閉環(huán)電機(jī)控制：旋轉(zhuǎn)分解器及編碼器介紹

 前言

您的電機(jī)是否以預(yù)期速度旋轉(zhuǎn)?閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)回答這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橹灰须姍C(jī)旋轉(zhuǎn)的地方就會(huì)實(shí)施閉環(huán)系統(tǒng)，這是一個(gè)趨勢(shì)。無(wú)論終端系統(tǒng)是汽車(chē)(采用電腦控制轉(zhuǎn)向的輔助平行泊車(chē))，是人造衛(wèi)星(調(diào)整衛(wèi)星角度以鎖定特定信號(hào))，還是工廠(chǎng)機(jī)械(取放機(jī)器)，位置反饋傳感器都是總體電機(jī)控制系統(tǒng)中的固有元件。電機(jī)控制種類(lèi)多種，本文將討論兩種圍繞位置傳感器實(shí)施模擬信號(hào)鏈的控制方案：分解器和編碼器。

分解器

在討論分解器信號(hào)鏈解決方案之前，首先考慮它的基本工作原理，如圖 1 所示。分解器(這里是一個(gè)發(fā)送器單元)由三個(gè)不同的線(xiàn)圈繞組構(gòu)成，即參考、正弦(SIN) 和余弦 (COS) 繞組。參考繞組是一次繞組，其可通過(guò)稱(chēng)之為旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓器，由應(yīng)用于該變壓器一次側(cè)的 AC 電壓勵(lì)磁。旋轉(zhuǎn)變壓器隨后將電壓發(fā)送至變壓器的二次側(cè)，因此無(wú)需電刷或套環(huán)。這樣可提升分解器的整體可靠性和穩(wěn)定性。

參考繞組安裝在電機(jī)軸上。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，SIN 和COS 繞組的電壓輸出會(huì)隨軸位置發(fā)生變化。SIN 和COS 繞組安裝角度相對(duì)于該軸相互相差 90 °。參考繞組旋轉(zhuǎn)時(shí)，參考繞組與 SIN/COS 繞組之間的角度差會(huì)發(fā)生變化，可表示為θ旋轉(zhuǎn)角或圖 1 中的θ。在SIN 和 COS 繞組上感應(yīng)到的電壓等于參考電壓乘以SIN 繞組和 COS 繞組的θ角。

感應(yīng)到的輸出電壓波形如圖 2 所示。圖中顯示了 SIN 和 COS 繞組除以參考電壓的規(guī)范化電壓輸出信號(hào)。傳統(tǒng)參考電壓通常介于 1 至 26V 之間，而輸出頻率范圍則是 800Hz 至 5 kHz。

現(xiàn)在可以確定對(duì)適當(dāng)信號(hào)鏈器件的要求。信號(hào)鏈必須為雙極性，因?yàn)樾盘?hào)會(huì)擺動(dòng)至接地以下(圖 2)。它必須同時(shí)對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換高達(dá) 5kHz 的信號(hào)，并針對(duì)分解器為參考繞組提供 AC 電壓。最佳的解決方案是為兩個(gè)通道各實(shí)施一個(gè)Δ-Σ調(diào)制器。Δ-Σ調(diào)制器可在極高頻率(在 10 至 20MHz 范圍)下進(jìn)行采樣，因此經(jīng)Δ-Σ調(diào)制后的輸出要進(jìn)行平衡和濾波后才可獲得可接受的分辨率。

在提供參考電壓或 AC 勵(lì)磁電源時(shí)，首選方法是將脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)直接應(yīng)用于分解器。德州儀器(TI) 針對(duì)這種實(shí)施方案提供了一種推薦解決方案。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(例如 ADS1205 或 ADS1209)是Δ-Σ調(diào)制器的首選，因?yàn)檫@兩個(gè)器件都能直接連接分解器的SIN 與 COS 繞組。此外，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器還可連接四通道 sinc 濾波器/積分器，為參考繞組實(shí)現(xiàn) PWM 信號(hào)發(fā)生器輸出，例如 AMC1210 。最后還需要一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 或?qū)崟r(shí)控制器來(lái)處理除電機(jī)控制系統(tǒng)外的各種信號(hào)。這里可選用TI 基于C28x 的C2000. Piccolo. F2806x 微控制器。圖 3 是一個(gè)-典型的信號(hào)鏈解決方案。

總之，分解器是一款非常穩(wěn)定的控制系統(tǒng)位置傳感器，不僅支持高精度，而且還可提供很長(zhǎng)的使用壽命。分解器的缺點(diǎn)是其最大旋轉(zhuǎn)速度。由于分解器信號(hào)頻率通常小于 5kHz，因此電機(jī)速度需要小于5,000 轉(zhuǎn)每分鐘。

編碼器

與分解器的情況類(lèi)似，在討論信號(hào)鏈實(shí)施方案之前，首先要了解編碼器的物理及信號(hào)輸出特性。編碼器通常有兩種：線(xiàn)性與旋轉(zhuǎn)。線(xiàn)性編碼器用于只按一個(gè)維度或方向運(yùn)動(dòng)的方案，可將線(xiàn)性位置轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，通常與致動(dòng)器配合使用。旋轉(zhuǎn)編碼器用于圍繞軸心運(yùn)動(dòng)的方案，可將旋轉(zhuǎn)位置或角度轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)。由于旋轉(zhuǎn)編碼器與電機(jī)一起使用(電機(jī)圍繞軸心-旋轉(zhuǎn))，因此本文不涉及線(xiàn)性編碼器。

要理解旋轉(zhuǎn)編碼器的原理，首先要考慮基本的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器。光學(xué)編碼器具有支持特定模式的磁盤(pán)，安裝在電機(jī)軸上。磁盤(pán)上的模式既可阻止光，也可允許光通過(guò)。因此，還需要使用一個(gè)發(fā)光發(fā)送器和一個(gè)光電接收器。接收器的信號(hào)輸出能夠與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置相關(guān)聯(lián)。

常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)編碼器有三種：絕對(duì)位置值、增量 TTL 信號(hào)以及增量正弦信號(hào)。對(duì)于絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器而言，磁盤(pán)上的模式可根據(jù)其位置分成非常具體的模式。例如，如果絕對(duì)位置編碼器具有 3 位輸出，那么它就將具有平均分布的八個(gè)不同模式(圖 4)。這是在磁盤(pán)上而且是平均分布的，因此每個(gè)模式的間距是360°/8 = 45°?，F(xiàn)在，對(duì)于3 位絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器而言，可以判斷 45°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)位置。

絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出已針對(duì)數(shù)字接口進(jìn)行了優(yōu)化，因此不需要模擬信號(hào)鏈。

對(duì)于增量 TTL 旋轉(zhuǎn)編碼器而言，磁盤(pán)上的模式輸出數(shù)字高或數(shù)字低，即 TTL 信號(hào)。如圖 5 所示，TTL 輸出磁盤(pán)的模式與絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器相比比較簡(jiǎn)單，因?yàn)樗恍璞憩F(xiàn)數(shù)字高或數(shù)字低。除了 TTL 信號(hào)外，還有一個(gè)對(duì)于確定電機(jī)當(dāng)前旋轉(zhuǎn)位置很重要的參考標(biāo)記。可將參考標(biāo)記視作 0°角度。因此，對(duì)數(shù)字脈沖進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)即可確定電機(jī)的確切旋轉(zhuǎn)位置。

圖 5 顯示了電機(jī)軸一次旋轉(zhuǎn)中的多個(gè)周期。編碼器制造商可提供每轉(zhuǎn) 50 至 5,000 個(gè)周期的增量 TTL 旋轉(zhuǎn)編碼器(和增量正弦旋轉(zhuǎn)編碼器)。與絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器一樣，輸出已經(jīng)是數(shù)字格式，因此不需要模擬信號(hào)鏈。

對(duì)于增量正弦旋轉(zhuǎn)編碼器而言，輸出和磁盤(pán)模式與TTL 信號(hào)編碼器非常相似。顧名思義，其輸出不是數(shù)字輸出，而是正弦波輸出。實(shí)際上，它具有正弦及余弦輸出以及參考標(biāo)記信號(hào)，如圖 6 所示。這些輸出都是模擬信號(hào)，因此需要模擬信號(hào)鏈解決方案。

與增量 TTL 輸出類(lèi)似，在一次旋轉(zhuǎn)中有多個(gè)信號(hào)周期。例如，選擇單次旋轉(zhuǎn)有 4,096 個(gè)周期的編碼器連接以6,000 轉(zhuǎn)每分鐘的速度旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，所得的正弦和余弦信號(hào)頻率計(jì)算如下。

本實(shí)例中的=信號(hào)鏈解決方案需=要具備至少 410kHz 的帶寬。由于這是閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此必須將時(shí)延控制在最小范圍內(nèi)或者完全消除。通常，編碼器輸出為1Vp-p，而且正弦和余弦輸出是差分信號(hào)。

對(duì)模擬信號(hào)鏈解決方案的典型要求是：

. 兩個(gè)同時(shí)采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs)：一個(gè)用于正弦波輸出，一個(gè)用于余弦波輸出。

. 無(wú)系統(tǒng)時(shí)延：需要 400kHz 以上的帶寬，因此

· ADC 必須最少能處理每通道 800 kSPS 的速率。

· 支持 1V 左右滿(mǎn)量程的 1-Vp-p 差分輸入可優(yōu)化ADC 的滿(mǎn)量程范圍或 ADC 滿(mǎn)量程范圍的輸入信號(hào)放大。

· 一個(gè)參考標(biāo)記信號(hào)比較器。

TI 的最佳解決方案是 ADS7854 系列逐次逼近寄存器(SAR) ADCs(圖 7)。這種 SAR-ADC 具有兩個(gè)同步采樣通道、一個(gè)內(nèi)部參考和 1-MSPS 的每通道輸出數(shù)據(jù)速率，可滿(mǎn)足特定需求。它與比較器及全差分放大器聯(lián)用，可驅(qū)動(dòng) ADC。

ADS7854 是一個(gè)= 14 位 ADC，如果正弦增量旋轉(zhuǎn)編碼器在單次旋轉(zhuǎn)中具有 4,096 個(gè)周期，那么測(cè)量步進(jìn)的總數(shù)可通過(guò)以下方式計(jì)算。

這樣可在實(shí)施該方案時(shí)為設(shè)計(jì)人員提供 26 位的分辨率，或不足 5.36 × 10–6 度的旋轉(zhuǎn)位置誤差精度。

結(jié)論

電機(jī)控制反饋路徑中的旋轉(zhuǎn)/位置傳感器有兩種常用實(shí)施方案：分解器和編碼器。我們從模擬信號(hào)鏈角度針對(duì)分解器或編碼器對(duì)幾個(gè)控制系統(tǒng)的反饋路徑和輸出信號(hào)特性進(jìn)行了評(píng)估，以確保信號(hào)完整性和最佳性能。