机器人内部传感器阅读梳理及心得-速度传感器-模拟式速度传感器

速度传感器是机器人内部传感器之一，是闭环控制系统中不可缺少的重要组成部分，它用来测量机器人关节的运动速度。可以进行速度测量的传感器很多，如进行位置测量的传感器大多可同时获得速度的信息。但是应用最广泛、能直接得到代表转速的电压且具有良好的实时性的速度测量传感器是测速发电机，它主要用于检测机械转速，能把机械转速变换为电压信号。在机器人控制系统中，以速度为首要目标进行伺服控制的并不常见，更常见的是机器人的位置控制。若要考虑机器人运动过程的品质，速度传感器甚至加速度传感器都是需要的。根据输出信号形式的不同，速度传感器可分为模拟式和数字式两种。

模拟式速度传感器

测速发电机是最常用的一种模拟式速度传感器，它的工作原理类似于小型永磁式直流发电机。它可以把机械转速变换成电压信号，而且输出电压与输入的转速成正比。

其工作原理是基于法拉第电磁感应定律，当通过线圈的磁通量恒定时，位于磁场中的线圈旋转室线圈两端产生的感应电动势与转子线圈的转速度成正比，即：u=kn    

式中， u—测速发电机的输出电压，单位： V；

           n—测速发电机的转速，单位： r/min；

           k—比例系数。

当有负载时，电枢绕组流过电流，由于电枢反应而使输出电压降低。若负载较大，或者测量过程中负载变化，则破坏了线性特性而产生误差。为减少误差，必须使负载尽可能地小且性质不变。测速发电机总是与驱动电动机同轴联接，这样就测出了驱动电动机的瞬时速度，并能在机器人自动系统中作为速度闭环系统的反馈元件。测速发电机在机器人速度闭环控制系统中的应用如图1所示。

图1 测速发电机在机器人速度闭环控制系统中的应用

测速发电机具有线性度好、灵敏度高等特点，目前检测范国一般在20～40r/min，精度为0.2％～0.5％。

测速发电机按其构造分为直流测速发电机和交流测速发电机。直流测速发电机实际是一种微型直流发电机，按定子磁极的励磁方式分为永磁式和电磁式。永磁式采用高性能永久磁钢励磁，受温度变化的影响较小，输出变化小，斜率高，线性误差小。电磁式采用他励式，不仅复杂且因励磁受电源、环境等因素的影响，输出电压变化较大，应用不多。图2为直流测速发电机的结构原理，改变旋转方向时输出电动势的极性也相应改变。

图2 直流测速发电机的结构原理

交流测速发电机可分为同步测速发电机和异步测速发电机两大类。同步测速发电机又分为永磁式、感应子式和脉冲式三种。由于同步测速发电机感应电动势的频率随转速变化，致使负载阻抗和电机本身的阻抗均随转速而变化，所以在自动控制系统中较少采用。

异步测速发电机结构与交流伺服电动机相似，其转子结构可分为鼠笼型和空心杯型两种。鼠笼转子异步测速发电机输出斜率大，但线性度差，相位误差大，剩余电压高，一般只用在精度要求不高的控制系统中。空心杯转子异步测速发电机的精度较高，转子转动惯量也小，性能稳定，在自动控制系统中常用。图3为交流异步测速发电机的结构原理。

图3 交流异步测速发电机的结构原理

如上速度传感器思维导图如图4所示。

图4  速度传感器思维导图

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