本篇我們學(xué)習(xí)一些常用的電動(dòng)機(jī)的位置、速度檢測(cè)方法，有的通過(guò)電磁感應(yīng)效應(yīng)檢測(cè)、有的通過(guò)光電轉(zhuǎn)換后檢測(cè)、有的通過(guò)霍爾元器件檢測(cè)，等等。 下面我們就一一來(lái)講解。

1）光電編碼器

光電編碼器可以把角度或者速度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，可以分為絕對(duì)式編碼器、增量式編碼器。

我們先講絕對(duì)式編碼器，它由光電碼盤和光電檢測(cè)裝置組成，如下圖所示：

碼盤與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸固定，可以隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)； 一列光電轉(zhuǎn)換裝置（光敏三級(jí)管）位置固定，可以檢測(cè)到正對(duì)位置的黑/白狀態(tài)。

圖中的碼盤有4圈編碼，是4位編碼器。 如果白色識(shí)別為0黑色識(shí)別為1，則圖中位置4個(gè)光敏三極管的輸出為0000； 如果逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)22.5°，則輸出為0001。

4位編碼器一共可以表示16種狀態(tài)，所以圖示的編碼器的分辨率為360°/16=22.5°。

因?yàn)樗妮敵鼍椭甘玖宿D(zhuǎn)盤的角度位置，所以稱為絕對(duì)編碼器。

絕對(duì)編碼器想要提高檢測(cè)精度，需要提高編碼的位數(shù)，也就是要增加碼盤的圈數(shù)； 但是不能無(wú)限增加，到了極限后，可以采用編碼器級(jí)聯(lián)的方式提高位數(shù)，也就是減速后再接一個(gè)編碼器。

絕對(duì)式編碼器在檢測(cè)位置時(shí)，如果正好停在兩個(gè)扇區(qū)之間，光敏三極管可能把編碼識(shí)別為0也可能識(shí)別為1，那么就很可能識(shí)別出錯(cuò)。 有兩種解決辦法：

一是使用格雷碼設(shè)置碼盤； 二是多使用一組光敏三極管來(lái)檢測(cè)，最外側(cè)的碼道上安裝1只光電管，其他每個(gè)碼道上安裝兩只光電管，一只為超前光電管，處于比它低一位的光電管超前的位置； 一只為滯后光電管，處于比它低一位的光電管滯后的位置，如下圖安裝。

最低位直接讀取，i+1位的編碼依據(jù)第i位的編碼來(lái)取值，如果i位為1則取滯后光電管的讀數(shù)，如果i位為0則取超前光電管上的讀數(shù)。

格雷碼和超前/滯后法都可以使得誤差與分辨率一致，最多跳一位。

現(xiàn)在講講增量式編碼器，它的結(jié)構(gòu)和絕對(duì)式編碼器是差不多的，只是碼盤上的編碼不同。

如下圖，增量式編碼器一般只有三圈編碼，A、B編碼等距離錯(cuò)開半個(gè)扇區(qū)寬度排列，C編碼只有一點(diǎn)用于指示零位（有的增量式編碼器沒(méi)有C碼道）。 增量式編碼器只能指示轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)的相對(duì)角度和方向，不能指示絕對(duì)位置。

增量式編碼器依據(jù)A、B碼道的脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)過(guò)了多少角度。 確定轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，是依靠A、B編碼的變化關(guān)系，如果在B編碼為1時(shí)，A編碼從1變?yōu)?，則碼盤在順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)； 如果在B編碼為1時(shí)，A編碼從0變?yōu)?，則碼盤在逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

2）電磁感應(yīng)式傳感器

這類傳感器是靠電磁感應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

常見的一種電磁式傳感器是開口變壓器，結(jié)構(gòu)示意如下圖：

開口變壓器的轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，定子上有一塊120°扇形的導(dǎo)磁材料，其他部分不導(dǎo)磁； 定子上有6個(gè)齒，激勵(lì)線圈繞在不相鄰的三個(gè)繞組上，其他三個(gè)相隔120°的繞組上引出WA、WB、WC三個(gè)二次繞組。

在工作時(shí)，激勵(lì)繞組種通入高頻的交流電（比轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高得多），由于中心的轉(zhuǎn)子上，只有120°的范圍能導(dǎo)磁（如圖中的位置，只有WB繞組總可以檢測(cè)到電壓），所以通過(guò)檢測(cè)WA、WB、WC三個(gè)繞組中的電壓，就能知道轉(zhuǎn)子的位置。

實(shí)際中使用的扇形導(dǎo)磁片的角度不一定是120°，只要能分辨出位置即可； 導(dǎo)磁片的個(gè)數(shù)應(yīng)和電機(jī)的極對(duì)數(shù)相等。

除了開口變壓器，還有一種常見的電磁感應(yīng)式傳感器是測(cè)速發(fā)電機(jī)，有直流或交流，也有單匝線圈或多匝線圈。 它用轉(zhuǎn)子帶動(dòng)一個(gè)小發(fā)電機(jī)，接上電阻作為負(fù)載后，檢測(cè)電壓，可以得知轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。 原理比較簡(jiǎn)單，就不細(xì)說(shuō)了。

3）霍爾傳感器

霍爾傳感器是用于檢測(cè)磁場(chǎng)的器件。 它是利用了霍爾效應(yīng)，帶電體在與磁力線垂直的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到磁場(chǎng)的作用力（洛倫茲力）。 霍爾器件安裝方向與磁力線垂直時(shí)，會(huì)輸出一個(gè)電壓，并且這個(gè)電壓是可以表示出磁力線的正反方向的。

我們前面講過(guò)無(wú)刷電機(jī)的有感驅(qū)動(dòng)方式，就是使用三個(gè)霍爾器件去檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，以實(shí)現(xiàn)換相。

而實(shí)際上，由于霍爾的輸出可以指示磁力線的方向，所以只需要兩個(gè)成90°安裝的霍爾器件，就能檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置。 如下圖所示，由霍爾輸出的正負(fù)可以知道N/S極的朝向，有兩個(gè)霍爾輸出電壓的大小，可以知道磁鐵的旋轉(zhuǎn)角度：

與霍爾器件相似的一種器件是干簧管，它也可以檢測(cè)磁場(chǎng)，但是由于干簧管有機(jī)械觸點(diǎn)，它的開關(guān)速度比霍爾慢的多；而且，干簧管只能檢測(cè)磁場(chǎng)的有無(wú)，無(wú)法檢測(cè)正負(fù)！所以在電機(jī)測(cè)速時(shí)一般不使用干簧管。

4）旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器一般有相位檢測(cè)式和跟蹤方式兩種。

下圖所示是“相位檢測(cè)式“旋轉(zhuǎn)變壓器的基本結(jié)構(gòu)，左邊是定子線圈，中間是轉(zhuǎn)子線圈，右邊是轉(zhuǎn)子輸出變壓器：

定子線圈有兩個(gè)，在空間上相互正交，并且通上相位差為90°的正弦電流進(jìn)行勵(lì)磁，通常勵(lì)磁電流頻率遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)速和工頻。

轉(zhuǎn)子上有一個(gè)線圈，可以感應(yīng)出定子線圈中的交變電流，并通過(guò)變壓器輸出。

假設(shè)定子線中的電流為U1-3 = Umcosω0t、U2-4 = Umsinω0t，轉(zhuǎn)子的角度位置為θ，則變壓器的輸出UR1-2 = k*(U1-3cosθ – U2-4sinθ) = kUmsin(ω0t-θ)，其中k是變壓器的比例。

可以看到，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度就是輸出信號(hào)相對(duì)于勵(lì)磁信號(hào)的相移角θ，這樣就能檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置。（由于這種方法是用檢測(cè)相位的方法來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，所以稱為相位檢測(cè)式）

繼續(xù)上述的分析，如果轉(zhuǎn)子正在以角速度ωr轉(zhuǎn)動(dòng)，那么上式可以化為：UR1-2 = kUmsin(ω0-ωr)t，也就說(shuō)輸出信號(hào)相對(duì)勵(lì)磁信號(hào)的頻率變化量，就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

旋轉(zhuǎn)變壓器的另一種實(shí)現(xiàn)方法，是跟蹤方式，它的結(jié)構(gòu)與相位檢測(cè)式類似，但是定子只有一相線圈，而轉(zhuǎn)子有兩個(gè)正交的線圈，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的兩個(gè)線圈輸出的電壓幅值比，來(lái)確定轉(zhuǎn)子的角度。

旋轉(zhuǎn)變壓器這種方式一般在高端設(shè)備中用的很多，主要是因?yàn)樗敵龅氖?a href="http://www.delux-kingway.cn/analog/" target="_blank">模擬量信號(hào)，可以通過(guò)高位數(shù)的AD采集得到很高的分辨率。而相比與光電編碼器等一些方式，如果想要做到高分辨率，成本會(huì)非常高。

但是缺點(diǎn)是，旋轉(zhuǎn)變壓器方法使用時(shí)的計(jì)算量較大，需要有強(qiáng)大的處理器做支持，或者使用專用芯片。
如下圖是一種專用芯片的實(shí)現(xiàn)方式：

好了，關(guān)于一些電機(jī)位置、速度的檢測(cè)方法，就講到這里了。