3.1 电动机控制常用传感器

3.1.1 位置传感器

1.码盘式传感器

光电编码盘角度检测传感器是一种广泛应用的编码式数字传感器，它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：绝对式光电编码盘和增量式光电编码盘。

（1）绝对式光电编码盘

1）工作原理：绝对式光电编码盘由光电检测装置组成。码盘采用照相腐蚀，在一块圆形光学玻璃上刻出透光与不透光的编码。图3-1给出了一种4位二进制绝对式光电编码盘的例子。图3-1a是它的编码盘，编码盘黑色代表不透光，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，分别代表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位二进制最多可以表示为16，所以图中所示的扇区数为16。

图3-1b是该编码盘的光电检测原理图。光源位于编码盘的一侧，4只光电晶体管位于另一侧，沿编码盘的径向排列，每一只光电晶体管都对着一条码道。当码道透光时，该光电晶体管接收到光信号，它输出低电平0；当码道不透光时，光电晶体管收不到光信号，因而输出高电平1。例如，编码盘转到图3-1a中的第五扇区，从内向外4条码道的透光状态依次为：透光、不透光、透光、不透光，所以4个光电晶体管的输出从高位到低位依次为：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。

2）提高分辨率的措施：编码盘所能分辨的旋转角度称为编码盘分辨率 α ，由下式给出

式中 n ——二进制的位数。

如图3-1中的编码4位， n =4，根据式（3-1）可知 α =22.5°；如果编码盘是5位，则 α =11.25 ° 。由此可见，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。

3）减小误码率的方法：采用如图3-1所示方法进制编码虽然原理简单，但对编码盘提出较高要求，一旦出现错码，将有可能产生很大的误差。例如，在图3-1a中，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，内码道的光电晶体管首先进入第8扇区，则实际输出的是1111；如果内码道的光电晶体管滞后进入第8扇区，则实际输出的是0000。编码盘的输出本应由7到8，却出现了15或0，这样的大误差是无法容忍的。为了避免出现这样的错误，使错码率限制在一个位码，常采用循环码来解决这一问题。

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。表3-1列出了4位循环码和二进制编码的对应关系。

从表中可以看出，循环码中的数无论加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。

（2）增量式光电编码盘

1）工作原理：增量式光电编码盘是在一个码盘上开出3条码道由内向外分别为A、B、C，如图3-2a所示。在A、B码道的码盘上，等距开有透光的缝隙，2条码道上相邻的缝隙互相错开半个缝宽，其展开如图3-2b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。A、B相脉冲信号的相位相差90°。

2）编码盘方向的辨别：编码盘方向的辨别可以采用如图3-3所示的电路。

经过整形放大A、B两相脉冲分别输入到D触发器的D端和CP端，如图3-3a所示。因此，D触发器的CP端在A脉冲的上升沿触发。由于A、B脉冲相位相差90°，当正转时，B脉冲超前A脉冲90°，触发器是在B脉冲处于高电平时触发，如图3-3b所示，这时Q=1；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。

A、B脉冲的另一路经异或门后，输出计数脉冲。这样，用Q或 控制可逆计数器加计数或是减计数，就可以使可逆计数器对计数脉冲进行计数，就可实现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于上次角度的增量，形成增量编码。

2.霍尔式位置传感器

霍尔式位置传感器是利用“霍尔效应”进行工作的。如图3-4所示，在长方形半导体薄片上通入电流 I ，电流方向如图3-4所示，当在垂直于薄片的方向上施加磁感应强度为 B 的磁场，则与平面相垂直的方向上会产生一个电动势 E ，称其为霍尔电动势，其大小为

式中 K _H ——灵敏度系数；

I ——控制电流。

当磁场强度方向与半导体薄片不垂直，而是成 θ 角时，霍尔电动势的大小改为

所以利用永磁转子的磁场，对霍尔应变片通入直流电。当转子的磁场强度大小和方向随着它位置不同而发生变化时，霍尔应变片就会输出霍尔电动势，霍尔电动势的大小和相位随转子位置而发生变化，从而起到了检测转子位置的作用。

3.旋转变压器

我们在第4章进行详细讨论。

3.1.2 速度传感器

1.光电式转速传感器

（1）直射式光电转速传感器

直射式光电转速传感器的结构如图3-5所示，由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转换为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出电脉冲的个数等于圆盘的开孔数，因此通过测量光敏元件输出的脉冲频率得知被测转速，即

式中 n ——转速；

f ——脉冲频率；

N ——圆盘开孔数。

（2）反射式光电转速传感器

反射式光电转速传感器的结构如图3-6所示，它由红外发射管、红外接收管和光学系统等组成；光学系统由透镜及半透镜构成。红外发射管由直流电源供电，工作电流为20mA，可发射出红外光。半透镜既能使发射的红外光射向转动的物体，又能使从转动物体反射回来的红外光穿过半透镜射向红外接收管。测量转速时需要在被测物体上粘贴一小块红外反射纸，这种纸具有定向反射作用。

当被测物体旋转时，粘贴在物体上的反射纸和物体一直旋转，红外接收管感受到反射光的强弱从而产生电信号，该信号经电路处理后便可以输出到芯片中去，经过芯片处理得到被测对象转速大小。

2.霍尔式转速传感器

霍尔式转速传感器是由霍尔开关集成传感器和磁性转盘组成，霍尔式转速传感器广泛应用于转速的监视与测量，基本结构如图3-7所示。将磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，固定在磁性转盘附近的霍尔开关集成传感器便可在每一个磁极通过时产生一个相应的脉冲，由此可知被测对象的转速。磁性转盘磁极的多少，将决定传感器的分辨率。

3.1.3 电压、电流传感器

常用的电流检测方式有：电阻检测、电流霍尔检测、电流互感器检测、线性光耦隔离检测；电压检测方式有：电压霍尔检测、线性光耦隔离检测。

1.电流检测

（1）电阻检测

把电流信号接入阻值较小的电阻中，将其转化为小电压信号，再进行控制。常用的电路如图3-8所示。其中， U _o = U _i R ₂ / ( R ₁ + R ₂ )。

（2）电流霍尔检测

霍尔电流传感器是利用霍尔效应制成检测电流的装置，可测量各种波形的交直流电流，且输入、输出是隔离的，因此在控制领域得到了广泛的应用。霍尔元件是将磁场转换成电信号的线性磁敏元件，从公式 E = K _H IB 可知，霍尔电压 E 是与磁感应强度 B 成线性关系的。根据安培定律，电流与磁感应强度的关系为

式中 B 、 μ ₀ 、 μ _r ——离通电导体的垂直距离 R 处磁通密度和真空与相对磁导率；

I _c 、 N ——通电导体的电流及匝数；

R ——通电导体的空间垂直距离。

将式（3-5）代入式 E = K _H IB cos θ 可得

可见霍尔元件的输出电压 E 是与通电导体的电流 I 成正比，因此只要将集磁部分与霍尔元件结合在一起就成为测量电流的传感头，可利用它组成霍尔电流传感器，直接测量电流。

霍尔电流传感器CHB-25NP有5个端子，其输出信号有正有负。图3-9为信号检测电路。利用采样电阻 R ₁ 把传感器的输出信号转换为电压信号，选定合适的电阻值，使其电压范围在-5～+5V之间，满足A-D转换要求。

（3）电流互感器检测

电流互感器工作原理与变压器基本相同，不同于霍尔电流传感器，电流互感器只能检测交流量，电流互感器是一个变流器，把很大的一次侧电流变成统一的二次侧电流；电流互感器二次侧可以短路，但不可以开路。如图3-10所示，由一次绕组、二次绕组、铁心及出线端子等组成。电流互感器的铁心由硅钢片叠制而成，其一次绕组与主电路串联，且通过被测电流 i ₁ ，它在铁心内产生交变磁通，使二次绕组感应出相应的二次电流 i ₂ 。由于电流互感器的一次绕组连接在主电路中，所以一次绕组对地必须采取与之相适应的绝缘材料，以确保二次回路的安全。二次回路由电流互感器的二次绕组、负载串联组成。

2.电压检测

电压霍尔元件的检测与电流霍尔检测原理基本相同，只是一次侧把电压信号经过电阻转化为电流信号，通过电压比变成小电流，一般在30mA以内，在选择一个合适的电阻接入M端，使输出电压控制在0～5V之间。如图3-11所示，输出电压

U _o = R ₁ U _i / （ R ₃ N ）

式中 N ——一、二次侧匝数比。