电动机的位置、速度检测方法

本篇我们学习一些常用的电动机的位置、速度检测方法，有的通过电磁感应效应检测、有的通过光电转换后检测、有的通过霍尔元器件检测，等等。 下面我们就一一来讲解。

1）光电编码器

光电编码器可以把角度或者速度转换为数字信号输出，可以分为绝对式编码器、增量式编码器。

我们先讲绝对式编码器，它由光电码盘和光电检测装置组成，如下图所示：

码盘与电机的转轴固定，可以随转子旋转； 一列光电转换装置（光敏三级管）位置固定，可以检测到正对位置的黑/白状态。

图中的码盘有4圈编码，是4位编码器。 如果白色识别为0黑色识别为1，则图中位置4个光敏三极管的输出为0000； 如果逆时针转动22.5°，则输出为0001。

4位编码器一共可以表示16种状态，所以图示的编码器的分辨率为360°/16=22.5°。

因为它的输出就指示了转盘的角度位置，所以称为绝对编码器。

绝对编码器想要提高检测精度，需要提高编码的位数，也就是要增加码盘的圈数； 但是不能无限增加，到了极限后，可以采用编码器级联的方式提高位数，也就是减速后再接一个编码器。

绝对式编码器在检测位置时，如果正好停在两个扇区之间，光敏三极管可能把编码识别为0也可能识别为1，那么就很可能识别出错。 有两种解决办法：

一是使用格雷码设置码盘； 二是多使用一组光敏三极管来检测，最外侧的码道上安装1只光电管，其他每个码道上安装两只光电管，一只为超前光电管，处于比它低一位的光电管超前的位置； 一只为滞后光电管，处于比它低一位的光电管滞后的位置，如下图安装。

最低位直接读取，i+1位的编码依据第i位的编码来取值，如果i位为1则取滞后光电管的读数，如果i位为0则取超前光电管上的读数。

格雷码和超前/滞后法都可以使得误差与分辨率一致，最多跳一位。

现在讲讲增量式编码器，它的结构和绝对式编码器是差不多的，只是码盘上的编码不同。

如下图，增量式编码器一般只有三圈编码，A、B编码等距离错开半个扇区宽度排列，C编码只有一点用于指示零位（有的增量式编码器没有C码道）。 增量式编码器只能指示转盘的转动的相对角度和方向，不能指示绝对位置。

增量式编码器依据A、B码道的脉冲数来计算转过了多少角度。 确定转动方向时，是依靠A、B编码的变化关系，如果在B编码为1时，A编码从1变为0，则码盘在顺时针转动时； 如果在B编码为1时，A编码从0变为1，则码盘在逆时针转动。

2）电磁感应式传感器

这类传感器是靠电磁感应原理来实现的。

常见的一种电磁式传感器是开口变压器，结构示意如下图：

开口变压器的转子与电机转子相连，定子上有一块120°扇形的导磁材料，其他部分不导磁； 定子上有6个齿，激励线圈绕在不相邻的三个绕组上，其他三个相隔120°的绕组上引出WA、WB、WC三个二次绕组。

在工作时，激励绕组种通入高频的交流电（比转子转速高得多），由于中心的转子上，只有120°的范围能导磁（如图中的位置，只有WB绕组总可以检测到电压），所以通过检测WA、WB、WC三个绕组中的电压，就能知道转子的位置。

实际中使用的扇形导磁片的角度不一定是120°，只要能分辨出位置即可； 导磁片的个数应和电机的极对数相等。

除了开口变压器，还有一种常见的电磁感应式传感器是测速发电机，有直流或交流，也有单匝线圈或多匝线圈。 它用转子带动一个小发电机，接上电阻作为负载后，检测电压，可以得知转子的转速。 原理比较简单，就不细说了。

3）霍尔传感器

霍尔传感器是用于检测磁场的器件。 它是利用了霍尔效应，带电体在与磁力线垂直的方向运动时，会受到磁场的作用力（洛伦兹力）。 霍尔器件安装方向与磁力线垂直时，会输出一个电压，并且这个电压是可以表示出磁力线的正反方向的。

我们前面讲过无刷电机的有感驱动方式，就是使用三个霍尔器件去检测转子的位置，以实现换相。

而实际上，由于霍尔的输出可以指示磁力线的方向，所以只需要两个成90°安装的霍尔器件，就能检测出转子的位置。 如下图所示，由霍尔输出的正负可以知道N/S极的朝向，有两个霍尔输出电压的大小，可以知道磁铁的旋转角度：

与霍尔器件相似的一种器件是干簧管，它也可以检测磁场，但是由于干簧管有机械触点，它的开关速度比霍尔慢的多；而且，干簧管只能检测磁场的有无，无法检测正负！所以在电机测速时一般不使用干簧管。

4）旋转变压器

旋转变压器一般有相位检测式和跟踪方式两种。

下图所示是“相位检测式“旋转变压器的基本结构，左边是定子线圈，中间是转子线圈，右边是转子输出变压器：

定子线圈有两个，在空间上相互正交，并且通上相位差为90°的正弦电流进行励磁，通常励磁电流频率远高于转速和工频。

转子上有一个线圈，可以感应出定子线圈中的交变电流，并通过变压器输出。

假设定子线中的电流为U1-3 = Umcosω0t、U2-4 = Umsinω0t，转子的角度位置为θ，则变压器的输出UR1-2 = k*(U1-3cosθ – U2-4sinθ) = kUmsin(ω0t-θ)，其中k是变压器的比例。

可以看到，转子的旋转角度就是输出信号相对于励磁信号的相移角θ，这样就能检测出转子的位置。（由于这种方法是用检测相位的方法来检测转子位置，所以称为相位检测式）

继续上述的分析，如果转子正在以角速度ωr转动，那么上式可以化为：UR1-2 = kUmsin(ω0-ωr)t，也就说输出信号相对励磁信号的频率变化量，就是转子的转速。

旋转变压器的另一种实现方法，是跟踪方式，它的结构与相位检测式类似，但是定子只有一相线圈，而转子有两个正交的线圈，通过检测转子的两个线圈输出的电压幅值比，来确定转子的角度。

旋转变压器这种方式一般在高端设备中用的很多，主要是因为它输出的是模拟量信号，可以通过高位数的AD采集得到很高的分辨率。而相比与光电编码器等一些方式，如果想要做到高分辨率，成本会非常高。

但是缺点是，旋转变压器方法使用时的计算量较大，需要有强大的处理器做支持，或者使用专用芯片。
如下图是一种专用芯片的实现方式：

好了，关于一些电机位置、速度的检测方法，就讲到这里了。