1 電機(jī)的基本介紹

電機(jī)，是指根據(jù)電磁感應(yīng)定律，對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的執(zhí)行設(shè)備，可根據(jù)能量轉(zhuǎn)化的不同，分成電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。電動(dòng)機(jī)，俗稱馬達(dá)，即將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，也是我們常見(jiàn)常用的方式;發(fā)電機(jī)，即將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，用于發(fā)電等場(chǎng)合。

1.1伺服電機(jī)

電機(jī)分類方式不同，叫法也各不相同，下面簡(jiǎn)單通過(guò)幾種分類方式和流程圖，來(lái)介紹一下電機(jī)的分類。

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

常見(jiàn)的伺服電機(jī)，是永磁同步交流伺服電機(jī)，其內(nèi)部轉(zhuǎn)子是永磁鐵。驅(qū)動(dòng)器通過(guò)控制U、V、W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在電磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)后銜接的編碼器通過(guò)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生反饋的編碼器信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)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(dòng)的角度。由此可以看出，電機(jī)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(lái)檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、位置、角度、距離等。除了應(yīng)用在機(jī)械外，許多電機(jī)控制，比如伺服電機(jī)均需配備編碼器以作為換相、速度及位置的檢測(cè)。

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(dòng)的特性;

調(diào)試方便、安裝簡(jiǎn)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(hào)分為：模擬量信號(hào)、數(shù)字信號(hào)模擬量信號(hào)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(qiáng)，應(yīng)用于干擾較多的場(chǎng)景;

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

數(shù)字信號(hào)分為：增量式和絕對(duì)值式;增量式ABZ編碼器、絕對(duì)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(shí)位置信息會(huì)丟失;在每一個(gè)通道信號(hào)上加一個(gè)反向輸出，反向信號(hào)的存在主要是為了消除干擾以及補(bǔ)償損耗以便長(zhǎng)距離輸出。配圖(ABZ)

絕對(duì)值式的位置信息一直可用，即使在掉電情況下。

單圈絕對(duì)值：在0-360°的每一個(gè)角度位置傳輸一個(gè)唯一的信號(hào)，應(yīng)用于角度測(cè)量以及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量。

多圈絕對(duì)值：相對(duì)于單圈絕對(duì)值增加記圈數(shù)功能，每一圈的每一個(gè)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(duì)值式，絕對(duì)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(dòng)器交互

第一步：驅(qū)動(dòng)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(dòng)器;

2.與系統(tǒng)交互

常見(jiàn)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(duì)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(jī)編碼器分類

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

伺服電機(jī)編碼器也叫位置傳感器或機(jī)械加速度計(jì)。

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

伺服電機(jī)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(cè)量等類型;下面我們來(lái)了解一下伺服電機(jī)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(jī)匹配的交流驅(qū)動(dòng)器，例如 PID控制器和集成的驅(qū)動(dòng)器等來(lái)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(chǎng)合，包括要求高可靠性、高精度和長(zhǎng)壽命要求的場(chǎng)合。

常見(jiàn)類型：1)直接轉(zhuǎn)速型編碼器(即伺服電機(jī)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(dòng)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(diǎn)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(diǎn)按照一定的方向與角度排列，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器時(shí)，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的角位移變化了，其對(duì)應(yīng)軸上位置也隨之變化。

在兩個(gè)相同方向位置差中，一個(gè)為零另一個(gè)是正(反)零。

由于有位置分辨率型編碼器可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量，因而有較高的測(cè)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(gè)方向角(零值)信號(hào)分別輸入兩組輸出信號(hào)：

三、高精度位姿編碼輸出

這種伺服電機(jī)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(lái)說(shuō)，為了能夠直接讀到編碼器輸出端的輸出信號(hào)，這類編碼器還需要提供高精度的位移測(cè)量。

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

這類編碼器在設(shè)計(jì)上可以提供最大1/10μm的量程，因此可以提供一個(gè)非常高精度的位姿測(cè)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(lái)獲取位移數(shù)據(jù)，而是需要安裝在伺服電機(jī)內(nèi)部來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部位移傳感器檢測(cè)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(lái)獲取編碼器所輸出信號(hào)。

四、高靈敏度位移測(cè)量

它是在位移測(cè)量的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)產(chǎn)生電路由三個(gè)主要部分組成：數(shù)字信號(hào)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(gè)脈沖中把兩個(gè)脈沖疊加在一起，用來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)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(hào)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(cè)量模塊(SAPS-A)。采用了高靈敏度特性、低功耗的運(yùn)算放大器，以保證較高輸出靈敏度和較長(zhǎng)使用壽命。

該模塊集成了兩個(gè)通道：一個(gè)用于放大和反饋;另一個(gè)用來(lái)進(jìn)行測(cè)量，可以使分辨率得到提高。

五、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角傳感器

伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角傳感器是一種角位置(角速度)的測(cè)量裝置，可應(yīng)用于各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，例如軋機(jī)、軋輥、卷取機(jī)、壓花機(jī)、紡紗機(jī)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(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角位移來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)角的大小，從而獲得旋轉(zhuǎn)軸或物體相對(duì)于分度頭的角速度。

該傳感器通過(guò)安裝在分度頭上的兩個(gè)偏心齒輪和兩個(gè)偏心輪實(shí)現(xiàn)。

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

當(dāng)轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生位置變化和徑向力的變化，從而輸出信號(hào);也可以用電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩(輸入轉(zhuǎn)矩)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角測(cè)量。

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

六、直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(可由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng))

直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，指伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接由編碼器產(chǎn)生信號(hào)，也就是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)一般可以分為2種：一種是由電機(jī)直接帶動(dòng)分度頭轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生信號(hào);另一種是通過(guò)分度頭與伺服驅(qū)動(dòng)器相連接。

1、直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：這種方式可以有效的避免機(jī)械編碼器與伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)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(wú)需考慮霍爾元件在電磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流而影響其工作的問(wèn)題。

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

七、可實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)位置檢測(cè)與控制

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

伺服電機(jī)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(chǎng)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(lái)測(cè)量信號(hào)，當(dāng)被測(cè)物通過(guò)時(shí)，由于傳感器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)電信號(hào);而電磁感應(yīng)編碼也是一種類似的原理，用來(lái)測(cè)量位置。

電磁式編碼器在實(shí)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(dòng)機(jī)等都可以用來(lái)測(cè)量位置。

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