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伺服电机系统中的反馈设备类型和原理

发表时间:2021-07-06 16:00【

  伺服系统中的反馈通常以旋转变压器或编码器的形式出现。这是两个提供电机轴位置反馈的设备。这些设备可以安装在电机轴周围,作为除电机之外的第二个硬件,或者它们可以内置到电机外壳中。


  伺服系统中反馈装置的类型


  从根本上说,解析器和编码器在某种意义上做同样的事情。它们都感应电机轴的位置,以便电机知道下一步要去哪里。但是,它们的差异可能或多或少适合各种应用。


  1、解析器


  解析器是一个坚实的野兽。它们是不包含板载固态电子或光学器件的模拟设备。这种设计使旋转变压器成为极其坚固的硬件,在可能发生高温、冲击、振动、辐射和污染的恶劣环境中表现良好。

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  具有多个外壳和旋转变压器配置的3英寸串联旋转变压器


  旋转变压器已在许多常见应用中使用,尤其是在经常存在这些条件的行业中,例如石油和天然气、能源、钢铁厂等。


  旋转变压器是一种设计巧妙的旋转变压器电源变压器,通过在定子中旋转旋转变压器的转子,可以磁力改变其输出电压。变压器的多个绕组的构造使得当旋转变压器转子旋转一整圈时,会生成完整的正弦波和完整的余弦波作为输出(或在多速旋转变压器的情况下是这些的倍数)。


  在技术上也称为“模拟三角函数发生器”。旋转变压器旨在将输入矢量分解为其正弦和余弦分量——转子位置可以作为这两个输出电压的反正切找到。


  模拟三角函数生成器是一个有用的术语,可帮助理解解析器如何为具有数学背景的人工作。但是,这不是该设备的常用术语。大多数人简单地称它们为解析器以避免混淆。


  2、编码器


  编码器被认为是一种相对较新的反馈技术,它比旋转变压器技术提高了位置精度和精度数据。编码器是数字设备,通常内置传感器来检测编码器的转子位置。可以使用几种不同的传感器类型。根据我的经验,最常见的两种是光学编码器和磁性编码器。


  让我们考虑一个典型的光学编码器。基本思想是转子上有一个穿孔板,一侧有灯,另一侧有光学传感器。

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  典型光学编码器的组件


  当转子旋转时,传感器的输出随着穿孔由高变低,允许光线通过。通过计算高低脉冲的数量,可以确定行进的距离。


  板的旋转方向由正交性决定。光束由两个平行传感器测量。一个传感器上的光强度会先于另一个传感器增加。


  通过比较哪个传感器的输出先变高,方向就知道了。这两个信号称为A和B通道。它们的倒数A'和B'也被分配到专用信道,它们的数据用于检查来自A和B的传输错误。

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  两个正交方波。旋转方向由AB相角的符号表示。在这种情况下,它是负数,因为A滞后于B。


  总共创建了四个通道,因此称为正交。


  3、增量编码器


  到目前为止,我们已经描述了增量编码器。增量编码器只知道每当它开始跟踪此信息时,它相对于它碰巧所在的位置移动了多远。


  当带增量编码器的运动控制系统断电时,该信息将丢失。重新启动后,增量编码器将不会“记住”其先前的位置。它没有自然的零位。


  由于系统启动时零位是未知的,如果需要知道电机移动的目标物体的起始位置进行自行控制,则必须执行归位程序。归位程序将使用电机移动目标对象,直到它在已知点触发传感器,然后可以将该点指定为“归位”位置,该位置将用作其最终参考点。如果电机向左或向右旋转,位置将变为正值或负值。


  4、绝对式编码器


  一些应用程序需要始终知道家在哪里,甚至打开系统电源并立即重新启动。对于这些不切实际或不可能执行归位程序的应用,可以使用绝对编码器。有许多类型的绝对编码器,即使在电源重新启动后,它们也使用不同的技术来跟踪回家。

绝对编码器.png

  绝对式编码器


  除了通道A和B之外,一些绝对编码器还会生成额外的Z通道,其中Z专门用于跟踪编码轮从其原始位置开始的转数。即使在断电时轴移动,当电源恢复时绝对编码器将知道其位置。由于成本相对较高,有时会选择增量编码器而不是绝对编码器。


  然而,反馈对于电机本身并不是有用的信息。电机是一个简单的机器。它们就像我们的手。他们可以执行任务,但他们需要他们的大脑来告诉他们该做什么以及如何做。因此,实际上并不是电机本身对位置数据进行比较和校正以获得我们想要的运动——它需要一个大脑。为此,我们将在本系列的下一部分中介绍一种称为伺服驱动器的硬件。


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