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角度传感器发展动向

来源:网络    发布时间:2016-1-9 11:22:05   点击量:

【摘要】近年来,角度传感器作为自动控制系统的重要元件得到了迅速发展。本文阐述模拟式角度传感器、数字式角度传感器及混合式角度传感器的发展概况,并指出角度传感器的发展趋势。

【叙  词】角度传感器模拟数字混合发展动向

1、引言

随着自动控制系统技术水平的提高,角度传感器作为自动控制系统的重要元件得到了迅速的发展。实际上,系统的发展过程也就是角度传感器的发展过程,角度传感器采用永磁或光学等原理,其处理信号方式有模拟式和数字式,混合式传感器则介于两者之间。模拟式角度传感器

模拟式角度传感器理论上有无穷大的分辨力,能提供理想的速度信号,特别在超低速时具有高抗干扰能力,高稳定性。

1.1自整角机

近年来,自整角机在工业机器人、计算机辅助制造(cam)、工厂自动化(fa)、数控机床等工业领域得到越来越多的应用。自整角机是模拟型机电元件,为适应测量系统、伺服系统数字化和普遍采用微处理器的要求,采用了接口技术,以实现自整角类信号模拟量与数字量之间的相互转换。s/d(自整角机/数字)转换或其逆转换的小型固态混合式集成电路模块的开发应用,使固态自整角发送机、固态控制式变压器、固态控制武差动发送机等成为一部分机电型自整角机产品的更新换代产品,在数字化系统中发挥其固有优势,从而增强了与其它数字式位置传感元件进行竞争的能力。

1.2旋转变压器

旋转变压器分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器三种基本类型。多极双通道旋转变压器是发展起来的一类新型高精度角度检测和解算元件,它用电气变速代替机械变速。提高了系统的精度,简化了系统的结构。旋转变压器发展迅速,其精确度以千倍百倍数量级的速度提高,并且,演变和发展出许多系列,其中有多极旋变、感应同步器、移相器、多极移相器以及大大小小的特殊品种。

国外旋变是以提高精度、带温度补偿绕组、采用盘式、环形结构和无接触式为发展方向。国外的多极旋变已经有了突破性进展,出现了“游标式旋变”,即无接触式多极旋变。为适应高精度轴角或直线位移检测数字显示和控制系统信号反馈的需要,已有双通道和三通道旋变一数字转换器(r/d),它可直接与nc系统总线接口。现在,自动控制系统中不断应用旋变机组,机组是将几种控制电机安装在一个机壳中,共用一轴,体积小,可靠性高。

欧美国家使用的多极旋变多于日本,现在基本上是无刷型的。1988年日本旋变市场销售10万台,产值15~25亿日元;而现在日本的交流伺服电机中,百分之二十的同步型、百分之九十的非同步型安装了旋转变压器。

1.3感应同步器

国外感应同步器的发展主要针对提高产品精度、缩小尺寸、改善安装,采用长短距绕组感应同步器、双排绕组感应同步器、多层绕组感应同步器、双通道组装式感应同步器及盘式结构感应同步器等,并已有感应同步器/数字转换器(i/d),它可直接与nc系统总线接口。

1.4感应移相器

它是正余弦旋变的一种特殊应用。随着伺服系统的高精度和高可靠性的发展,数字式相位控制系统的应用愈来愈广泛。近年开发研制的磁阻式多极移相器是一种基于磁阻变化原理而设计的新型元件,它可以在较小机座号上实现多极,其精度高于相同尺寸的传统多极电机。它可应用于高速数控机床,高空定位跟踪系统以及“全天候”的测角系统等。按照一般工作原理来分,磁阻式多极移相器主要用于相位控制位置数字读出系统和相位移控制数字伺服系统。模拟传感器的特性及远景如表1所示。

2、数字式角度传感器

随着电子技术的飞跃发展,工业用机器人、数控机床等位暨控制、进给控制、打印机,办公自动化设备,编码器的使用日益增多。编码器根据角度与位置产生脉冲信号,由于处理脉冲信号的电子回路高功能化、半导体存储器的大容量化、运算处理的高速化,使安装到自动控制系统中的编码器具有更高级的功能。市场需求则向高分辨率、高速响应、高功能化低成本化的方向发展。对于低成本化,则以具体应用为前提,重视经济性要求。

2.1光电编码器

光电编码器通常有增量式和绝对式,在同样分辨率条件下,增量式编码器结构较绝对式编码器简单,价格也较便宜,因而增量式编码器更有其优越性。目前,美国、德国和日本已生产出高分辨率的光电编码器(例如每转输出的脉冲高达106),但其价格较高。我国生产的光电编码器常见的最高分辨率为5000脉冲/r。如果分辨率提高1倍,产品价格要增加很多。因此,必须从技术和经济两方面综合考虑,研究如何提高分辨率。此外,还可以通过外部途径(即光电编码器本身结构以外的硬件电路和计算机软件)来提高其分辨率。

2.2磁性编码器

目前国外已广泛应用的多数是小型、分辨率不高、价格较低、既有100--1024脉冲/r的低成本增量型磁性编码器,又有输出为64000脉冲/r的内带温度等补偿回路和电路细分的正弦波磁性编码器。最近日本开发了100万脉冲/r的高分辨率的编码器,现在的磁性编码器有通过轴回转在磁鼓与磁盘上进行多假激磁并把磁传感器检测的磁极信号作为编码器脉冲信号加以利用的型式和利用在磁性齿轮与磁传感器侧设置的偏置磁铁检测磁通变化的磁阻型两类。而目前在磁鼓磁盘上多极激磁的形式较多.磁性编码器结构简单、高速回转、响应速度快,具有不易受尘埃和结构影响等优点。日前,日本在这方面占有绝对的优势,1984年即推出了增量型和绝对型两种编码器。

2.3激光编码器

使用半导体激光(二级管)光源,利用激光波的相干性.出现了应用衍射、干涉等物理光学原理的编码器。1989年日本canon公司研制生产出canonx -1型超高分辨率的激光式旋转编码器。该编码器与驱动装置一起运动时,一转之内可输出22.5万个正弦波形,其分辨率为1.8千万个脉冲/r。由于该编码器采用了透射光学系统,故它用以检测和控制数控机床、直接驱动电动机、高密度的伺服读写盘以及其它机械。它具有很强的坚固性,且具有不接触、精度高、响应快、不受电磁干扰等优点。尽管这种传感器结构较复杂,但作为适用于振动、冲击等环境下的角度传感器,预计将有大的发展。

2.4光纤编码器

光电编码器不易受外部磁场的影响,但受强电磁噪声、从电源返回的电气噪声的影响,为此,用光纤取代接收与发光元件,在符号盘两面上设置相对的接收与发光用的光纤,用光纤将光信号传输到安全区,并将传输的光信号转换为电信号,开发了可进行计算的光纤编码器。由于利用接触旋转式磁盘.的所有光线进行信号处理,所以该装置可以应用到强电磁噪声环境下正常工作的火箭上。

2.5多圈式绝对编码器

由于大规模集成技术及微机技术的不断进步,目前日本的三菱、多摩川,安川等公司相继研制成功一种高分辨率的理想检测元件多圈式绝对编码器吸取了已有的检测元件的优点.具有体积小、分辨率高(15位)、高响应(可用于4500r/min)、多圈记忆(±9999r)、数据存储(采用超大容量电容时,既使不用电池绝对值信号也可保持96h以上)、串行输出(接口信号少,可靠性高,便于长短距离传送)、超低耗电型(使用br型锂电池可连续使用4年以上)。多圈式绝对型编码器作为绝对位置系统中最合适的检测量,今后将得到广泛应用和发展。数字传感器的特性及远景如表2所示。

3、混合式传感器

混合式传感器中的频率发生器(类似于感应式同步机)通常被用于精密恒速驱动装置,如电唱机、磁带录音机中作为执行电机。在频率发生器产生的电压和相位控制中加一个锁相环可获得更高的精度控制。这种频率和相位控制是一种混合式控制。

4、角度传感器的发展趋势

近年来,角度传感器技术随着高科技的发展.在各个领域中的应用不断扩大,同时也对角度传感器技术本身的发展提出新的要求。
a.向标准化、系列化发展,这样容易解决生产实践中的问题,缩短组成系统的时间。
b.向高精度发展,其精度已达到万分之几.当组成系统时也应达到相应精度。
c.向数字化和固态化发展.增量运动的发展是全数字控制,为适应这一要求,当前有3种结构形式:
①传统电机加d/a或a/d转换模块。
②直接以输入或输出脉冲的电机.如步进电动机,脉冲测速机.增量或绝对编码器等。
③利用电子技术,实现信号传输、解算、编码的固态元件。当前国内一些高校和科研单位在致力开发固态自整角机、固态旋变等,数字化产品可以简化系统,抗干扰能力强,直接与计算机相连,控制方便一般应用较高技术领域。
d.向组合化、小型化、专用化发展,国防航空航天,甚至工业自动化对配套产品的体积和重量有着严格的控制.功能确有增加的趋势,向小型化和组合化发展以适应用户的配套要求。这类产品主要有各种机组,多极、单极双通道自整角机、旋变等。有的甚至和液压、气动、声、光等元件组台在一起,构成一种多功能、特殊控制的精密组合件。

组合化,小型化的同时是向专用化发展。大量开发的新产品要满足特定系统的特定用途,以使新产品与系统更好的匹配,产品设计也易于实现最优。当然.专用产品的设汁亦应遵循类比原则(即标准化,模块化),以提高经济效益,降低成本.缩短试制周期。

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