电机基本介绍

电动机是指电磁感应规律下，执行电能转换的设备，根据能量转换的不同，分为电动机和发电机。电动机，俗称电动机，是以一种常用的方式把电能转换成机械能。发电机把机械能转换成电能，用于发电和其他用途。

1.1伺服电机

电机的分类方法不同，名称也不同，下面通过几种简单的分类方法和流程图来介绍电机的分类。

首先，根据工作电源的类型，直流电动机可以分为直流电动机和交流电动机。根据直流电机的结构和工作原理，可分为无刷直流电动机和无刷直流电动机。交流电机根据电压的不同，可分为单相电机和三相电机。

图1.1工作电源类型分类图

其次，按照结构和工作原理划分，可分为直流电机、同步电机和异步电机，其中同步电机又可分为永磁同步电机、磁阻同步电机和磁滞同步电机；异步电机又可分为感应电机和交流换向器电机。

图1.2结构分类图及工作原理

最后，根据用途可分为驱动电机和控制电机，而驱动电机又可分为电动工具电机、家用电器电机和其他通用小型机械设备电机；控制电机可分为步进电机和伺服电机。

图1.3用途分类图

常用的伺服电机是永磁同步交流伺服电机，其内部转子为永磁。驱动器通过控制U、V、w三相电流产生电磁场，转子在电磁场作用下旋转。同时，连接在电机后面的编码器通过电机的运行向驱动产生反馈的编码器信号，驱动根据反馈值与目标值的比较来调整转子的旋转角度。可以看出，电机的控制精度取决于编码器的精度（或行数）。

1.2电动机结构

伺服电机主要由定子和转子组成。定子铁心通常由硅钢片压制而成，表面的槽内嵌有两个绕组，其中一个相绕组为励磁绕组，另一个相绕组为控制绕组，如图1.4、1.5、1.6所示

将伺服电机拆开后，可以清楚地看到其内部结构，如图1.7所示。除了定子和转子外，电机末端的编码器也是伺服电机的重要组成部分，后面的章节会详细介绍。

图1.7伺服电机组合图

电机有几个常见的术语，在这里简要解释：

（1）旋转方向：观察电机沿轴从驱动端（电机轴端）到非驱动端（编码器端）的旋转方向。

（2）机械角度：将电机周长几何分割成360度，称为机械角度。

（3）电气角度：简称电气角度。对于交流电机而言，电枢线圈中的正弦波电位在一个周期内感应的电角度为360度。如果电机有p对磁极，则电机旋转时的电角度为p×机械角度。

（4）惯性：物体对加速度或减速的惯性测量值。这里指的是要由电机移动的负载的惯量，或电机转子的惯量。

（5）法兰：又称法兰盘，用于连接两台设备，是一种组合密封结构，一般采用成对方式，常用法兰有60、80、90、110、130、150、180等，如图1.8所示。

图1.8伺服电机结构示意图

2编码器

2.1编码器介绍

编码器是一种将信号（如位流）或数据编码并转换为可用于通信、传输和存储的信号的设备。当司机想要控制电机旋转，U，V，W输出三相电力驱动电动机运行，使电动机转向某个位置或角度，我们作为目标的位置，电机旋转过程将需要知道这个时候旋转多少，在什么位置，否则汽车只会盲目地拒绝。在这个过程中，编码器提供反馈的作用，转子是除以编码不同位置围成一个圈，然后按照转子旋转，转子的位置和当前实时反馈开车，知道当前位置和实现目标，一旦达到目标，然后控制U，V，W三相电力输出，保持停止在转子的位置，从而实现任意位置或角度的控制。如图2.1所示，简要介绍了编码器的组成。

图2.1伺服电机结构示意图

2.2编码器的分类

编码器根据它们被定义的方式被不同地分类。下面简要介绍几种分类方法。

首先，根据在代码盘上开孔的方式，可以将其分为增量型和绝对值型。以下内容将被详细描述。

其次，根据其机械结构，可分为旋转编码器和直线编码器。其中，旋转编码器是用于测量角度和速度的机械设备中应用最广泛、最常见的一种。线性编码器可分为电缆编码器和馈线编码器，主要用于测量线性位移。旋转编码器的参考光栅为具有均匀比例尺的玻璃盘（码板），将角位移转换为电信号，线性编码器为玻璃尺（码尺），将线性位移转换为电信号，如图2.2和2.3所示。

最后，根据编码器的工作原理，可以将编码器分为光电式、磁电式和接触电刷式。其中光电式和磁电式较为常见。这里是光电编码器的简要介绍，接下来的章节将介绍磁电编码器。

光电编码器主要由光栅盘（分码盘）和光电检测装置（接收器）两部分组成。光栅板是在一定直径的圆板上均匀地开若干矩形孔。由于光栅板与电机同轴，电机旋转，光栅板随电机转速旋转，发光二极管垂直照射光栅盘，将光栅板图像投影到由光敏元件组成的光电检测装置（接收器）上，光电检测装置可以将光信号转换为电信号，光栅板旋转所产生的光的变化转换成相应变化后的脉冲信号输出（编码器与电机同步旋转，光源固定），如图2.4所示。

图2.4伺服电机结构示意图

2.2.1增量编码器

增量式编码器将位移转换为周期性的电信号，再将电信号转换为计数脉冲，并用计数脉冲的个数来表示位移。光电类型，常见的增量编码器是直接利用光电转换原理输出三个方波脉冲相位，B和Z，A、B两组脉冲的相位差为90°（或延迟1/4周期），根据关系的区别可以积极的和消极的传输延迟，并通过A、B阶段的上升和下降沿频率可以2到4倍。z相为单圆脉冲，即每圆发射1个脉冲进行参考点定位，如图2.5和2.6所示。

图2.5增量式编码器盘图

图2.6增量式编码器原理图

由于代码通过旋转计数脉冲增量位移，在恒定的电力驱动的情况下，可以记录脉冲的数量方面，记录的位移量，但一旦驱动力量，除非电动机，它的位置不能匹配驱动脉冲的数量记录的位置，一般而言，电力驱动后估计的角度和位置，然后等待第一个接收到Z脉冲信号，作为校准，为了开始计数，增量编码器在几种情况下使用时需要返回原始或引导原因查找。

增量式编码器，可分为省线式和非省线式。在编码器线的反馈信号中，提供了A、B、Z、U、V、W六个信号，其中U、V、W信号提供了驱动器的位置信息。读当驱动电信号U，V，W，可以确定的初始相位角电机定子电流、电机运行，Z脉冲后，可以借助，B和Z信号，准确测量转子的位置伺服系统，U，V，W驱动是不再需要在这个时间信号，所以U，V，W信号之前一个电动马达绕组转子位置信息。线省式与无线省式的区别在于编码器线路是否包含U、V、W信号。如果不是，则为省线型；如果是，它是非连线节省类型。标准非省属电机并联输出A、B、Z、U、V、W信号。即使在第一个Z脉冲后，该信号不再需要，但U，V，W信号仍然输出。所谓line-saving类型不提供U，V和W信号，但输出U，V，W和A，B和Zleadout行标记信号，B和Z信号根据订单所需的驱动程序，从而达到满足的目的所需的驱动程序的信息。

2.2.2绝对值编码器

绝对值编码器对应于一个圆，发出与每个基准面角度对应的唯一二进制值。绝对编码器编码器，有许多光通道刻线，每一个与线槽，2，4，8，16行如序列比对，通过这种方式，每个位置编码器，通过阅读每刻线明亮和黑暗，得到一组与20到n-1的底部的力量的二进制编码，并且每个代码是唯一的一个。我们经常提到的17位和23位绝对值编码器是指以n为幂的编码，如图2.7所示

图2.7绝对值编码器编解码器图

增量编码器，它不是一个绝对式编码器输出脉冲，但输出数字信号显示编码器的位置，而且每个数字信号是独一无二的，所以即使切除后的驱动电源位置信息不会丢失，当你需要知道位置的位置当阅读它并重新启动系统后立即可以恢复运动。

图2.8二进制代码14.jpg

和灰色的代码

绝对编码器可分为单圈绝对编码器和多圈绝对编码器。单圈绝对值编码器是指在光编码板旋转过程中对每条线的测量，以获得唯一编码。当旋转超过360度时，编码回到原点，这不符合绝对编码的独特原则。这种编码只能用于360度旋转范围内的测量。更绝对编码器，是指用机械钟表齿轮的原理，当旋转中心代码编码器的齿轮传动另一组（或多组齿轮，多组编码器），圈的圈编码数量的基础上添加的代码，以扩大编码器的测量范围，它也是由机械位置编码，不仅每个职位编码重复，没有记忆。多线圈编码器的另一个优点是由于测量范围大，在实际使用中往往有更多的剩余。这样安装时就不用费心找零了，只需在一定的中间位置作为起点，大大简化了安装调试的难度，如图2.9所示。

图2.9绝对值编码器单搭接（左）与多搭接（右）的比较

2.2.3磁编码器

磁电编码器采用磁电设计，通过磁感应装置和磁场的变化产生并提供转子的绝对位置。磁性编码器取代了传统的码板，弥补了光电编码器的一些缺陷。具有抗震、耐腐蚀、耐污染、性能可靠、结构简单等特点。

磁电编码器的主要部分由磁阻传感器、磁鼓和信号处理电路组成。磁鼓被烧成等间距的小磁极。磁极磁化后，在旋转过程中产生周期性分布的空间漏磁场。磁传感器探头通过磁阻效应变化的磁场信号可以转换为电阻阻值的变化，应用电势作用下的电阻值的变化的变化转换成电压，信号处理电路的处理后，模拟电压信号转化为数字信号，电脑可以识别的实现代码功能磁旋转编码器。

图2.10磁电编码器组成示意图

磁电编码器原理类似光电编码器，但其采用的是磁场信号。在磁编码器内部采用一个磁性转盘和磁阻传感器。磁性转盘的旋转会引起内部磁场强度的变化，磁阻传感器检测到磁场强度的变化后再经过电路的信号处理即可输出信号。磁性转盘的磁极数，磁阻传感器的数量及信号处理的方式决定了磁编码器的分辨率。采用磁场原理产生信号的优势是磁场信号不会受到灰尘，湿气，高温及振动的影响。

2.2.4旋转变压器

旋转变压器，可以称为“自旋”，是一种精确的角度，位置和速度检测装置，是输出电压和特殊电动机转子角与一定的函数关系，首先，二次绕组转子，分别绕组和二次绕组之间的电磁耦合程度密切相关，转子角，使用旋转编码器的适用于所有场合，特别是在高温、寒冷、潮湿、高速度，振动高，旋转编码器不能正常工作。

图2.11旋转变压器示意图

旋转变压器的基本原理和普通变压器相似，所不同的是，原、副，普通变压器绕组是固定的，和输出电压和输入电压的比值是常数，旋转变压器的原边和副的相对位置改变转子的角位移，因此输出电压的大小与转子的角位移和改变，输出电压的幅值与转子角度成正弦、余弦和线性关系。

旋转变压器与其他编码器的区别在于，它输出的是模拟正弦和余弦信号，而不是方波脉冲信号。因此，在伺服系统中，要实现模拟信号到控制系统的数字信号的转换，需要某种接口电路，即解压数字转换器。旋转变压器是旋转变压器的另一个名字，因为旋转变压器输出正弦和余弦信号，这本质上是信号的正交分解形式。