3运动控制传感器

实用运动控制技术

---

3.1引言

传感器的定义：传感器是一种以一定的精确度将被测量（如位移、力、加速度等）转换为与之具有对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或者装置。

$$传感器 \begin{cases} 敏感元件 & 感受被测量\rightarrow输出物理量\\ 转换元件 & 非电物理量\rightarrow电路参数\\ 基本转换电路 & 电路参数量\rightarrow便于测量的电量 \end{cases}$$ 传感器可以根据被测信号可以分为模拟传感器和数字传感器。
$$数字传感器 \begin{cases} 直接数字式传感器 & 输出为0或者1的二元形式的信号\\ 准数字式传感器 & 以频率形式的谐振传感器：频率脉冲个数、相位和脉冲宽度\\ \end{cases}$$

数字传感器的优点
1、信号调节简单
2、对电磁干扰的敏感度低
3、可以测量具有适当的机械或电机转换的变量

光电编码器
广泛应用于AC伺服电机的速度和位置检测中

$$脉冲与对应位置（角度）的关系分类 \begin{cases} 增量式光电编码器\\ 绝对式光电编码器\\ 上述两者结合为一体的混合式 \end{cases}$$
位置传感器技术
主导位置传感器技术可以分为编码器和分解器。
编码器：精度高，可以分为基于光学的传感器和磁传感器，也可以是旋转的或者线性的。
分解器：易实现数据获取，可以被设计成低分辨率和高分辨率的

3.2直接编码式传感器

编码器的功能：将模拟量转变为数字量的模式转换器

$$根据编码器的输出不同 \begin{cases} 增量式光电编码器 & 输出与量化后的旋转角成比例的周期信号\\ 绝对式光电编码器 & 以基准位置为零位置，测量各位置的绝对值以二进制表示\\ \end{cases}$$

直接编码式传感器的优点
1、结构简单
2、具有很高的测量精度、分辨率和可靠性

$$根据被测量的不同 \begin{cases} 圆盘式 （轴角式编码器） & 角位移\\ 长条式 （码条式编码器）& 线位移\\ \end{cases}$$

3.2.1增量式编码器

工作原理：
1、预先指定一个基数：零位置
2、相对于基数加减输出脉冲
3、根据频道输出的信号跟随情况判断旋转方向
4、最小分辨角$\Delta=\frac{360}{2500*4}=0.036度$

特点：每产生一个输出脉冲信号$\iff$一个增量位移角，但是无法区别在哪个位置上的增量（不能直接检测出轴的绝对角度）

3.2.2增量式光电编码器的几个基本问题

1、增量式光电编码器的分辨率
光电编码器的分辨能力是以编码器轮转动一周所产生的输出信号基本周期数，也就是用“脉冲/转”PPR表示的，并以此定义为编码器的分辨率。
2、增量式光电编码器的精度
精度与分辨率完全无关，是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。
3、增量式光电编码器输出的稳定性
编码器输出的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。温度，外界加于编码器的变形力和光源特性变化都是影响因素。
4、增量式光电编码器的响应频率
取决于光敏元件、电子处理线路的响应速度。
5、编码器内输出信号的处理
大多数情况下，直接从编码器光电元件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应于控制、信息处理和远距离传输的要求。

$$经过处理的输出信号 \begin{cases} 近似正弦波 &\\ 矩形波&容易数字处理\\ \end{cases}$$

近似正弦波的好处（打印机和磁盘磁头定位的应用）
1、定位停止时，没有振荡现象
2、把输出的近似正弦波和余弦波信号微分合成，可以得到模拟速度信号
3、可以进行电子内插，以较低的成本得到较高的分辨率

增量式编码器存在的问题
1、数据容易丢失。所有计数都是相对某一任意指定的基数，一旦停电或者误操作，基数丢失，难以寻找
2、会发生误差积累现象

3.2.3绝对式编码器

绝对式光电编码器零点固定，输出为矩形波的自然二进制码。
绝对式光电编码器的优点：
1、可以在任意位置处给出一个确定的与该位置唯一对应的读数值，无论停电或者长时间不用，其数值都不会丢失。
2、其误差只和码盘的刻制精度有关，误差不会因多次计数而累积。
绝对式光电编码器的缺点：
1、不具有多转检测能力，不适应多转数运动控制中检测绝对位置的要求。
2、不适应高速控制的需要，位置绝对值信号采样处理存在延迟。
3、即使采用并行传输也会因为引线过多不便于在数控机床和工业机器人上应用。

多转绝对式光电编码器
多转绝对式光电编码器$\approx$单转绝对式光电编码器+增量式磁性编码器
单转绝对式光电编码器功能：在一转之内实现高分辨率、高精度的绝对位置检测；
增量式磁性编码器功能：用来检测转轴的旋转次数，转轴每转一周，生成一个脉冲，并送入计数器计数。

增加分辨率的方法
1、取决于码道的数目，增大码盘的尺寸
2、对于角位移器，可以增加一个码盘来提高分辨率，两者用齿比足够大的齿轮来啮合。

3.2.4编码器传感器的读码计数

光电式读码器由于其结构简单、输出信号质量好、使用寿命长而应用最为广泛。
光电式编码器的读码原理：
采用光耦合器、发光二极管和光电二极管来读出码盘的状态和运动方向。
当码盘转动时，光被码盘所调制；光要么透过码盘的透明部分，要么被码盘的不透明部分所遮挡，从而输出一组对应的脉冲信号。

3.3分解器

分解器的功能：产生两信号的旋转变换器：$sin(p(t))、cos(p(t))$，这里的$p(t)$是旋转位置。用来对位置进行感应的电磁装置。
分解器的优点：
1、能承受工业环境
2、在震动和高温环境下比增量编码器要好。
分解器的工作原理：
如同具有1个主线圈和2个次线圈。主线圈具有正弦信号。作为响应，两个次线圈产生同频率的信号，其幅值依赖于角位移，通过处理两个输出信号，对移动的位移进行编码。解码-数字转换器（RDC）对分解器的输出进行解码，并将其用10位或16位的二进制数表示出来。
解码-数字转换器（RDC）的介绍：
1、RDC是自调整的闭环PI控制器。
2、RDC的带宽必须高于速度回路的带宽，典型的带宽在200Hz-1200Hz

带宽对RDC工作的影响
1、带宽过高，系统会产生过多的噪声，其平均速度可能是0，但力矩扰动可能引起漂移
2、带宽过低，RDC将产生过多的相位延时，从而限制了系统的带宽。

3、在硬件RDC中所采用的技术，位置必须由数字来表示，且数字的最高频率限制了电机的最大速度。

$$V_{max}=RDC的频率\times\frac{1}{2^{RDC的分辨率位数}}\times60r/min$$

3.3.1RDC转换器的软件

RDC软件的优点：
1、因为去掉硬件RDC而降低价格。
2、软件RDC的转换，并不是一个一个数字地执行，因而其最大速度不受硬件RDC中计数频率的限制。
3、软件RDC的转换带宽可以通过软件修正。

3.3.2分解器误差和多速分解器

相对于编码器信号而言，分解器反馈信号通常包含较多的位置误差。
改善分解器精度的方法：对每一个转速将绕线设计成多分辨率的分解器，又称“多速分解器”，$sin(Np(t))、cos(Np(t))$，N被称为分解器的速度。
1、制造分解器的误差可与速度成正比。
2、由于RDC是对电位置产生误差，而速度是按电位置而减少，所以机械RDC误差也随分解器速度而减少，结果是多速分解器通过分解器的速度随着位置误差的增加而下降。
如何估计分辨率：
当采用硬件RDC时，分解器速度的增加，可能引起反馈分辨率的增加或减少，这取决于电机的最大速度。

$$V_{max}=\frac{RDC的频率}{分解器的速度}\times\frac{1}{2^{RDC的分辨率位数}}\times60r/min$$

3.4电荷耦合图像传感器

电荷耦合图像传感器的功能：他是一种能将光学图像转换成模拟电信号的固体光电转换器件。
电荷耦合图像传感器的优点：
体积小、质量轻、结构简单、功耗小、成本低。
CCD的工作原理：
电荷耦合图像传感器的核心器件是CCD，CCD工作时，首先对光信号（或电信号）进行电荷取样，并把取样的电荷转移、存储在CCD相应的势阱中，在推进时钟脉冲的作用下，使电极下势阱的深度作用相应的变换，从而使这些代表信息的电荷包，定向地转移到CCD的输出端，变成相应的电信号输出。
CCD图像传感器的主要性能参数：
1、灵敏度
CCD的能量灵敏度是指入射光在像元上产生单位曝光量时，在输出端引起的输出电压的值。

$$S_v=V/(Et)$$
2、转移效率
CCD图像传感器的转移效率是指经过一次转移之后，到达下一个势阱中的信息电荷包中的电量$Q_1$与原信息电荷包中电量$Q_0$之比。
$$\eta=\frac{Q_1}{Q_0}$$
如果$\eta\not=1$，就意味着在转移过程中，每经过一次转移，都会有一部分信息电荷留在原来的势阱中：
$$Q_n=\eta^nQ_0$$
3、光谱响应特性
光谱响应特性是指光敏元的输出量（光电压或光电流）与入射光的频率（或波长）间的函数关系。
4、调制传递函数
分辨率是指图像传感器对景物中明暗细节的分辨能力。
$$MFT(f)=M_{out}(f)/M_{in}(f)$$
$M_{out}(f)$和$M_{in}(f)$分别表示空间频率为f时，输入CCD图像传感器的图像调制度和由传感器输出的图像信号调制度。
5、不均匀性
CCD图像传感器的不均匀性是指在均匀光照的条件下，其输出端却得到一系列幅值不同的脉冲信号的现象。通常用平均误差的大小来衡量不均匀性。
$$\delta=\frac 1{V_m}\frac 1{N}[\sum^{N}_{n=1}(V_{on}-\overline V_{on})^2]^{\frac 12}$$
6、噪声
主要来源于转移噪声、散粒噪声和声噪声，总噪声是各种噪声的叠加。
改进措施：
1、用埋沟式的CCD结构来代替表面沟道式CCD，提高器件的转移效率和工作频率。
2、用PN结二极管代替MOS电容作为CCD的光敏元，提高器件的灵敏性和均匀性

3.5激光式数字传感器

激光相干性好，能量密度高，单色性好，发散角小。
激光传感器具有测量精度高、测量范围大、响应速度快、非接触测量等一系列优点。

$$按照调制的参量来划分 \left\{ \begin{array}{1} 相位调制式\\ 频率调制式\\ 振幅调制式\\ 偏振调制式\\ \end{array} \right.$$

3.5.1激光相位调制式传感器工作原理

一部分为相位的调制；另一部分为相位的检测。
它是干涉式传感器测量长度或位移的物理根据。由于相位$\phi$的变化，是光程变化所引起的（$\phi=kr$）。或者说，几何长度（位移）和介质折射率的变化，其信号调制在相位$\phi$上，使相位发生变化。
实际上，相位调制主要通过光在被测物体表面的反射或折射，或光通过某种介质后光程发生变化来实现的。
光波相位测量-干涉测量：把一束相位上带有外界信息的信号光，与同一束同振动方向、同频率、相位固定的参考光进行相干叠加，然后测量合成光的强度变化，由此获得外界场的信息。
干涉条纹：干涉条纹分为等倾干涉和等厚干涉两类。
等倾干涉条纹：是一族明暗相间的同心圆。随着光程差的变化，圆状条纹会逐渐向圆心收缩或随着光程差符号的变化，条纹自圆心向外逐步扩展。
等厚干涉条纹：是一系列明暗相间的等间隔的平行条纹。随着光程差的变化，这族平行条纹会向垂直于条纹方向的一边移动，当光程差的符号发生变化时，条纹就向另一个方向平行移动。

3.5.2干涉条纹的辨向和细分技术

干涉条纹的细分技术：可以分为直接细分和电学细分两大类。
干涉条纹的移动方向和大小与光程差的符号和大小之间存在一一对应的关系，利用光栅测量系统中使用的辨向和细分技术，就能对光程差变化的符号和大小（在单纯的位移或长度测量中，则对应着位移的方向和大小）进行判定和测量。

3.5.3对光源、接收元件和调整装置的要求

1、光源
输出光的功率大，强度、频率稳定性要好，发散角要小。
2、接收元件
因为很多激光器的输出光的波长多落在红外区，因而要求所使用的光探测器的最佳灵敏波长与之匹配。
3、调整装置
对机械结构提出了相应的严格要求，要求它具有非常高的时间稳定性和温度稳定性，特别是它的传动机构，还应具有优良的运动稳定性。