速度傳感器

速度傳感器的寫法

速度傳感器介紹

在機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量較多，而且直線運(yùn)動(dòng)速度也經(jīng)常通過旋轉(zhuǎn)速度間接測(cè)量。目前廣泛使用的速度傳感器是直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，可以將旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。測(cè)速機(jī)要求輸出電壓與轉(zhuǎn)速間保持線性關(guān)系，并要求輸出電壓陡度大，時(shí)間及溫度穩(wěn)定性好。測(cè)速機(jī)一般可分為直流式和交流式兩種。直流式測(cè)速機(jī)的勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)式和永磁式兩種，電樞結(jié)構(gòu)有帶槽的、空心的、盤式印刷電路等形式，其中帶槽式最為常用。

原理

加速度傳感器MEMS壓力傳感器的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（慣性力）/M（質(zhì)量）我們只需要測(cè)量F就可以了。怎么測(cè)量F？用電磁力去平衡這個(gè)力就可以了。就可以得到F對(duì)應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個(gè)比例系數(shù)就行了。當(dāng)然中間的信號(hào)傳輸、放大、濾波就是電路的事了。

現(xiàn)代科技要求加速度傳感器廉價(jià)、性能優(yōu)越、易于大批量生產(chǎn)。在諸如軍工、空間系統(tǒng)、科學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域，需要使用體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的加速度傳感器。以傳統(tǒng)加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿足這些要求。于是應(yīng)用新興的微機(jī)械加工技術(shù)制作的微加速度傳感器應(yīng)運(yùn)而生。這種傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動(dòng)快、成本低、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化。而且，由于微機(jī)械結(jié)構(gòu)制作精確、重復(fù)性好、易于集成化、適于大批量生產(chǎn)，它的性能價(jià)格比很高?？梢灶A(yù)見在不久的將來，它將在加速度傳感器市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位。

微加速度傳感器有電容式、壓阻式、壓電式等形式。

電容式

電容型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運(yùn)動(dòng)而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進(jìn)而使電容值變化。電容式加速度計(jì)與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較??；但不足之處表現(xiàn)在信號(hào)的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號(hào)源，因此電容傳感器的輸出信號(hào)往往需通過后繼電路給于改善。在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測(cè)量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。

壓電式

壓電式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動(dòng)加速度作用后產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號(hào)。壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號(hào)不需要任何外界電源等特點(diǎn)，是被最為廣泛使用的振動(dòng)測(cè)量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，商業(yè)化使用歷史也很長(zhǎng)，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計(jì)和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場(chǎng)上銷售的同類傳感器性能的實(shí)際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其的缺點(diǎn)是壓電式加速度傳感器不能測(cè)量零頻率的信號(hào)。

壓阻式

應(yīng)變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導(dǎo)體材料制成電阻測(cè)量電橋，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)?，F(xiàn)代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻形式敏感芯體的設(shè)計(jì)具有很大的靈活性以適合各種不同的測(cè)量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測(cè)量，到直流高靈敏度的低頻測(cè)量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時(shí)壓阻式加速度傳感器測(cè)量頻率范圍也可從直流信號(hào)到具有剛度高，測(cè)量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測(cè)量。超小型化的設(shè)計(jì)也是壓阻式傳感器的一個(gè)亮點(diǎn)。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有很大靈活性，但對(duì)某個(gè)特定設(shè)計(jì)的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點(diǎn)是受溫度的影響較大，實(shí)用的傳感器一般都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在價(jià)格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價(jià)具有很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，但對(duì)特殊使用的敏感芯體制造成本將遠(yuǎn)高于壓電型加速度傳感器。

檢查

速度傳感器檢查圖如圖所示。1端子接電源正極，2端子接電源負(fù)極。轉(zhuǎn)動(dòng)速度傳感器芯軸B，2、3端子應(yīng)接通4次（曲軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)）。當(dāng)不符合要求時(shí)，應(yīng)更換速度傳感器。

無異步電機(jī)矢量控制方法

1　引　言

在高性能的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)一般是必不可少的。通常，采用光電碼盤等速度傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)，并反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)。但是，由于速度傳感器的安裝給系統(tǒng)帶來一些缺陷：系統(tǒng)的成本大大增加；精度越高的碼盤價(jià)格也越貴；碼盤在電機(jī)軸上的安裝存在同心度的問題，安裝不當(dāng)將影響測(cè)速的精度；電機(jī)軸上的體積增大，而且給電機(jī)的維護(hù)帶來一定困難，同時(shí)破壞了異步電機(jī)的簡(jiǎn)單堅(jiān)固的特點(diǎn)；在惡劣的環(huán)境下，碼盤工作的精度易受環(huán)境的影響。因此，越來越多的學(xué)者將眼光投向無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究。國外在20世紀(jì)70年代就開始了這方面的研究，但首次將無速度傳感器應(yīng)用于矢量控制是在1983年由R．Joetten完成，這使得交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展又上了一個(gè)新臺(tái)階，但對(duì)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的研究仍在繼續(xù)。

2　無速度傳感器的控制方法

在近20年來，各國學(xué)者致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究，無速度傳感器控制技術(shù)的發(fā)展始于常規(guī)帶速度傳感器的傳動(dòng)控制系統(tǒng)，解決問題的出發(fā)點(diǎn)是利用檢測(cè)的定子電壓、電流等容易檢測(cè)到的物理量進(jìn)行速度估計(jì)以取代速度傳感器。重要的方面是如何準(zhǔn)確地獲取轉(zhuǎn)速的信息，且保持較高的控制精度，滿足

實(shí)時(shí)控制的要求。無速度傳感器的控制系統(tǒng)無需檢測(cè)硬件，免去了速度傳感器帶來的種種麻煩，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的成本；另一方面，使得系統(tǒng)的體積小、重量輕，而且減少了電機(jī)與控制器的連線，使得采用無速度傳感器的異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用更加廣泛。國內(nèi)外學(xué)者提出了許多方法。

（1）動(dòng)態(tài)速度估計(jì)法　主要包括轉(zhuǎn)子磁通估計(jì)和轉(zhuǎn)子反電勢(shì)估計(jì)。都是以電機(jī)模型為基礎(chǔ)，這種方法算法簡(jiǎn)單、直觀性強(qiáng)。由于缺少無誤差校正環(huán)節(jié)，抗干擾的能力差，對(duì)電機(jī)的參數(shù)變化敏感，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，加上參數(shù)辨識(shí)和誤差校正環(huán)節(jié)來提高系統(tǒng)抗參數(shù)變化和抗干擾的魯棒性，才能使系統(tǒng)獲得良好的控制效果。

（2）PI自適應(yīng)控制器法　其基本思想是利用某些量的誤差項(xiàng)，通過PI自適應(yīng)控制器獲得轉(zhuǎn)速的信息，一種采用的是轉(zhuǎn)矩電流的誤差項(xiàng)；另一種采用了轉(zhuǎn)子q軸磁通的誤差項(xiàng)。此方法利用了自適應(yīng)思想，是一種算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果良好的速度估計(jì)方法。

（3）模型參考自適應(yīng)法（MRAS）　將不含轉(zhuǎn)速的方程作為參考模型，將含有轉(zhuǎn)速的模型作為可調(diào)模型，2個(gè)模型具有相同物理意義的輸出量，利用2個(gè)模型輸出量的誤差構(gòu)成合適的自適應(yīng)律實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù)（轉(zhuǎn)速），以達(dá)到控制對(duì)象的輸出跟蹤參考模型的目的。根據(jù)模型的輸出量的不同，可分為轉(zhuǎn)子磁通估計(jì)法、反電勢(shì)估計(jì)法和無功功率法。轉(zhuǎn)子磁通法由于采用電壓模型法為參考模型，引入了純積分，低速時(shí)轉(zhuǎn)子磁通估計(jì)法的改進(jìn)，前者去掉了純積分環(huán)節(jié)，改善了估計(jì)性能，但是定子電阻的影響依然存在；后者消去了定子電阻的影響，獲得了更好的低速性能和更強(qiáng)的魯棒性?？偟恼f來，MRAS是基于穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的參數(shù)辨識(shí)方法，保證了參數(shù)估計(jì)的漸進(jìn)收斂性。但是由于MRAS的速度觀測(cè)是以參考模型準(zhǔn)確為基礎(chǔ)的，參考模型本身的參數(shù)準(zhǔn)確程度就直接影響到速度辨識(shí)和控制系統(tǒng)的成效。

（4）擴(kuò)展卡爾曼濾波器法　將電機(jī)的轉(zhuǎn)速看作一個(gè)狀態(tài)變量，考慮電機(jī)的五階非線性模型，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器法在每一估計(jì)點(diǎn)將模型線性化來估計(jì)轉(zhuǎn)速，這種方法可有效地抑制噪聲，提高轉(zhuǎn)速估計(jì)的精確度。但是估計(jì)精度受到電機(jī)參數(shù)變化的影響，而且卡爾曼濾波器法的計(jì)算量太大。

（5）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法　利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器，用誤差反向傳播算法的自適應(yīng)律進(jìn)行轉(zhuǎn)速估計(jì)，網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值為電機(jī)的參數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在理論研究還不成熟，其硬件的實(shí)現(xiàn)有一定的難度，使得這一方法的應(yīng)用還處于起步階段。

3　結(jié)　論

異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制除以上所提及的方法外，還有轉(zhuǎn)子齒諧波法和高頻注入法。雖然辨識(shí)速度的方法很多，但仍有許多問題有待解決，如系統(tǒng)的精度、復(fù)雜性和系統(tǒng)的可靠性間的矛盾、低速性能的提高等。今后無速度傳感器控制的研究發(fā)展的方向應(yīng)為：提高轉(zhuǎn)速估計(jì)精度的同時(shí)改進(jìn)系統(tǒng)的控制性能，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾，抗參數(shù)變化能力的魯棒性，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。隨著現(xiàn)代控制理論、微處理器、DSP器件以及電力電子開關(guān)器件的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高性能的無速度傳感器異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的前景相當(dāng)樂觀。

在軌道車輛上的使用

概述

在軌道車輛上，車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性很大程度上取決于它所采集到的速度信號(hào)的可靠性和精度，而所采集的速度信號(hào)包括當(dāng)前速度值和速度的變化量。在機(jī)車的牽引控制，車輪滑動(dòng)保護(hù)，列車控制，和車門控制過程中都要涉及到速度信號(hào)的采集問題。我們可以發(fā)現(xiàn)在各種軌道車輛中，這個(gè)任務(wù)是由許許多多的速度傳感器來完成的。

在過去，用來測(cè)速的傳感器通常性能不穩(wěn)定，而且容易出現(xiàn)故障，經(jīng)常引起車輛事故。主要原因是早期使用的主要是模擬傳感器，而當(dāng)時(shí)使用的數(shù)字傳感器效果也很差。造成上述速度傳感器問題的主要原因是軌道車輛應(yīng)用的環(huán)境都極度惡劣。

德國Lenord+Bauer公司經(jīng)過多年的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的積累，開發(fā)出高品質(zhì)的多功能的速度傳感器，而且性能非常穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于工況惡劣的軌道列車行業(yè)。

無軸承速度傳感器

雖然有些軌道列車不用傳感器，但是大多數(shù)的機(jī)車控制系統(tǒng)都要用到速度傳感器。

最常用的速度傳感器類型是雙通道速度傳感器（如圖一，圖二）。該傳感器直接掃描機(jī)車電機(jī)軸上或減速機(jī)上的齒輪，因此，傳感器本身不需要帶軸承。

該目標(biāo)測(cè)量齒輪既可以根據(jù)用戶的要求特殊定做，也可以利用設(shè)備中現(xiàn)有的測(cè)量齒輪。

該速度傳感器利用磁場(chǎng)調(diào)制原理（如圖三）適用于模數(shù)為1和模數(shù)為3.5的鐵磁體測(cè)量輪。被測(cè)齒輪的齒的形狀也是一個(gè)重要的因素，因?yàn)樵撍俣葌鞲衅髂軌驕y(cè)量的是方形齒齒輪和帶漸開線齒齒輪。根據(jù)測(cè)量輪的直徑和齒數(shù)，該速度傳感器的分辨率在每圈60個(gè)脈沖到每圈300個(gè)脈沖之間，能滿足一般機(jī)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求。

這種類型的速度傳感器通常有2個(gè)霍爾傳感器，永磁體，和信號(hào)處理電路組成。當(dāng)速度傳感器掃描旋轉(zhuǎn)的齒輪時(shí)，永磁體的磁場(chǎng)發(fā)生變化。磁場(chǎng)的變化被霍爾傳感器記錄下來，在電路的比較環(huán)節(jié)被轉(zhuǎn)換成方波，在驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)被放大。

然而，霍爾傳感器的性能受溫度影響很大。所以決定速度傳感器的靈敏度和信號(hào)的相位差的因素不只是齒輪的安裝氣隙，還取決于溫度。溫度的影響大大降低了傳感器和齒輪之間的安裝氣息的允許值。在室溫下，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模數(shù)為2的測(cè)量齒輪安裝氣隙可以做到2-3mm，但是當(dāng)所需的溫度范圍在-40度到+120度時(shí)，允許氣隙降到了1.3mm。

我們通常要求我們的測(cè)量齒輪不但分辨率要高，而且體積要小，所以在這種要求下，測(cè)量輪的氣息就越小。模數(shù)是1的高分辨率小齒輪的允許氣隙范圍在0.5-0.8mm。

對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來說，傳感器的氣隙,如果速度傳感器要求的安裝氣隙越小，對(duì)設(shè)備整體的設(shè)計(jì)要求就高。安裝氣隙允許的范圍小，就限制了被測(cè)電機(jī)外殼的機(jī)械安裝公差和測(cè)量齒輪對(duì)于輸出信號(hào)的允許誤差范圍。所以，對(duì)于機(jī)車電機(jī)的制造廠家和操作人員來說都愿意選擇安裝氣隙范圍較大的速度傳感器。

在實(shí)際操作過程中，速度傳感器輸出信號(hào)的幅值隨著安裝氣隙的增大而迅速減小（如圖四）。對(duì)于傳感器的生產(chǎn)商來說，他們需要盡可能的對(duì)信號(hào)幅制進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)相位差也要進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。通常的做法是測(cè)出傳感器工作的溫度，從而根據(jù)溫度信息對(duì)相位差進(jìn)行補(bǔ)償，這就是我們通常說的溫度補(bǔ)償。但是，這樣做也有兩個(gè)缺點(diǎn)：，信號(hào)的相位差和溫度并不成線性關(guān)系。第二，并不是每一個(gè)傳感器的相位差都是一樣的。所以，傳統(tǒng)的傳感器對(duì)溫度的適應(yīng)性有待于提高

新一代的Lenord+Bauer速度傳感器找到了一種新的方法來解決傳統(tǒng)傳感的缺點(diǎn)。它采用一種集成的信號(hào)處理器來調(diào)整信號(hào)的幅值和相位差，從而使傳感器的安裝氣隙增大到原來的2倍左右。使用這種傳感器，對(duì)于模數(shù)為1的測(cè)量齒輪，安裝氣隙可以到1.4mm,比傳統(tǒng)傳感測(cè)量模數(shù)為2的齒輪的安裝氣隙還要大。而對(duì)于新一代的傳感器，模數(shù)為2的齒輪，安裝氣隙可達(dá)2.2mm。同時(shí)，新一代的傳感器大大提高了信號(hào)的質(zhì)量。面對(duì)同樣的氣隙波動(dòng)和溫度變換，新傳感器兩個(gè)通道信號(hào)的占空比和相位偏移的穩(wěn)定性是傳統(tǒng)傳感器的3倍。

而且，雖然新傳感器的電路較復(fù)雜，但是它的MTBF值比傳統(tǒng)傳感器高。新傳感器不僅提供的信號(hào)精度比原高，而且信號(hào)的可用性也比原來好。

這種新的傳感器外形和傳統(tǒng)傳感器相似（如圖五），可以適用于目前實(shí)際使用中的所有車輛。