,（,1,）绝对式光电编码盘的结构与工作原理,绝对式光电编码盘是由码盘和光电检测装置组成。码盘采用照相腐蚀工艺，在一块圆形光学玻璃上刻出透光与不透光的编码。,下图为一种,4,位二进制绝对式光电编码盘的例子。编码盘中黑色代表不透光，白色代表透光。编码盘分成若干个扇区，代表若干个角位置。每个扇区分成,4,条码道代表,4,位二进制编码。,为了保证低位码的精度，都把最外码道作为编码的低位，而将最内码道作为编码的高位。,因为,4,位二进制数最多可以表示,2,4,=16,所以图中所示的扇区数为,16,。,2024/11/19 4:50,27,光源位于编码盘的一侧,4,只光敏三极管位于另一侧沿编码盘的径向排列每一只光敏三极管都对着一条码道。,当码道透光时该光敏三极管接收到光信号它输出低电平,0,；当码道不透光时，输出高电平,1,。例如编码盘转到图第,5,扇区,4,个光敏三极管的输出从高位到低位为：,0101,。它是二进制的,5,，此时代表角位置,第,5,扇区。,所以，不管转动机构怎样转动都可以通过随转动机构转动的编码盘来获得转动机构所在的确切位置。因为,所测得的角位置是绝对位置所以称这样的编码盘为绝对式编码盘,。,2024/11/19 4:50,28,（,2,）提高分辨率的措施,编码盘所能分辨的旋转角度就称为编码盘分辨率,：,n-,二进制数码的位数。,编码盘的位数越多，码道数越多，扇区数也越多能分辨的角度越小，分辨率就越高。,为了提高角位置的分辨率,显然最简单的方法就是增加编码盘的位数从而增加扇区数；但这要受到编码盘制作工艺的限制。,提高分辨率最常用的方法是采用多级编码盘如两级编码盘。,2024/11/19 4:50,29,两级编码盘中的两个码盘的关系，与钟表的分针和秒针的关系相似。在钟表中秒针移动,60,个格,(,一圈,),，分针才移动一个格，分针移动一个格代表一分钟秒针移动一个格代表一秒钟，分辨率提高,60,倍。同理，若使两级编码盘中的低位码盘转一圈，高位码盘才转一个扇区则分辨率将提高低位码盘扇区数那么多倍。例如低位码盘是,5,位它的扇区数是,2,5,=32,则编码盘系统的分辨率将提高,32,倍。如果高位码盘是,6,位这个系统的分辨为：,2024/11/19 4:50,30,（,3,）减小误码率的方法,二进制编码虽然原理简单但对编码盘的制作和安装要求较高；这是因为使用这种编码时，一旦出现错码，将有可能产生很大的误差。,例如，编码盘从第,7,扇区移动到第,8,扇区，应该输出二进制编码,1000,，如果编码盘停在第,7,扇区和第,8,扇区之间，由于某种原因内码道的光敏三极管首先进入第,8,扇区，则实际输出的是,1111,；如果内码道的光敏三极管滞后进人第,8,扇区，则实际输出的是,0000,。编码盘的输出本应由,7,变,8,，却出现了,15,或,0,，这样大的误差是无法容忍的。为了避免出现这样的错误，使错码率限制在一个位码常用以下,2,种方法。,2024/11/19 4:50,31,(1),采用循环码,循环码的最大特点是：从一个数码变化到它的上一个数码或下一个数码时数码中只有一位发生变化。,下表列出了,4,位循环码和二进制编码的对应关系。循环码所代表的数无论加,1,或者减,1,对应的循环码只有一位变化。如果在编码盘中采用循环码来代替二进制码，即使编码盘停在任何两个循环码之间的位置所产生的误差也不会大于最低位所代表的量。例如，当编码盘停在,1110,和,1010,之间时，由于这两个循环码中有,3,位相同，只有,1,位不同。因此，无论停的位置如何有偏差，产生的循环码只有,1,位可能不一样，即可能是循环码,1110,或者是,1010,，而它们分别对应十进制数的,11,和,12,。因此，即使有误差，也不过是,1,。,2024/11/19 4:50,32,2024/11/19 4:50,33,(2),采用扫描法（自学）,扫描法仍然采用二进制编码。扫描法是在二进制编码盘的最低位码道,(,也就是最外侧码道,),上安装,1,只光敏三极管，在其他每个码道上安装,2,只光敏三极管。其中一只称为超前读出头，它处于比它低,1,位的读出头超前改变状态的位置，如下图所示；另一只称为滞后读出头，它处于比它低,1,位的读出头滞后改变状态的位置。,2024/11/19 4:50,34,规定当某一个二进制码的第,i,位是,1,时，该二进制码的第,i+1,位要从滞后读出头读出；相反当某一个二进制码的第,i,位是,0,时该二进制码的第,i+1,位要从超前读出头读出。这样也能使错码限制为最低位的一个,bit,。,例如，编码盘处于第,11,扇区位置,B0,输出高电平,1,；,B1,应从滞后读出头取数字信号，输出为,1,；同理,B2,也应从滞后读出头取数字信号，输出为,0,；而,B3,则从超前读出头取数字信号，输出为,1,。所以，输出的二进制编码为,1011,。从图中可见，由前一位电平的结果所选中的各位读出头不论是滞后读出头，还是超前读出头都处于错码率最低的位置，即透光或不透光集中分布的位置。也就是说即使这些读出头发生错位输出的数字信号也不会变化，从而保证了错码率与分辨率一致。,2024/11/19 4:50,35,2,、增量式光电编码盘的工作原理,增量式光电编码盘不像绝对式光电编码盘那样测量转动体的绝对位置，它是专门,测量转动体角位移的累计量,。,2024/11/19 4:50,36,增量式光电编码盘是在一个码盘上只开出,3,条码道，由内向外分别为,A,、,B,、,C,如图,(a),所示。,在,A,、,B,码道的码盘上，等距离地开有透光的缝隙,2,条码道上相邻的缝隙互相错开半个缝宽，其展开图如图,(b),所示。第,3,条码道,C,只开出一个缝隙，用来表示码盘的零位。,在码盘的两侧分别安装光源和光敏元件当码盘转动时，光源经过透光和不透光区域相应地，每条码道将有一系列脉冲从光敏元件输出。码道上有多少缝隙就会有多少个脉冲输出。将这些脉冲整形后，输出的脉冲信号如图,(C),所示,2024/11/19 4:50,37,编码盘通过联轴器与被测轴连接将角位移转换成,A,、,B,两路脉冲信号，供可逆计数器计数，同时还输出一路零位脉冲信号作为零位标记。它每圈能输出,600,以及更多个,A,相或,B,相脉冲和,1,个零位脉冲,A,、,B,相脉冲信号的相位相差,90,。,2024/11/19 4:50,38,编码盘方向的辨别,经过放大整形后的,A,、,B,两相脉冲分别输入到,D,触发器的,D,端和,CP,端,D,触发器的,CP,端在,A,脉冲的上升沿触发。,A,、,B,脉冲的另一路经与门后，输出计数脉冲；这样，用,Q,（或,Q,非）控制可逆计数器是加计数还是减计数就可以使可逆计数器对计数脉冲进行计数。,c,相脉冲接到计数器的复位端实现每转动一圈复位一次计数器。这样,无论是正转还是反转计数值每次反映的都是相对与上次角度的增量，形成增量编码。,2024/11/19 4:50,39,由于,A,、,B,脉冲相位差为,90,，当正转时,B,脉冲超前,A,脉冲,90,，触发器总是在,B,脉冲处于高电平时触发，如图,(b),所示这时,Q=1,，表示正转；,2024/11/19 4:50,40,当反转时，,A,脉冲超前,B,脉冲,90,，触发器总是在,B,处于低电平时触发，这时,Q=0,，表示反转。,2024/11/19 4:50,41,3,光电编码盘与单片机的接口,测控电路与绝对式光电编码盘进行接口时，需要的是角位移的二进制编码，而绝对式光电编码盘采用的是循环码，所以存在循环码与二进制编码的转换问题。,以,B,n,表示二进制数的第,n,位，,R,n,表示循环码的第,n,位，,n,取值为,0,n,，从表可以看出有如下规律：,2024/11/19 4:50,42,2024/11/19 4:50,43,由上可知，循环码转换成二进制码可用如下通用公式，,式中,n-,循环码的最高下标。,可以通过软件按以上公式将循环码转换成二进制码 。,2024/11/19 4:50,44,可以通过异或门硬件电路实现上述公式的转换，图给出了,4,位循环码硬件转换实现电路的例子。,2024/11/19 4:50,45,测控电路与增量式光电编码盘的接口简单，在测控电路与编码盘之间加可逆计数器，测控电路读可逆计数器的输出即可。,2024/11/19 4:50,46,END,