莫會成 閔 琳

（西安微電機研究所 西安 710077）

1 概述

一般而言，伺服系統(tǒng)是指利用負(fù)反饋原理通過各種控制方法或策略，使輸出服從于輸入的運動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的組成如圖1所示。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求使輸出能夠自動地、連續(xù)地、精確地、快速地復(fù)現(xiàn)輸入信號地變化規(guī)律。通過機械位移、機械角度、轉(zhuǎn)矩、速度或加速度等輸出量達(dá)到各種各樣的控制目的。永磁交流伺服系統(tǒng)是一種用永磁交流伺服電動機作為執(zhí)行電機，以伺服電機的速度、機械位置或角度作為控制對象的運動控制系統(tǒng)，由此可知伺服系統(tǒng)主要由電機、傳感器與驅(qū)動控制器三大主要部分組成。

圖1 伺服系統(tǒng)構(gòu)成框圖（虛線內(nèi)是核心構(gòu)成部分）Fig.1 Structure of servo system

傳感器是能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成[1]，用于滿足系統(tǒng)信息傳輸、存儲、顯示、記錄或控制等要求。伺服系統(tǒng)的傳感器必須能夠準(zhǔn)確地測量出反映伺服系統(tǒng)工作的各個物理量，并且迅速地傳遞給控制器。傳感器的水平在一定程度上決定了系統(tǒng)的水平，有時甚至成為影響系統(tǒng)工作的關(guān)鍵。因此，伺服系統(tǒng)中傳感裝置與技術(shù)的作用非常重要。如果把驅(qū)動控制器比做人的大腦，電動機本體為人的四肢，那么傳感器則是人的眼耳等各種感知器官，只有感知器官的精確定位，才可能使人通過大腦指揮四肢準(zhǔn)確地完成各種動作。因此，傳感器的性能好壞也直接影響著伺服系統(tǒng)的整體性能。

永磁交流伺服系統(tǒng)中使用的傳感器和傳感技術(shù)就是將與執(zhí)行電機或控制對象相關(guān)的電流、速度、位置、加速度、溫度等各種旋轉(zhuǎn)的或直線的機械、電氣等輸出量反饋給驅(qū)動控制器，使之與輸入的命令進(jìn)行比較，驅(qū)動控制器根據(jù)這些信息做出決定，發(fā)布指令，指示執(zhí)行電機完成相應(yīng)動作。

永磁交流伺服系統(tǒng)中所使用的傳感器和傳感技術(shù)種類繁多，內(nèi)容十分豐富，根據(jù)伺服驅(qū)動控制的工作原理，從圖1的系統(tǒng)框圖中可以看到，伺服系統(tǒng)大致接收處理四類信息：

第一部分A：是指能從電動機輸入端所能直接或間接得到的信息，如電機的電壓u、電流i、電壓變化率 du/(dt)、電流變化率 di/(dt)、電機的反電動勢e和電機磁鏈ψ等一些重要的電氣參數(shù)。

第二部分B：是從電機本體可獲得的有關(guān)參量，如電機的溫度或溫升、機械振動、噪聲等各種環(huán)境監(jiān)測物理量。

第三部分 C：主要輸出的是電機各種機械物理量，如機械角度、電氣角度、角速度、角加速度、直線位置和速度以及電機的磁場位置等。

第四部分D：主要是反饋被控對象的各物理量，除了直接的機械量如位置、速度、角度等以外，還有許多根據(jù)被控對象的性質(zhì)而提供給上位控制器的各種監(jiān)測控制參數(shù)。

要想全面的總結(jié)歸納上述所涉及到的各種類型物理量的傳感器及傳感技術(shù)是很困難的，也并非完全必要，本文將重點描述上述第三部分的機械量傳感器和傳感技術(shù)，而對除溫度傳感器外的其他各物理量的檢測和傳感則不作具體介紹。

2 傳感器的主要種類、原理及特點

傳感器的分類方法很多，根據(jù)伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)可以分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、電流傳感器等；按信號轉(zhuǎn)換的原理可分為電磁感應(yīng)原理、光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)等；按輸出電信號的形式可分為模擬式和數(shù)字式。伺服系統(tǒng)中主要使用的傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機、測速發(fā)電機、光電編碼器、磁性編碼器、霍爾元件以及過壓、過流、過熱等非機械量測量傳感器等。

以下簡單介紹幾種主要傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及特點。

2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密的電磁感應(yīng)元件，當(dāng)它的勵磁繞組通電勵磁后，其輸出電壓的幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦或余弦函數(shù)關(guān)系，或在一定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角成正比[2]。在少數(shù)特殊的使用場合，通過繞組的特殊設(shè)計也可輸出某些特殊函數(shù)，如正割函數(shù)、倒數(shù)、對數(shù)等。除旋轉(zhuǎn)式外，還有直線式，即輸出信號與直線位移成某種函數(shù)關(guān)系，如數(shù)控機床中常用它作位置檢測。

旋轉(zhuǎn)變壓器的類型很多，按用途可分為解算用旋轉(zhuǎn)變壓器和數(shù)據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器；按有無電刷和集電環(huán)之間的滑動接觸可分為有接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器和無接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器（又稱無刷旋變）；按極對數(shù)可分為單對極與多極和雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器等[3]。

從20世紀(jì)60年代起，旋轉(zhuǎn)變壓器逐漸用于伺服系統(tǒng)，80年代后隨著現(xiàn)代伺服技術(shù)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)變壓器在通過R/D數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，大量應(yīng)用于有定位要求的高性能位置伺服系統(tǒng)中作精密傳感元件。如高檔數(shù)控機床伺服系統(tǒng)、精密機器人伺服機構(gòu)、新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)及高性能武器裝備伺服系統(tǒng)等等。特別是在一些環(huán)境惡劣的使用場合如強沖擊、振動及極限高低溫時，旋轉(zhuǎn)變壓器將替代光電編碼器成為伺服系統(tǒng)反饋元件的不二選擇。

現(xiàn)代位置伺服系統(tǒng)中常用的旋轉(zhuǎn)變壓器主要有單對極無接觸正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器、旋轉(zhuǎn)或直線可變差動變壓器（RVDT、LVDT）等幾類，簡要介紹如下：

2.1.1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器實質(zhì)上是原方繞組與副方繞組之間的電磁耦合程度可以隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角而變化的變壓器。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的副方繞組輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦或余弦函數(shù)關(guān)系。

普通的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子上的輸出信號是利用電刷與滑環(huán)結(jié)構(gòu)引出的，而現(xiàn)代永磁交流伺服電機系統(tǒng)使用的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器是具有高可靠性的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，以環(huán)形變壓器代替電刷與滑環(huán)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子輸出繞組與外電路的連接，消除了電刷與滑環(huán)間的滑動摩擦帶來的接觸不良等可靠性隱患。典型產(chǎn)品如圖2所示。

圖2 伺服系統(tǒng)用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器Fig.2 Brushless resolver for servo system

對伺服系統(tǒng)來說，旋轉(zhuǎn)變壓器的精度是其最關(guān)注的指標(biāo)。通常所說的旋轉(zhuǎn)變壓器的精度是指其電氣誤差指標(biāo)，它反映的是旋轉(zhuǎn)變壓器的綜合精度，直接影響到伺服系統(tǒng)的反饋精度。目前永磁交流伺服電機系統(tǒng)中使用的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器精度通常要求小于 10′。在某些精密位置伺服系統(tǒng)中應(yīng)用的多極高精度旋轉(zhuǎn)變壓器的精度可達(dá)到角秒級。

2.1.2磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器是一種基于磁阻變化原理的角位傳感元件，實質(zhì)上是磁阻可變的無接觸式耦合變壓器，其輸出電壓的幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈正余弦函數(shù)關(guān)系。

磁阻旋變的結(jié)構(gòu)同一般磁阻式電機結(jié)構(gòu)形式相似，定子鐵心為大齒，輸入、輸出繞組均為集中繞組并嵌放在定子鐵心的大槽內(nèi)，高精度的多極磁阻旋變定子大齒上還有均勻分布的小齒；轉(zhuǎn)子鐵心上不帶繞組，僅為均勻分布的凸極或小齒，其凸極數(shù)或小齒數(shù)即是磁阻旋變的極對數(shù)。

一般情況下，永磁交流伺服系統(tǒng)中使用的磁阻旋變多與電動機的極對數(shù)相匹配，普通伺服系統(tǒng)使用的磁阻旋變極對數(shù)大多在2～6之間，定子大齒上無小齒，轉(zhuǎn)子也僅是與極對數(shù)相等的凸極。這類磁阻旋變的精度按極對數(shù)的不同一般為 60′或 30′。典型產(chǎn)品如圖3所示。

圖3 普通伺服系統(tǒng)用磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器Fig.3 Variable reluctance resolver for servo system

從圖3可以看出，普通永磁交流伺服系統(tǒng)中使用的磁阻旋變結(jié)構(gòu)非常簡單，其制造工藝特別適合大批量低成本生產(chǎn)。同時，由于沒有電刷滑環(huán)接觸，即可以提高精度，又具有工作可靠，抗沖擊振動能力強，適應(yīng)惡劣環(huán)境，并能連續(xù)高速長壽命運行的優(yōu)點。近幾年來，磁阻旋變以其獨特的優(yōu)勢在汽車行業(yè)得到大量應(yīng)用。

磁阻旋變的精度隨著極對數(shù)的增加而提高，因而在高精度伺服系統(tǒng)中采用的磁阻旋變極對數(shù)較多，定子大齒上有均勻分布的小齒，轉(zhuǎn)子相應(yīng)也為多齒結(jié)構(gòu)，帶小齒的高精度磁阻旋變的沖片如圖 4所示。

圖4 高精度磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器沖片圖Fig.4 Lamination of high-precise variable reluctance resolver

這類高精度的磁阻旋變的精度可達(dá)角秒級，如應(yīng)用于某武器裝備中的110機座180對極的磁阻旋變的精度高達(dá)3.5角秒。

2.1.3RVDT與LVDT

（1）RVDT。RVDT（Rotary Variable Differential Transformer）是旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器的縮寫，是一種磁阻式的線性旋轉(zhuǎn)變壓器，通過改變磁路氣隙截面而改變磁路的磁導(dǎo)，并按差動變壓器原理工作。

RVDT的輸出電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系，是一種體積小、結(jié)構(gòu)可靠、分辨率高、工作壽命長的無接觸式角度檢測元件。典型產(chǎn)品如圖5所示。

圖5 RVDT角位傳感器Fig.5 Rotary variable differential transformer

（2）LVDT。LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是直線可變差動變壓器的縮寫，又叫螺管型線性差動變壓器，是一種直線位移傳感元件。

LVDT由一次線圈（初級）、二次線圈（次級）以及鐵心三部分組成。通過初級與次級的電磁耦合，使得鐵心的位移變化量與輸出電壓變化量呈線性關(guān)系。LVDT的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 LVDT結(jié)構(gòu)圖Fig.6 LVDT structure

LVDT工作過程中，鐵心的運動不能超出線圈的線性范圍，否則將產(chǎn)生非線性值，因此所有的LVDT均有一個線性范圍。高線性度的LVDT的線性度可達(dá)0.1%，大量程的LVDT測量范圍已有1m以上的規(guī)格。LVDT可以對鐵芯最微小的運動做出響應(yīng)并生成輸出，外部電子設(shè)備的可讀性是對分辨率的唯一限制，因而從理論上講它具有無限的分辨率，實際產(chǎn)品分辨率一般可達(dá) 0.1μm。典型產(chǎn)品如圖7所示。

圖7 LVDT角位傳感器Fig.7 Linear variable differential transformer

在現(xiàn)代永磁交流伺服系統(tǒng)中，無論使用哪種旋轉(zhuǎn)變壓器，都需要進(jìn)行R/D變換，即可使用R/D變換專用芯片，也可將其功能以軟件的形式集成在電機的驅(qū)動控制芯片（DSP）中，具體變換原理本文不再介紹。

2.2 自整角機

自整角機是通過定、轉(zhuǎn)子之間的電磁感應(yīng)作用，將輸入軸的機械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為和這個轉(zhuǎn)角成一定函數(shù)關(guān)系的電信號，或?qū)⑤斎氲碾娦盘栟D(zhuǎn)換為成一定函數(shù)關(guān)系的機械轉(zhuǎn)角。以電的聯(lián)系，使遠(yuǎn)距離的兩根或多根機械轉(zhuǎn)軸能夠精確地保持相同的轉(zhuǎn)角變化，或者同步旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)角度位置的遠(yuǎn)距離傳輸、轉(zhuǎn)換和指示。

自整角機是應(yīng)用最早的一種重要軸角測量元件，且在早期的同步隨動系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，如飛機、艦船等的角度、位置、高度指示與控制；火炮控制、雷達(dá)天線定位；軋鋼機軋輥控制和指示；核反應(yīng)堆的控制棒指示器等。在現(xiàn)代永磁交流伺服系統(tǒng)中已很少采用自整角機。

2.3 測速發(fā)電機

測速發(fā)電機是利用電磁作用原理直接檢測速度，它將輸入的運動速度轉(zhuǎn)換成電信號輸出，其輸出的電信號（電壓的幅值或頻率）與輸入的運動速度（旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)速或直線運動的線速度）呈線性函數(shù)關(guān)系。它是一種常用速度傳感器，有直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩種。當(dāng)輸出信號不是以電壓幅值而是以電壓頻率來反映轉(zhuǎn)速時稱為脈沖測速發(fā)電機。

直流測速發(fā)電機的輸出電壓在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速方向發(fā)生改變時輸出電壓的極性隨之改變。以電子換向替代電刷和換向器的直流測速發(fā)電機稱為無刷直流測速發(fā)電機。有刷直流測速發(fā)電機多用于上世紀(jì)流行的直流伺服系統(tǒng)中，而早期模擬控制的永磁交流伺服系統(tǒng)中一般采用的是無刷直流測速發(fā)電機作為速度傳感元件。交流測速發(fā)電機是用于傳統(tǒng)的兩相交流伺服系統(tǒng)的速度檢測元件，永磁交流伺服系統(tǒng)中基本不采用這類傳感器。

測速發(fā)電機在伺服系統(tǒng)中主要是作為速度信號檢測及反饋。隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，輸出模擬信號的測速發(fā)電機已經(jīng)很少應(yīng)用在現(xiàn)代高性能永磁交流伺服系統(tǒng)中。

2.4 編碼器

編碼器是現(xiàn)代高性能永磁交流伺服系統(tǒng)中最常用的傳感器之一，是一種機械與電子緊密結(jié)合的精密測量元件，它通過光電原理或電磁原理將一個機械的幾何位移量轉(zhuǎn)換為電子信號（電子脈沖信號或者數(shù)據(jù)串），電子信號連接到控制系統(tǒng)（PLC、高速計數(shù)模塊、變頻器等），控制系統(tǒng)經(jīng)過計算便可以得到測量的數(shù)據(jù)，構(gòu)成伺服系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)。主要用來檢測機械運動的速度、位置、角度、距離或計數(shù)。

編碼器按結(jié)構(gòu)有旋轉(zhuǎn)式和直線式之分，按檢測原理可分為光電編碼器、磁性編碼器、感應(yīng)式編碼器和電容式編碼器。按編碼方式可分為增量式編碼器、絕對式編碼器和混合式編碼器。感應(yīng)式和電容式編碼器在永磁交流伺服系統(tǒng)中較少應(yīng)用，本文不做介紹。

2.4.1光電編碼器

光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。直線式光電編碼器又稱線性編碼器或光柵尺，通常應(yīng)用于機床、加工中心以及直線運動的設(shè)備中作直線位移檢測。本文主要介紹永磁交流伺服系統(tǒng)中常用的旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。

典型的旋轉(zhuǎn)式光電編碼器由碼盤、檢測光柵、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號轉(zhuǎn)換電路）、機械部件等組成。如圖8所示。

圖8 光電編碼器主要結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of optical encoder

伺服電機運行過程中，光柵盤與電機同軸或按一定轉(zhuǎn)速比進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過光電二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，并通過計數(shù)器等脈沖接收電路來獲取電機當(dāng)前的位置與轉(zhuǎn)速。

下面按增量式、絕對式和混合式分別簡單介紹。

（1）增量式光電編碼器。增量式光電編碼器是利用光線掃描轉(zhuǎn)動的等分分度碼盤，通過檢測統(tǒng)計信號的通斷數(shù)量來計算旋轉(zhuǎn)角度的位移量。每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應(yīng)于一個增量位移，但不能通過輸出脈沖區(qū)別出是在哪個位置上的增量。其作用是提供一種對連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法，它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號，它是相對于某個基準(zhǔn)點的相對位置增量，不能夠直接檢測出軸的絕對位置信息。在系統(tǒng)掉電后旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)會丟失，上電后需重新復(fù)位后才能開始測量。

一般來說，增量式光電編碼器有三個輸出信號，分別稱為A、B和Z。A、B兩相為互差90°電度角的脈沖信號（即所謂的兩組正交輸出信號），從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向；Z 為用作參考零位的標(biāo)志（指示）脈沖信號，在碼盤上事先規(guī)定一個基準(zhǔn)零點，稱為零位。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到零位時，輸出一個參考脈沖，稱為零位脈沖。碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個標(biāo)志信號。Z標(biāo)志脈沖通常用來指示機械位置或?qū)Ψe累量清零。

增量編碼器A、B輸出的波形一般有兩種，一種是有陡直上升沿和陡直下降沿的方波信號；一種是緩慢上升與下降，波形類似正弦曲線的 Sin/Cos曲線波形信號輸出。增量式光電編碼器輸出波形如圖9所示。

圖9 增量式光電編碼器輸出波形圖Fig.9 Output wave of incremental optical encoder

增量式光電編碼器的主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、精度、輸出信號的穩(wěn)定性、響應(yīng)頻率、信號輸出形式等。

分辨率是指編碼器可讀取并輸出的最小角度變化，用每轉(zhuǎn)刻線數(shù)（line）、每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（P/r）、最小步距、位等來表示。一般的交流伺服電機控制系統(tǒng)中選用較多的分辨率為 2 500線。對光電轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行邏輯處理，可進(jìn)一步提高分辨率，方波可做4倍頻輸出，正余弦波形可通過后續(xù)電路讀取波形相位的變化，用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來細(xì)分，5倍、10倍、20倍，甚至100倍以上，細(xì)分好后再以方波波形輸出。目前增量式光電編碼器的最高分辨率可達(dá)每轉(zhuǎn)數(shù)萬脈沖數(shù)。

精度是指編碼器輸出的信號數(shù)據(jù)對測量的真實角度的準(zhǔn)確度。精度通常用角度、角分或角秒來表示。光學(xué)、機械、電氣以及使用中的安裝等因素都將對編碼器的精度產(chǎn)生影響。高精度光電編碼器精度可高達(dá)0.05″。

響應(yīng)頻率是指編碼器電氣上最大能響應(yīng)的頻率數(shù)，如果在高于這個參數(shù)的頻率下使用，編碼器內(nèi)部電路會無法響應(yīng)，將導(dǎo)致輸出波形嚴(yán)重畸變，甚至產(chǎn)生丟失脈沖的現(xiàn)象。編碼器輸出的響應(yīng)頻率取決于光電檢測器件、電子處理線路的響應(yīng)速度。

（2）絕對式光電編碼器。絕對式光電編碼器的基本原理及組成部件與增量式光電編碼器基本相同，也是由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成。絕對式編碼器是用光線掃描旋轉(zhuǎn)碼盤上的專用編碼碼道，以確定被測物體的絕對位置，然后將檢測到的編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號以脈沖的形式輸出測量的位移量。編碼的形式有格雷碼，BDC碼和二進(jìn)制碼等。絕對式編碼器的碼道及編碼如圖10所示。

圖10 絕對式編碼器碼道及編碼Fig.10 Code channel and code of absolute encoder

與增量式光電編碼器不同的是，絕對式光電編碼器用不同的數(shù)碼來分別指示每個不同的增量位置，它是一種直接輸出數(shù)字量的傳感器。在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。絕對式光電編碼器原理如圖11所示。

絕對式編碼器可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值；沒有累積誤差；電源切除后位置信息不會丟失；絕對式編碼器的精度取決于位數(shù)，高精度的絕對式編碼器位數(shù)可達(dá)27位；最高轉(zhuǎn)速比增量式光電編碼器高。

圖11 絕對式光電編碼器原理圖Fig.11 Principle of absolute encoder

絕對式編碼器的輸出波形如圖12所示。

圖12 絕對式編碼器的輸出波形圖Fig.12 Output wave of absolute encoder

普通的絕對式光電編碼器多為單圈式，它所能測量軸角的范圍是0°～360°，不具有多轉(zhuǎn)檢測能力，因而不適應(yīng)多轉(zhuǎn)數(shù)運動控制中檢測絕對位置的要求。伺服系統(tǒng)采用絕對式光電編碼器時應(yīng)選擇多圈式的。多圈式絕對編碼器是運用鐘表齒輪機械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴大編碼器的測量范圍。

（3）混合式光電編碼器?；旌鲜焦怆娋幋a器用光線掃描轉(zhuǎn)動的復(fù)合分度碼盤，同時輸出絕對旋轉(zhuǎn)角度編碼和相對旋轉(zhuǎn)角度編碼。伺服系統(tǒng)中常采用此種混合式編碼器，當(dāng)伺服電機旋轉(zhuǎn)時，它輸出兩組信號，一組信號是與增量式光電編碼器完全相同，用于檢測伺服電機的有關(guān)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、原點位置及相對角位移的數(shù)字信號A、B、Z；另一組信號是用于檢測伺服電機磁極位置的數(shù)字信號 U、V、W，帶有絕對信息輸出功能。三路 U、V、W脈沖彼此相位相差 120°，每轉(zhuǎn)的脈沖個數(shù)與電機的極對數(shù)一致。

混合式光電編碼器輸出信號波形如圖13所示。

圖13 混合式光電編碼器的輸出信號波形Fig.13 Output signal of hybrid optical encoder

2.4.2磁性編碼器

磁編碼器是一種新型的角度或位移測量裝置，其原理是采用磁敏元件對磁性材料的角度或位移值變化來進(jìn)行測量。當(dāng)磁性材料角度或位移發(fā)生變化時，將引起磁敏元件的電阻或者輸出電壓相應(yīng)變化，通過放大電路對變化量放大后，經(jīng)單片機處理輸出脈沖信號或者模擬信號，達(dá)到測量角度或位移的目的。磁性編碼器一般可以分為兩種：磁電式編碼器和磁阻式編碼器。

（1）磁電式編碼器。圖14是一種新型磁電式編碼器，由一塊圓柱型永磁體及一個集成電路芯片組成。其工作原理是當(dāng)永磁體隨電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，陣列排列于芯片中心周圍的霍爾傳感器將檢測出永磁體的磁場強度分布，并傳輸反應(yīng)磁場分布的電壓信號。霍爾傳感器陣列輸出的正弦和余弦電壓將隨著永磁體轉(zhuǎn)角位置的變化而變化，輸出電壓信號被細(xì)分器轉(zhuǎn)換為絕對角度位置，以需要的輸出格式輸出。目前這種磁電式磁性編碼器分辨率可達(dá)15位。

圖14 磁電式編碼器Fig.14 Magnetic encoder

這種磁性編碼器結(jié)構(gòu)簡單、防塵能力強，可靠性高，壽命長，價格低廉，體積小，重量輕，安裝調(diào)試方便，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于永磁交流伺服系統(tǒng)中。

西微微電機研究所研制的磁電式編碼器主要基于奧地利微電子的 AS5040芯片和英國雷尼紹公司的 AM4096芯片。采用 360°非接觸式角度位置編碼；有八種分辨率可供選擇；零點可任意設(shè)定，調(diào)零方便；有增量（A、B、Z）、同步串行接口（SSI）、伺服電機復(fù)合碼盤（U、V、W、A、B、Z）、轉(zhuǎn)速器、模擬量正弦波等多種輸出方式；其轉(zhuǎn)速最高可達(dá) 60 000r/min；可選 3V或 5V電源；工作溫度范圍大，可達(dá)-40～125℃。

西安微電機研究所研制的該類編碼器已推廣應(yīng)用于電動汽車、機器人等使用的永磁交流伺服系統(tǒng)和其他高分辨率要求的設(shè)備中。

（2）磁阻式編碼器。磁阻式編碼器是一種基于磁阻效應(yīng)的編碼器。主要構(gòu)成部分有磁阻元件、磁鼓、信號處理電路。磁阻式編碼器的典型結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 磁阻式編碼器的典型結(jié)構(gòu)圖Fig.15 Structure of variable reluctance encoder

在磁記錄圓盤（即磁鼓）表面涂覆上按規(guī)律排列的某種磁性材料，當(dāng)磁鼓轉(zhuǎn)動時將會引起周圍空間磁場的變化，用磁敏元件去檢測磁鼓周圍磁場的變化就可獲取到相應(yīng)的角度位置信息。磁阻式編碼器又分為 AMR傳感器（強磁合金薄膜材料各向異性磁阻）和GMR傳感器（巨磁阻）。

磁性編碼器與傳統(tǒng)的光電式編碼器相比，突出的優(yōu)點是：環(huán)境適應(yīng)能力強，抗振動、耐高溫、耐油污、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、響應(yīng)速度快，可應(yīng)用于傳統(tǒng)的光電編碼器不能適應(yīng)的領(lǐng)域，非常適用于高速旋轉(zhuǎn)運動場合使用。缺點是目前制成高分辨率有一定的困難[3]，但相信隨著電子技術(shù)的發(fā)展，分辨率和精度的提高只是時間問題。

盡管在目前市場上的編碼器中，光電編碼器占有很大的份額，但由于磁性編碼器的一些獨特優(yōu)點，加上其成本低廉，近年來在高精度伺服電機控制領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加，如紡機、數(shù)控機床、機器人、甚至是軍工領(lǐng)域都已有典型的應(yīng)用。因此磁性編碼器已經(jīng)成為發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)之一，各國都將磁性編碼器作為高技術(shù)產(chǎn)品加以重點研究。

2.5 霍爾傳感器

霍爾元件是一種利用霍爾效應(yīng)原理制成的半導(dǎo)體磁敏元件。通常將霍爾元件、放大器、溫度補償電路、輸出級、電源穩(wěn)壓電路等制作在同一硅片上，然后用陶瓷或塑料封裝，稱為霍爾效應(yīng)位置傳感器。按輸出的不同，可分為開關(guān)型霍爾傳感器和線性型霍爾傳感器兩種。

（1）開關(guān)型霍爾傳感器。開關(guān)型霍爾傳感器一般為低成本的鎖定型開關(guān)霍爾，其輸出為數(shù)字量，只有兩個狀態(tài)，即高邏輯電平和低邏輯電平，當(dāng)外磁場強度變化時，輸出邏輯狀態(tài)會翻轉(zhuǎn)，利用它可以檢測到磁場強度的過零點。因此，在電機的適當(dāng)位置上安裝開關(guān)霍爾，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，開關(guān)霍爾就會輸出與磁場過零點相對應(yīng)的方波信號。這種傳感器在無刷直流電機中應(yīng)用較多，由于在永磁交流伺服電機中，需要連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信號來完成電機的控制，因此，在使用這種傳感器時還需要結(jié)合開關(guān)霍爾位置區(qū)間進(jìn)行位置預(yù)估，這種方法又被稱為準(zhǔn)無位置傳感器法[4]。在伺服控制性能要求不高的伺服系統(tǒng)中，采用開關(guān)霍爾傳感器具有高的性價比。

（2）線性型霍爾傳感器。線性型霍爾傳感器能夠輸出正比于磁場強度的霍爾電壓，在一定磁感應(yīng)強度范圍內(nèi)，其輸出電壓與外磁感應(yīng)強度呈線性關(guān)系，它輸出模擬量。永磁交流伺服系統(tǒng)中基于線性霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)就是利用線性霍爾傳感器，提供電機氣隙磁場的一些特定變化的信息，通過三角函數(shù)運算，單獨或利用系統(tǒng)中的控制芯片（DSP）進(jìn)行R/D解碼后得到電機的轉(zhuǎn)子位置信號。線性霍爾傳感器能夠?qū)崟r的跟蹤轉(zhuǎn)子位置的信息，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置的檢測，但是分辨率較差[4,5]。因此，線性霍爾傳感器也只應(yīng)用于對分辨率要求不高的低成本伺服系統(tǒng)中。

2.6 非機械量檢測傳感器

除了前述用以檢測速度及位置等機械量信息的主要傳感器外，在伺服系統(tǒng)中還常采用一些重要的非機械量傳感器，如溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等，用來檢測系統(tǒng)過電壓、過電流及過熱，以確保伺服系統(tǒng)能安全可靠的運行。本文僅簡單介紹溫度傳感器。

溫度傳感器分接觸式傳感器和非接觸式傳感器兩大類，永磁交流伺服電動機中采用的多為接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器的種類很多，經(jīng)常使用的有熱敏電阻、熱電阻和熱電偶。

（1）熱敏電阻。半導(dǎo)體熱敏電阻按半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型：①負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）；②正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）；③臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）。CTR在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變，主要用作溫度開關(guān)。在溫度測量中，則主要采用NTC。熱敏電阻的測溫范圍是-80～+200℃。

（2）熱電阻傳感器。熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。由于鉑具有很好的穩(wěn)定性和測量精度，故人們主要把它用于高精度的溫度測量和標(biāo)準(zhǔn)測溫裝置。常用的鉑電阻有 Pt50、Pt100、Pt300、Pt1000等。鉑電阻的測溫范圍是-200～+850℃。

（3）熱電偶。兩種不同的金屬A與B形成閉合回路，當(dāng)兩個接點溫度不同時回路將產(chǎn)生電勢，該電勢的方向和大小取決于兩導(dǎo)體的材料及兩接點之間的溫度差，而與導(dǎo)體的粗細(xì)、長短無關(guān)。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，組成的測量傳感器稱為熱電偶。常用的熱電偶有鉑－鉑銠、鎳鉻－鎳硅、鎳鉻－康銅等。熱電偶的測溫范圍很寬，可測量-270～+1 600℃范圍內(nèi)的溫度，按測溫范圍又分為K、E、J、T、B、R、S等型。

總之，溫度傳感器不但種類繁多，而且組合形式多樣，應(yīng)根據(jù)不同的場所選用合適的產(chǎn)品。

3 無位置傳感器技術(shù)

旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器等位置傳感器雖然為永磁交流伺服電機系統(tǒng)提供了最直接有效的檢測方法，但它也使伺服系統(tǒng)增加了體積，更增加了伺服電機系統(tǒng)的制造工藝難度和成本。同時，安裝這些傳感器后也帶來了一些可靠性方面的問題，在某些特殊環(huán)境下，位置傳感器也不符合集成應(yīng)用系統(tǒng)的要求。因此，隨著控制技術(shù)的不斷進(jìn)步以及數(shù)字信號處理器等一些新元器件的出現(xiàn)，無位置傳感器控制技術(shù)在交流伺服系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用和發(fā)展，尤其DSP的高速信息處理能力使無位置傳感器控制技術(shù)的復(fù)雜算法能得以實現(xiàn)。

無位置傳感器控制系統(tǒng)是指利用電機繞組中的有關(guān)電信號，通過適當(dāng)方法估計出轉(zhuǎn)子的電氣和機械位置以及轉(zhuǎn)速等，從而取代傳感器，實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制。永磁交流伺服電機系統(tǒng)是一個多變量，強耦合的非線性系統(tǒng)，人們將現(xiàn)代控制理論、非線性理論和一些其他領(lǐng)域的研究成果應(yīng)用于永磁交流伺服電機無位置傳感器控制系統(tǒng)中，提出了較為可行的方法。這些估計方法大體可分為兩類：①基于電機電磁關(guān)系的位置估計方法；②基于各種觀測器的位置估計方法?；陔姍C電磁關(guān)系的位置估計方法有：直接檢測定子三相端電壓和電流，利用它們計算出轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速；檢測電機相電感的變化來估計轉(zhuǎn)子位置；檢測電樞繞組反動電勢過零點來判斷轉(zhuǎn)子位置的反電動勢法；通過計算定子磁鏈來估計轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的方法等等。基于各種觀測器的位置估計方法的實質(zhì)是狀態(tài)重構(gòu)，其原理是重新構(gòu)造一個系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)中可直接測量的變量作為它的輸入信號，并使其輸出所需信號的方法。如擴展卡爾曼濾波法、全階狀態(tài)觀測器法、模型參考自適應(yīng)法、滑模變結(jié)構(gòu)法、基于人工智能理論的各種估算方法等等[6,7]。隨著新技術(shù)的發(fā)展，不斷還有新的無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測理論及方法的提出，無位置傳感器技術(shù)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。以下簡單介紹幾種無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置估算方法。

（1）瞬時電壓方程法。利用電動機各相瞬時電壓和電流方程，實時計算電動機由靜止到正常運轉(zhuǎn)任一時刻轉(zhuǎn)子的位置，控制電動機的運行。該方法不需專門的起動線路，電路簡單，起動轉(zhuǎn)矩大，但對電動機本體的數(shù)學(xué)模型依賴性大，當(dāng)電動機參數(shù)因溫度變化發(fā)生漂移時，容易造成建模誤差，使精確度受到影響。另外，由于在線計算復(fù)雜，計算量很大，考慮到轉(zhuǎn)子位置檢測的實時性，必須采用具有快速運算能力的DSP和高速A-D轉(zhuǎn)換器[3]。

（2）反電動勢法。反電動勢法是最常用的無刷電機（BLDC）無傳感器控制方法，其基本原理是通過檢測各相繞組反電動勢的過零點來判斷轉(zhuǎn)子磁極的換相位置。對于常見的兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式，除了換相的瞬間之外，在任意時刻，電動機總有一相繞組處于斷電狀態(tài)。當(dāng)斷電相繞組的反電動勢過零之后，再經(jīng)過 30°電角度，就是該相的換向點。因此，只要檢測到各相繞組反電動勢的過零點，就可以確定電動機的轉(zhuǎn)子位置和下次換流的時間。反電動勢法有兩個主要缺陷：當(dāng)電動機在靜止或低速運行時，反電動勢為零或太小，因而無法利用；又由于該方法在原理上作了近似處理，忽略了電樞反應(yīng)和濾波產(chǎn)生的反電動勢過零點與實際轉(zhuǎn)子位置不一致，因而需要采用相應(yīng)的誤差補償措施[8]。

（3）高頻信號注入法。通過檢測基波反電動勢來獲得轉(zhuǎn)子位置的方法雖然簡單，但僅適用于高速運行時，在零速或低速時會因檢測不到反電動勢而不適用。高頻信號注入法則是利用電動機的凸極效應(yīng)來追蹤轉(zhuǎn)子位置的一種方法，可以在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有效地檢測轉(zhuǎn)子的空間位置。其基本原理是在電機中注入特定的高頻電壓（電流）信號，然后檢測對應(yīng)的電流（電壓）信號以確定轉(zhuǎn)子的凸極位置，多采用的是高頻電壓信號注入，且注入的高頻電壓信號可為旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號或脈動高頻電壓信號。

旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法是在基波上疊加一個三相平衡的高頻電壓激勵信號，然后檢測對應(yīng)的高頻電流響應(yīng)并通過特定的信號處理來獲取轉(zhuǎn)子位置信息。此種方法主要應(yīng)用于凸極率較大的永磁體內(nèi)置式電機。脈動高頻電壓注入法只是在估計轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直軸上注入高頻正弦電壓信號，該信號在靜止坐標(biāo)系中是一個脈動電壓信號，更適用于凸極率較小的表貼式電機。兩種方法相比較，脈動高頻電壓注入法跟蹤精度高，靜態(tài)和動態(tài)性能更好，無需對轉(zhuǎn)子位置估算角度進(jìn)行補償。旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法的轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)較為復(fù)雜，轉(zhuǎn)子位置估算角度需作相位補償，且轉(zhuǎn)子位置信息提取過程的算法對系統(tǒng)的動態(tài)性能影響較大，但其轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)自成一體，因此更易于調(diào)試和實現(xiàn)[9,10]。

（4）模型參考自適應(yīng)法。模型參考自適應(yīng)法是一種較常用的估算轉(zhuǎn)子位置和速度的方法，模型參考自適應(yīng)辨識的主要思想是將含有待估計參數(shù)的方程作為可調(diào)模型，將不含未知參數(shù)的方程作為參考模型，兩個模型具有相同物理意義的輸出量。兩個模型同時工作，并利用兩個模型輸出量的誤差根據(jù)適合的自適應(yīng)律來實時調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù)，以達(dá)到控制對象的輸出跟蹤參考模型輸出的目的。當(dāng)差值為零時，可認(rèn)為此時估計的轉(zhuǎn)子位置為真實位置[11]。模型的選取和電機參數(shù)的變化會直接影響轉(zhuǎn)速辨識，運算的繁瑣也可能會使辨識與調(diào)整跟不上擾動變化，可通過采用高速DSP并與其他控制技術(shù)相結(jié)合（如結(jié)合高頻信號注入法等）來改善控制效果。

（5）滑模變結(jié)構(gòu)控制?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制是一種非線性控制，在PMSM中該方法是基于給定電流與反饋電流間的誤差來重構(gòu)電機的反電動勢，估算轉(zhuǎn)子速度?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制的本質(zhì)是滑模運動，通過結(jié)構(gòu)變換開關(guān)，以很高的頻率來回切換，快速修正反電動勢，使估算電流和實際電流相等?；＿\動與控制對象的參數(shù)變化以及擾動無關(guān)，具有很好的魯棒性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制由于其魯棒性強、動態(tài)響應(yīng)快、易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用，但由于其本質(zhì)上是不連續(xù)的開關(guān)控制，不可避免會引起系統(tǒng)發(fā)生抖振，應(yīng)用時應(yīng)采取合適的方法來削弱和抑制抖振。同時因該方法是通過觀測電機的反電動勢來得到轉(zhuǎn)速，低速時不能得到很好的控制效果[12,13]。

（6）擴展卡爾曼濾波（EKF）法。擴展卡爾曼濾波（EKF）法是一種基于最小方差的最優(yōu)狀態(tài)預(yù)測估計方法，將線性系統(tǒng)狀態(tài)估計的卡爾曼濾波算法應(yīng)用于永磁交流伺服電機這種非線性系統(tǒng)中，以迭代法為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對PMSM的非線性最優(yōu)狀態(tài)估計。結(jié)合卡爾曼濾波原理，首先通過測量逆變器直流母線電壓，再利用DSP生成的SVPWM控制信號，檢測電機定子三相電壓值與電流值，對三相電壓、電流值進(jìn)行坐標(biāo)變換后輸入擴展卡爾曼濾波器中，經(jīng)過擴展卡爾曼濾波運算得出調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)估計值（轉(zhuǎn)速和電機轉(zhuǎn)子位置角信息），來代替機械式位置傳感器測量的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，并用于矢量控制和速度反饋。與其他方法相比，擴展卡爾曼濾波（EKF）法能有效抑制系統(tǒng)誤差和測量誤差對狀態(tài)估計的影響，狀態(tài)估計精度高、收斂速度快，是無傳感器控制方法中較好的速度觀測方法[13-15]。

（7）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種大規(guī)模并行的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，它采用工程技術(shù)方式模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能，可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系，具有信息的分布存儲、并行處理以及自學(xué)習(xí)能力。隨著現(xiàn)代智能控制技術(shù)的發(fā)展，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與各種算法相結(jié)合來進(jìn)行永磁交流伺服系統(tǒng)無傳感器轉(zhuǎn)子速度和位置辨識已取得可喜的成果。如與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來精確估計位置及轉(zhuǎn)速；與模型參考自適應(yīng)控制相結(jié)合，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器用作自適應(yīng)速度控制器；與小波技術(shù)相結(jié)合，采用魯棒小波神經(jīng)元控制；將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆算法引入模型參考自適應(yīng)的控制策略等等[16-18]。

（8）模糊控制。模糊控制是將模糊數(shù)學(xué)的基本理論應(yīng)用于工程實踐中，它不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠簡化系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，特別適應(yīng)于解決非線性、時變及滯后、模型不完全的系統(tǒng)問題，具有適應(yīng)能力強，系統(tǒng)的魯棒性強，規(guī)則和參數(shù)整定方便等優(yōu)點。對于PMSM這種多變量、較難建立精確模型的復(fù)雜系統(tǒng)，模糊控制技術(shù)將有很大的發(fā)揮空間。但它也存在難以達(dá)到較高的控制精度，模糊控制規(guī)則難以確定，缺乏系統(tǒng)而有規(guī)律的模糊規(guī)則設(shè)計方法等缺點，使用中對控制專家的經(jīng)驗依賴性較大，這個特點既是優(yōu)點也是缺點。同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣，模糊控制的應(yīng)用更多的是與其他控制算法相結(jié)合，如與滑模控制相結(jié)合，與遺傳算法相結(jié)合，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合等等[19-21]。

無位置傳感器的永磁交流伺服電機控制系統(tǒng)，免去傳感器安裝和維護(hù)的不便，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本。在越來越多的場合，無位置傳感器控制技術(shù)應(yīng)用基本可以取代部分有傳感器的伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)無傳感器運行。無傳感器技術(shù)采用的位置估算方法種類很多，各有不同的優(yōu)缺點和適應(yīng)范圍，經(jīng)常是幾種方法聯(lián)合使用，以求得到更佳的控制效果。但還存在較多的問題需要解決，比如算法復(fù)雜，需要有高精度的數(shù)字信號處理器；受電機參數(shù)影響較大；檢測精度低，如上面介紹的前幾種方法實際上只是檢測到了電機轉(zhuǎn)子的磁極位置，而速度的檢測精度以及機械位置的精度都不是很高；低速時運行性能較差，無傳感器控制還很難在電機（非凸極）靜止時從電機的電氣特性獲得轉(zhuǎn)子的初始位置。只有電機起動到一定的轉(zhuǎn)速后，才能將電機切換至無位置傳感器運行狀態(tài)，電機初始轉(zhuǎn)子位置檢測和起動問題仍然是永磁交流伺服電機無傳感器運行有待解決的難題之一。總的來說，在高精度的伺服驅(qū)動場合，無位置傳感器的伺服系統(tǒng)還很難取代有位置傳感器的伺服系統(tǒng)。

4 伺服系統(tǒng)用傳感器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

編碼器與旋轉(zhuǎn)變壓器是目前永磁交流伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最多的兩類角位傳感器。

在國內(nèi)市場上，編碼器的技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)達(dá)國家具有明顯優(yōu)勢，歐美廠商牢牢占據(jù)高端市場，市場占有量達(dá)40%，產(chǎn)品價格昂貴，主要以HEIDENHAIN（海德漢）、RENISHAW（雷尼紹）等品牌為代表；日韓廠商占據(jù)中端市場，市場占有量約 35%，以TAMAGAVA（多摩川）、KOYO（光洋）等為代表；國內(nèi)品牌多為低端產(chǎn)品，市場占有量約25%，主要有長春光機所等。

旋轉(zhuǎn)變壓器的技術(shù)及產(chǎn)品則是國內(nèi)外水平相當(dāng)，國外品牌主要有日本TAMAGAVA（多摩川）、日本MINEBEA（美蓓亞）；德國LTN；美國HAROWE（丹納赫集團(tuán)下屬公司）等。國內(nèi)主要制造廠商有西安微電機研究所等。

近年來，交流伺服系統(tǒng)處于蓬勃發(fā)展階段，正朝著智能化方向快速發(fā)展，每年都有先進(jìn)的技術(shù)展現(xiàn)。伺服控制系統(tǒng)中的各個組成部分相應(yīng)的也有了飛速發(fā)展，傳感裝置與技術(shù)也無例外。新型傳感器發(fā)展的總趨勢是微型化、多功能化、高精度化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和高可靠性以及無傳感器技術(shù)等[22]。

從結(jié)構(gòu)上來講，追求的是多樣化，即針對不同使用場合及不同電機結(jié)構(gòu)時傳感器結(jié)構(gòu)及外形可以是千變?nèi)f化的；在伺服控制精度要求不高時，傳感器注重的是簡單化，即盡可能簡化以求高性價比，如僅一個簡單芯片或霍爾片，以提高產(chǎn)品競爭力；在一體化和集成化方面，傳感器的部分功能可以集成在驅(qū)動器的芯片甚至利用軟件來實現(xiàn)，比如DSP等；通信的總線化，采用通用或?qū)Ｓ猛ㄐ艆f(xié)議來實現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)化；傳感器精度和分辨率是保障伺服系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，因而高精度和高分辨率是傳感器永恒的追求，如光電編碼器分辨率已達(dá)到229，還要追求更高，無刷旋變精度從目前的角分級追求達(dá)到角秒級，磁編碼器有望超過 217等等；為適應(yīng)伺服系統(tǒng)的高速化，傳感器還需要在機械結(jié)構(gòu)強度、對頻率的響應(yīng)速度以及信號的處理速度等多方面盡量優(yōu)化，以提高響應(yīng)頻率及自身結(jié)構(gòu)對高速的適應(yīng)性；高可靠性發(fā)展將體現(xiàn)在傳感器的抗干擾能力、無刷化結(jié)構(gòu)、多余度設(shè)計等方面，如磁阻旋變、磁性編碼器以及LVDT等就是一類具有高可靠性優(yōu)勢的產(chǎn)品；除此之外，新工藝、新材料、新器件、新結(jié)構(gòu)以及新原理的不斷研究和應(yīng)用，也將促使傳感器在精度、分辨率、穩(wěn)定性及可靠性等各方面得以有效提升[23]。

無傳感器技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)在新理論、新方法、新算法的不斷涌現(xiàn)，以提高控制精度并改善其控制性能；同時各種算法的互相結(jié)合及優(yōu)勢互補將使無位置傳感器控制更加完善；新的高速處理器件的出現(xiàn)也將進(jìn)一步促進(jìn)無傳感器技術(shù)取得長足的發(fā)展。

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