1 電機的基本介紹

　　1.1伺服電機

　　電機分類方式不同，叫法也各不相同，下面簡單通過幾種分類方式和流程圖，來介紹一下電機的分類。

　　首先，按照工作電源種類劃分，可分為直流電機和交流電機。其中直流電機按照結(jié)構(gòu)和工作原理，又可分為無刷直流電機和有刷直流電機;交流電機，按照電壓的不同，又可分為單相電機和三相電機。其次，按照結(jié)構(gòu)和工作原理劃分，可分為直流電機、同步電機和異步電機，其中同步電機又可分為永磁同步電機、磁阻同步電機和磁滯同步電機;異步電機又可分為感應(yīng)電機和交流換向器電機。最后，按照用途劃分，可分為驅(qū)動用電機和控制用電機，其中驅(qū)動用電機又可分為電動工具用電機、家電用電機和其他通用小型機械設(shè)備用電機;控制用電機又可分為步進(jìn)電機和伺服電機。

　　常見的伺服電機，是永磁同步交流伺服電機，其內(nèi)部轉(zhuǎn)子是永磁鐵。驅(qū)動器通過控制U、V、W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在電磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機后銜接的編碼器通過電機的運轉(zhuǎn)產(chǎn)生反饋的編碼器信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器再根據(jù)反饋值和目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。由此可以看出，電機的控制精度，取決于編碼器的精度(或稱為線數(shù))。

　　什么是編碼器?

　　編碼器為傳感器類別的一種，只要用來檢測機械運動的速度、位置、角度、距離等。除了應(yīng)用在機械外，許多電機控制，比如伺服電機均需配備編碼器以作為換相、速度及位置的檢測。

　　編碼器分類：

　　按外形分：軸型編碼器、通孔型編碼器、盲孔型編碼器

　　按工作原理分：光電式和磁電式

　　磁電式相比于光電式：

　　具有防塵、防油、抗震動的特性;

　　調(diào)試方便、安裝簡單;

　　相同精度可以做到體積更小;

　　適用于更加惡劣的環(huán)境。

　　按輸出信號分為：模擬量信號、數(shù)字信號模擬量信號又分為：旋轉(zhuǎn)變壓器和正余弦編碼器;

　　旋轉(zhuǎn)變壓器精度較低，抗干擾能力強，應(yīng)用于干擾較多的場景;

　　正余弦編碼器精度相對較高。抗干擾能力一般，應(yīng)用轉(zhuǎn)速很快的場景較多。

　　數(shù)字信號分為：增量式和絕對值式;增量式ABZ編碼器、絕對值式分為單圈和多圈。

　　增量式編碼器：增量式掉電或電源出現(xiàn)故障時位置信息會丟失;在每一個通道信號上加一個反向輸出，反向信號的存在主要是為了消除干擾以及補償損耗以便長距離輸出。配圖(ABZ)

　　絕對值式的位置信息一直可用，即使在掉電情況下。

　　單圈絕對值：在0-360°的每一個角度位置傳輸一個唯一的信號，應(yīng)用于角度測量以及往復(fù)運動的測量。

　　多圈絕對值：相對于單圈絕對值增加記圈數(shù)功能，每一圈的每一個位置都是唯一的。

　　編碼器通訊方式：分兩種串行或者并行串行適用于增量式和絕對值式，絕對值式需要線束上帶電池。

　　并行適用于全線式和省線式。

　　編碼器與系統(tǒng)交互1.與驅(qū)動器交互

　　第一步：驅(qū)動器發(fā)送讀取編碼器數(shù)據(jù)命令;

　　第二步：編碼器接收命令，發(fā)送位置數(shù)據(jù)給驅(qū)動器;

　　2.與系統(tǒng)交互

　　常見的故障分析編碼器本身故障

　　連接線纜故障

　　編碼器+5V電源下降

　　絕對值式的電池電壓不足

　　編碼器屏蔽線未接或脫落

　　光柵污染(光電式)

　　伺服電機編碼器分類

　　伺服電機編碼器是由一組相連接的傳感器構(gòu)成，每個傳感器由多個不同精度的分度頭和一定數(shù)目的編碼器組成，通過對分度頭不同位置的編碼器信號分析，可以得到轉(zhuǎn)速和位移。

　　伺服電機編碼器也叫位置傳感器或機械加速度計。

　　它能直接獲取旋轉(zhuǎn)機械的速度、角位置等信息，是現(xiàn)代機械裝置中主要的信號源之一。

　　伺服電機編碼器分很多種，有直接轉(zhuǎn)速型編碼器、有位置分辨率型編碼器、有高精度位姿編碼輸出和高靈敏度位移測量等類型;下面我們來了解一下伺服電機編碼器如何分類：

　　一、直接轉(zhuǎn)速型編碼器

　　這種類型的編碼器在轉(zhuǎn)速為1000 rpm以上，在高負(fù)載下有很好的性能。

　　這種類型的編碼器具有良好的抗振穩(wěn)定性，在高負(fù)載下保持較高性能。

　　該類型編碼器可以使用與交流伺服電機匹配的交流驅(qū)動器，例如 PID控制器和集成的驅(qū)動器等來控制編碼器。

　　直接轉(zhuǎn)速式編碼器具有很好的穩(wěn)定性，因此適用于大多數(shù)場合，包括要求高可靠性、高精度和長壽命要求的場合。

　　常見類型：1)直接轉(zhuǎn)速型編碼器(即伺服電機編碼器);

　　2)直接轉(zhuǎn)速型和位置分辨率型編碼器;

　　3)多用途高速精密伺服驅(qū)動器。

　　二、有位置分辨率型編碼器

　　有位置分辨率型編碼器，是指將編碼的每一點的角位移在坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換成位置的增量。

　　其原理是：把每一點按照一定的方向與角度排列，當(dāng)轉(zhuǎn)動編碼器時，旋轉(zhuǎn)點的角位移變化了，其對應(yīng)軸上位置也隨之變化。

　　在兩個相同方向位置差中，一個為零另一個是正(反)零。

　　由于有位置分辨率型編碼器可以通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)位移測量，因而有較高的測量精度和分辨率。

　　有位置分辨率型編碼器通常采用三軸形式：

　　兩個方向角(零值)信號分別輸入兩組輸出信號：

　　三、高精度位姿編碼輸出

　　這種伺服電機編碼器采用了一種非常高精度的技術(shù)，可以直接讀取到編碼器的輸出。

　　通常來說，為了能夠直接讀到編碼器輸出端的輸出信號，這類編碼器還需要提供高精度的位移測量。

　　這種高規(guī)格的位姿測量系統(tǒng)可以與其他類型的伺服電機編碼器配合使用。

　　這類編碼器在設(shè)計上可以提供最大1/10μm的量程，因此可以提供一個非常高精度的位姿測量。

　　在一般情況下這種編碼器是不能直接與外部傳感器相連接來獲取位移數(shù)據(jù)，而是需要安裝在伺服電機內(nèi)部來實現(xiàn)對外部位移傳感器檢測數(shù)據(jù)(如角度、位置、速度等)的讀取。

　　另外還需要有一些專用儀器來獲取編碼器所輸出信號。

　　四、高靈敏度位移測量

　　它是在位移測量的基礎(chǔ)上，增加了一個信號發(fā)生器。信號產(chǎn)生電路由三個主要部分組成：數(shù)字信號發(fā)生器、線性放大器、放大單元。

　　線性放大器是用于放大輸入脈沖寬度的設(shè)備，在一個脈沖中把兩個脈沖疊加在一起，用來補償系統(tǒng)對脈沖寬度的非線性效應(yīng)，使輸入電壓達(dá)到線性輸出電壓的極限，即為輸入信號所允許的最大值。

　　線性放大器和增益控制電路相結(jié)合構(gòu)成高靈敏度位移測量模塊(SAPS-A)。采用了高靈敏度特性、低功耗的運算放大器，以保證較高輸出靈敏度和較長使用壽命。

　　該模塊集成了兩個通道：一個用于放大和反饋;另一個用來進(jìn)行測量，可以使分辨率得到提高。

　　五、伺服電機轉(zhuǎn)角傳感器

　　伺服電機轉(zhuǎn)角傳感器是一種角位置(角速度)的測量裝置，可應(yīng)用于各種旋轉(zhuǎn)機械，例如軋機、軋輥、卷取機、壓花機、紡紗機等等。

　　它的結(jié)構(gòu)與安裝位置如圖4-2所示。

　　其原理是通過測量旋轉(zhuǎn)物體的角位移來計算轉(zhuǎn)角的大小，從而獲得旋轉(zhuǎn)軸或物體相對于分度頭的角速度。

　　該傳感器通過安裝在分度頭上的兩個偏心齒輪和兩個偏心輪實現(xiàn)。

　　在安裝位置時，兩個偏心齒輪相互嚙合從而使偏心輪產(chǎn)生徑向力，通過測量出兩個偏心輪之間的距離來獲得轉(zhuǎn)角參數(shù)。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，也會產(chǎn)生位置變化和徑向力的變化，從而輸出信號;也可以用電機提供轉(zhuǎn)矩(輸入轉(zhuǎn)矩)實現(xiàn)轉(zhuǎn)角測量。

　　伺服電機編碼器是一種直接測量旋轉(zhuǎn)機械角速度和位置參數(shù)的設(shè)備。

　　六、直接驅(qū)動系統(tǒng)(可由電機直接驅(qū)動)

　　直接驅(qū)動系統(tǒng)，指伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)直接由編碼器產(chǎn)生信號，也就是通過電機帶動編碼器的轉(zhuǎn)軸，在編碼器的齒數(shù)上進(jìn)行增加或減少達(dá)到控制編碼器工作位置的目的。

　　直接驅(qū)動系統(tǒng)一般可以分為2種：一種是由電機直接帶動分度頭轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生信號;另一種是通過分度頭與伺服驅(qū)動器相連接。

　　1、直接驅(qū)動系統(tǒng)：這種方式可以有效的避免機械編碼器與伺服驅(qū)動器之間的相互影響，使編碼器工作穩(wěn)定可靠;

　　2、分度頭與轉(zhuǎn)軸之間采用光電隔離方式：這種方式可以有效的防止編碼器和轉(zhuǎn)軸因外部干擾而產(chǎn)生的信號畸變、噪聲。

　　3、轉(zhuǎn)軸與分度頭之間采用霍爾元件進(jìn)行連接：這種方式由于是直接將霍爾元件接在編碼器上，因此無需考慮霍爾元件在電磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流而影響其工作的問題。

　　4、采用磁屏蔽方式：這種方式主要用于電機和編碼器之間存在干擾的場合，但是由于使用了磁屏蔽材料，因此可以有效地消除電機和編碼器之間產(chǎn)生的電磁干擾。

　　七、可實現(xiàn)無機械運動的自動位置檢測與控制

　　在檢測與控制中，伺服電機編碼器作為位置測量的工具，已被廣泛應(yīng)用。

　　伺服電機編碼器的種類主要有：光電編碼器(如光電編碼器)、電磁編碼器(如電磁、電磁式、磁場式等)、電容式編碼器以及光電倍增管等。

　　在這類傳感器中，電磁式編碼器用來測量信號，當(dāng)被測物通過時，由于傳感器的機械運動，產(chǎn)生相應(yīng)電信號;而電磁感應(yīng)編碼也是一種類似的原理，用來測量位置。

　　電磁式編碼器在實際應(yīng)用中使用最多，例如傳感器、放大器、換能器或伺服電動機等都可以用來測量位置。

　　電磁編碼器是通過安裝在軸上的磁極組與安裝在軸上的電容形成回路實現(xiàn)位置檢測的。這類傳感器一般是由三個電極組成：一組用于通入信號;另兩組用于通出信號;第三組用于控制開關(guān)。