机械臂模块化关节电机位置/速度传感器汇总
原创机械臂模块化关节电机位置/速度传感器汇总
原创
1 总述
无刷直流电机是目前最具发展前景的机电一体化电机。其也是随着半导体电子发展而出现的，也是机器人技术发展的关键零部件。
从研制方波无刷电机基础上发展到正弦波无刷电机——新一代的永磁同步电动机（PMSM）.根据电流驱动模式的不同将永磁无刷直流电动机分为两种：
方波（梯形波）驱动电机：无刷直流电动机（BLDC）,电子换相直流电动机（ECM, Electronically Commutated Motor）
正弦波驱动电机：无刷交流电动机（BLAC）,现在称为永磁同步交流电机（PMSM）
为了实现电机优秀的控制性能，需要提高电机在各个条件下的转速进行精确测量。在电机研发领域，常用的为位置/速度测量传感器包括：
其中，测速发电机是速度测量元件，另外三种是位置测量元件。
2 测速发电机
测速发电机是一种用于转速测量的微特电机，又称为速度传感器，当其与被测机构同轴连接时，能够输出与转速成比例的电压。测速发电机是提供与速度成比例的电压的发电机。 由于测速发电机是自动化系统中的关键组件。 它们必须可靠，准确，敏感和稳定。 这些模拟传感器（直流测速发电机，交流测速发电机，无刷直流测速发电机）适用于各种行业，例如机床，配料系统，装卸和提升系统，升降机，造纸机械，纺织机械，玻璃生产线，轧机，铁路行业等等。但测速发电机属于模拟式输出器件，增加了系统电路设计的复杂性。
3 光电编码器
光电编码器是一种位置测量元件，能够测量角度信息并将其转换成数字式的输出信号，分为绝对和增量两种。光电编码器最核心的结构是光栅盘和光电检测装置。光学传感器的一侧装有发光二极管，另一侧装有光电晶体管。 如果视觉路径未被遮挡，则光电晶体管会导通，但是当某些物体挡住了落在光电晶体管上的光时，它就不会导通。 因此，可以将编码器盘（具有正确的编码器分辨率）放置在光学传感器的插槽中，以计算所连接的车轮/电机的转速。
光电编码器 | 特征 |
|---|---|
增量式光电编码器 | 光栅盘上刻有一圈辐射状的均匀分布的窄缝，转动时在光栅的作用下持续不断的开通或封闭光通路，检测装置接收到的光通量发生变化，波形经整形后输出A、B两路相位相差90°的方波脉冲，脉冲频率与转速成比例。使用时用脉冲数乘以一个脉冲对应的角度增量，即可得到角位移的增量，再通过A、B两相的超前滞后关系来判断方向。另外，Z相脉冲为零位脉冲，每转一圈输出一个信号。按照光栅盘上的光栅数，增量式光电编码器可从几百线至几千线不等，光栅数越多转速分辨率越高，制作成本和难度也大大增加。目前普遍使用四倍频技术来提高相对式光电编码器的检测精度。 |
绝对式光电编码器 | 光栅盘上刻有若干同心圆环形的光学码道，分布在每个码道上的扇形的透光和不透光区域构成了编码，编码常采用二进制码或格雷码的形式，于是在任意位置都能读出与其对应的编码。与相对式编码器相比，绝对式编码器具有无累计误差、掉电后不丢失数据等优点，检测精度也大大提高，但因为检测电路和光栅制作工艺更为复杂，价格也高出数倍。光电编码器直接输出数字信号，具有精度高、噪声低的优点，在运动控制系统中的应用最为广泛，但由于光学结构精密，需要防水防尘保护，不能应用于振动和冲击的环境，安装和调试也不够方便。 |
4 旋转变压器
旋转变压器主要用于测量转动角度，从物理本质上看，它是一种可以旋转的变压器，这种变压器的原、副边绕组分别放在定子和转子上，结构与永磁同步电机很相似。原、副绕组的电磁耦合程度与转子转角有关，因此输出电压也与转角有关。按照输出电压与转子转角间的函数关系，旋转变压器可分为：
- 正余弦旋转变压器----其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函数关系；
- 线性旋转变压器----其输出电压与转子转角成线性函数关系。 线性旋转变压器按转子结构又分成隐极式和凸极式两种；
- 比例式旋转变压器----其输出电压与转角成比例关系。
旋转变压器虽然解码方法复杂、体积和质量较大，但分辨率和精度较高，抗振动能力也最强，适合应用于复杂环境。
5 霍尔传感器
霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。霍尔转速传感器是一种小型封闭式传感器，具有性能稳定、功耗小、抗干扰能力强、使用温度范围宽等优点。霍尔效应传感器也称霍尔传感器，是一个换能器，将变化的磁场转化为输出电压的变化。霍尔传感器首先是实用于测量磁场，此外还可测量产生和影响磁场的物理量，例如被用于接近开关、霍尔、位置测量、转速测量和电流测量设备。
霍尔传感器是利用半导体的霍尔效应构成的磁场敏感元件，输出信号为方波脉冲，与控制器连接的接口简单，不易受到外界环境的电磁干扰，可靠性比模拟式传感器更高。但霍尔传感器的分辨率较低，永磁同步电机基于方波控制时输出转矩的波动也较大，不利于控制平稳性的提高。
参考：
- https://www.tachogeneratorsguide.com/what-is-a-tachogenerator
- https://ardushop.ro/en/home/782-photoelectric-speed-sensor-encoder.html
- https://www.mdpi.com/2079-9292/7/12/354/htm
- https://eltra-encoder.eu/news/resolver-vs-encoder
- https://www.mouser.hk/applications/resolver-encoder-motor-control/
- https://www.researchgate.net/publication/317072567_Permanent_Magnet_Temperature_Estimation_in_PM_Synchronous_Motors_Using_Low_Cost_Hall_Effect_Sensors
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