光电编码器选型及同步电机转速和转子位置测量

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4. 1
同步电动机转子位置测量
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
若用电角度表示, 则为 =
0
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。 数值。
i
+ 2
p
m/ N
[ 1]
, 不易实现小型化。
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
图2 增量式轴编码器码盘
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。
Choice of Optical encoder and Measure of Speed and Rotor Place of Synchronous Motor Yu Qingguang L iu Kui Wang Chong Yuan Weijia Q ian Weikang Zhang Cheng
Abstract: O ptical enco der , w hich is also called pho toelect ric ang ei positio n sensor , is the co re device in measurement of moto r speed and ro tor position in dr iv e system. T here summar ize the o per ating principle of ab so lute、 incremental and hy br id encoder, intr oduce the choice principle of optical encoder model and the measur ing method o f ro tor speed and roto r posit ion. T he implementatio n o f measur ing method o f ro tor speed and r o to r posit ion in var iable fr equency speed r eg ulated system of synchronous moto r is also g iven. Keywords: o ptical encoder hybrid enco der ro tor place o f synchr onous moto r
图4
绝对式轴编码器码盘
T+
T。
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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
电气传动
2006 年
第 36 卷
第4期
若电机在 T ( s) 时间内转过 X ( rad ) 角, 那么 转速应是 n= 60X 60 X = 2 T d 2 ( T+ T) X = 2 m1 / N 冲数为 m 2 , 则 T d 表示为 T d = m2 / f 这样 , 被测转速 ( r/ m in) 为 n= 60f c m 1 N m2 ( 6)
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 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 code) 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
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 1 000~ 5 000 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 。
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2. 1
光电轴编码器
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
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清华大学大学生 SR T 项目 ( 031T 0144)
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第4期
光电编码器选型及同步电机转速 和转子位置测量
LED 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。
1
引言
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。
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 [ 1] 示 。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
( 3)
T d 时间内传感器产生 m 1 个脉冲, 则角位移应是 ( 4) 另一方面 , 在 T d 时间内可计取时钟脉冲 f c 的脉 ( 5)
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 。 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]
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
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电气传动
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第4期
光电编码器选型及同步电机转速和 转子位置测量
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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
[ 2]
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3. 1
转子速度的测量
M 法测量转速 M 法测速度指在给定的时间 TFra bibliotek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/ T 计算出转速为 n= 60 m N T ( 1)
当时间固定时, 通过统计盘脉冲个数, 可以得
图3 增量式轴编码器的输出波形
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 = 60 f Nm ( 2)