旋轉(zhuǎn)編碼器和PSoC在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

無論是小到手持設(shè)備還是大到機(jī)械機(jī)床，在當(dāng)今的嵌入式和工業(yè)應(yīng)用中，控制系統(tǒng)的基本要素仍然占據(jù)著舉足輕重的地位。大多數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)都采用負(fù)反饋機(jī)制來控制物理參數(shù)，如位置、速度、扭矩、電壓、電流以及強(qiáng)度等。在此，需要控制的參數(shù)均由適當(dāng)?shù)淖儞Q器進(jìn)行感測，之后再反饋回輸入與參考值進(jìn)行比較。將經(jīng)采樣的輸出信號(hào)與參考輸入相減，即是所謂的負(fù)反饋。差異信號(hào)（“誤差”）放大后會(huì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（激勵(lì)），讓輸出接近參考值。換言之，系統(tǒng)可最小化誤差信號(hào)，因而是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)。電子機(jī)械系統(tǒng)在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中占絕大多數(shù)，而電機(jī)控制則是一種常見的應(yīng)用。

圖1：控制電機(jī)速度的閉環(huán)系統(tǒng)

一般說來，可將電機(jī)控制系統(tǒng)分為各種不同的子系統(tǒng)，如速度、位置或方向控制系統(tǒng)等。我們首先看一下構(gòu)造簡單的速度控制系統(tǒng)，其電機(jī)采用常量電壓（V）。在默認(rèn)情況下，電機(jī)在特定的供電電壓（V）下具有特定的轉(zhuǎn)速（x）。如果向電機(jī)施加相同電壓（V）的負(fù)載，那么其轉(zhuǎn)速可能下降（y）。這樣，我們就不能控制電機(jī)的速度，也就是說不能確保轉(zhuǎn)速不受任何外部因素的影響。這是一種開環(huán)系統(tǒng)，因而我們要采取一定的反饋機(jī)制，以便能感應(yīng)電機(jī)的速度并對(duì)有關(guān)因素進(jìn)行補(bǔ)償。

圖1顯示了閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)。這里，運(yùn)動(dòng)控制器將來自反饋系統(tǒng)的信號(hào)與實(shí)際輸入進(jìn)行比較，以獲得誤差信號(hào)，然后將其放大后提供給電機(jī)。在此系統(tǒng)中，向電機(jī)饋送校正因數(shù)的“運(yùn)動(dòng)控制器”和“放大器”模塊可一起由混合信號(hào)控制器實(shí)現(xiàn)，而光學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器則作為傳感器，因?yàn)槲覀兡芡ㄟ^控制器輕松對(duì)該組件的輸出信號(hào)進(jìn)行解碼。下文將對(duì)上述各個(gè)系統(tǒng)的模塊做進(jìn)一步地闡述。

DC和步進(jìn)電機(jī)簡介

電機(jī)就是可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備。下列給出了不同領(lǐng)域常用的一些電機(jī)類型：

（Ⅰ） DC電機(jī)：最簡單的DC電機(jī)就是在軸上加線圈繞組，固定永磁鐵（見圖2）。在將電壓（V）施加給線圈時(shí)，電流（i）通過線圈。由于已有磁場（B），會(huì)有力（F）作用在線圈上（弗萊明右手法則）使其轉(zhuǎn)動(dòng)。

一旦線圈達(dá)到永磁鐵的磁極之一，就會(huì)受到斥力并向另一磁極運(yùn)動(dòng)，從而形成持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，速度由所施加的DC電壓決定。

圖2：DC電機(jī)的工作原理

（Ⅱ） 步進(jìn)電機(jī)：永磁步進(jìn)電機(jī)由永磁轉(zhuǎn)子、線圈繞組和磁傳導(dǎo)定子組成。

為線圈繞組施加電壓會(huì)產(chǎn)生電磁場，出現(xiàn)南北極。定子承載著磁場。通過順序通電或“步進(jìn)”定子線圈，能改變磁場，進(jìn)而生成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖2描述了雙相電機(jī)的工作情況。在第一步中，為雙相定子的A相施加電壓，就會(huì)將轉(zhuǎn)子磁鎖在如圖所示的位置，這是因?yàn)楫愋韵辔?；在第二步中，關(guān)閉A相打開B相，讓轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度；在第三步中，B相打開，極性與第一步相反，又產(chǎn)生90度旋轉(zhuǎn)；在第四步中，A相關(guān)閉，B相打開，極性與第二步相反。重復(fù)上述序列會(huì)讓轉(zhuǎn)子每次以90度步進(jìn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

在步進(jìn)電機(jī)中，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度取決于第一步到第四步的執(zhí)行速度。

圖3：步進(jìn)電機(jī)的工作原理

旋轉(zhuǎn)編碼器簡介及其分類

電機(jī)控制系統(tǒng)的下一個(gè)部分就是能感應(yīng)電機(jī)狀態(tài)并將狀態(tài)饋送回控制器的反饋傳感器。如前所述，旋轉(zhuǎn)編碼器可發(fā)揮反饋傳感器的作用。

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種非常簡單的電磁器件，其能為軸上的每一步旋轉(zhuǎn)生成適當(dāng)?shù)拿}沖?？蓪⑵錃w為兩類：絕對(duì)編碼器和增量編碼器。

（Ⅰ） 絕對(duì)編碼器

絕對(duì)編碼器可為電機(jī)軸的每個(gè)位置提供固定輸出。例如，如果編碼器能檢測0度（固定）、45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度角的軸位置（共8個(gè)位置 － 45度的分辨率），則可為每個(gè)位置分配一個(gè)3位值，如從000到111。

（Ⅱ） 增量編碼器

就增量編碼器而言，僅能確定電機(jī)的相對(duì)位置（即僅能確定相對(duì)于上一個(gè)位置的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度）。增量編碼器給出A和B兩個(gè)信號(hào)，它們?cè)诓晦D(zhuǎn)動(dòng)的情況下都具有默認(rèn)值，假設(shè)為邏輯0和邏輯1。在軸上出現(xiàn)較小角度的旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)A和B都會(huì)在短時(shí)期內(nèi)轉(zhuǎn)換為其它邏輯，隨后又返回默認(rèn)值。根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向，A會(huì)轉(zhuǎn)到B或B會(huì)轉(zhuǎn)到A。對(duì)于每次這種旋轉(zhuǎn)來說，信號(hào)A和B都會(huì)發(fā)生這種轉(zhuǎn)變。圖4同時(shí)給出了順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)情況下信號(hào)A和B的轉(zhuǎn)變情況。

圖4：信號(hào)A和B的轉(zhuǎn)變

此外，旋轉(zhuǎn)編碼器還可根據(jù)使用的工作原理做進(jìn)一步細(xì)分，包括：

（Ⅰ） 機(jī)械編碼器：相繼趨近接觸金屬接地（邏輯0）時(shí)信號(hào)A和B發(fā)生轉(zhuǎn)變；

（Ⅱ） 磁性編碼器：轉(zhuǎn)子隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在此情況下南北兩極間距一致且互變。傳感器根據(jù)通量線路的方向檢測位置的微量偏移和轉(zhuǎn)動(dòng)方向；

（Ⅲ） 光學(xué)編碼器：發(fā)光二極管的光束通過連接在軸上且有透明和不透明部分的圓盤。兩個(gè)光檢測器（傳感器A和B）檢測到光束，隨后生成正交相位脈沖A和B。

圖5顯示了機(jī)械編碼器示例。

圖5：機(jī)械旋轉(zhuǎn)編碼器

速度測量設(shè)備

目前，轉(zhuǎn)速表被廣泛用于測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速?？蓪㈦姍C(jī)的軸連接到類似于DC生成器的轉(zhuǎn)速表（即，用機(jī)械能生成電能）上，其輸出的DC電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。轉(zhuǎn)速表生成的電壓可用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步處理。

如今，眾多設(shè)計(jì)人員都紛紛轉(zhuǎn)而采用旋轉(zhuǎn)編碼器，每次轉(zhuǎn)動(dòng)生成數(shù)字輸出。另外，這不會(huì)像轉(zhuǎn)速表那樣出現(xiàn)磨損問題。將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出饋送給微控制器，就能直接監(jiān)控以旋轉(zhuǎn)編碼器作為傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖6：通過接口將旋轉(zhuǎn)編碼器與DC電機(jī)相連

運(yùn)動(dòng)控制器模塊

我們?cè)谙到y(tǒng)中需要一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器模塊來比較參考速度和實(shí)際速度，并將誤差信號(hào)饋送回電機(jī)。由于上述旋轉(zhuǎn)編碼器返回兩個(gè)正交相位信號(hào)A和B，我們需要實(shí)施可對(duì)信號(hào)解碼的邏輯，從而感應(yīng)電機(jī)的電流速度。通過計(jì)算傳感速度和實(shí)際速度之差，我們就能向電機(jī)饋送校正因數(shù)，從而獲得所需的速度。由于控制到電機(jī)的電源能控制其轉(zhuǎn)速，因而饋送的校正因數(shù)需要就給定的供電電壓實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾妷盒Ｕ?/p>

我們將在以下章節(jié)詳細(xì)介紹PSoC3/5作為運(yùn)動(dòng)控制器的速度控制應(yīng)用。PSoC是一種名符其實(shí)的可編程嵌入式片上系統(tǒng)，其在單顆芯片上高度集成了可配置的模擬與數(shù)字外設(shè)功能、存儲(chǔ)器和微控制器。其采用的極度靈活的視覺嵌入式設(shè)計(jì)方法包含預(yù)配置的用戶定義外設(shè)和層級(jí)原理圖條目等元素。其它特性還包括高精度可編程模擬模塊，如12到20位Δ-ΣADC、帶幾十種插入式外設(shè)的數(shù)字邏輯庫、業(yè)界最佳的電源管理以及適用于電機(jī)控制應(yīng)用的豐富連接資源等。

如何應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)編碼器

既然我們已經(jīng)了解了電機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器的使用和工作原理，下面我們將討論三種器件如何在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)彼此互連。如果我們要對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)進(jìn)行解碼并實(shí)施進(jìn)一步處理，那么通常情況下我們必須在正常的微控制器中采用中斷例程，并在中斷例程過程中避免執(zhí)行其它功能。若采用PSoC 3和5等可編程片上系統(tǒng)器件，微控制器就會(huì)有單獨(dú)的數(shù)字模塊/硬件模塊來解碼正交相位信號(hào)（A和B），并存儲(chǔ)電流計(jì)數(shù)值，即自動(dòng)遞增和遞減。

在反饋環(huán)路中，如果我們通過電機(jī)適配器將電機(jī)軸（速度待測）和旋轉(zhuǎn)編碼器的軸（這可能給電機(jī)造成負(fù)載）連接，那么編碼器軸的轉(zhuǎn)速就會(huì)與電機(jī)相同。編碼器的輸出可饋送給PSoC 3/5中的正交解碼器模塊做進(jìn)一步處理，從而全面實(shí)現(xiàn)典型的電機(jī)控制系統(tǒng)。

電機(jī)控制應(yīng)用示例

在與電機(jī)相關(guān)的應(yīng)用中，“測速”是常見的要求之一。如前所述，可在解碼器模塊中存儲(chǔ)電流計(jì)數(shù)值。由于電機(jī)的速度通常是根據(jù)每分鐘的旋轉(zhuǎn)次數(shù)來測量的，因而我們可通過每分鐘對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行測量來測得電機(jī)速度。例如，在每一分鐘后，我們都能重設(shè)計(jì)數(shù)值，也能使用計(jì)數(shù)值差額進(jìn)行計(jì)算。事實(shí)上，不用等待每分鐘都做計(jì)算，我們可測量每秒鐘的計(jì)數(shù)值并乘以60，但這種方法的準(zhǔn)確度會(huì)低于每分鐘測量到的情況。那么，電機(jī)的速度計(jì)算如下：

例如，我們假定步進(jìn)電機(jī)的速度需保持在6000rpm上。就開環(huán)系統(tǒng)而言，我們可讓控制器向步進(jìn)電機(jī)輸出方波信號(hào)，讓它保持一個(gè)方向的轉(zhuǎn)速為6000rpm。但是，如果我們?yōu)殡姍C(jī)添加負(fù)載，電機(jī)的速度就會(huì)低于它應(yīng)有的實(shí)際值，從而造成我們無法實(shí)現(xiàn)所需的速度，而且還沒辦法做出調(diào)整。

無論電機(jī)負(fù)載如何變化，為了確保電機(jī)的速度保持在特定值上，我們需要遵循閉環(huán)系統(tǒng)的原則。為了感測和反饋電流轉(zhuǎn)速，如前所述，我們采用旋轉(zhuǎn)編碼器。我們對(duì)編碼器的選擇取決于所需的轉(zhuǎn)速和速度準(zhǔn)確度。旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)通過使用PSoC Creator工具提供的正交解碼器模塊進(jìn)行編碼。

可將適合的時(shí)鐘頻率路由到正交解碼器模塊，具體取決于每分鐘的最大轉(zhuǎn)速。例如，如果最大轉(zhuǎn)速為9000rpm，那就相當(dāng)于每秒150轉(zhuǎn)。如果編碼器每次完成旋轉(zhuǎn)需要4個(gè)脈沖（編碼器特征），那么解碼器模塊所需的時(shí)鐘頻率就是150*4*10 = 6kHz（信號(hào)A和B頻率的10倍）。由于我們每秒鐘都要跟蹤計(jì)數(shù)值，因此我們能夠采用每秒鐘一次的中斷。在中斷服務(wù)例程中，我們能捕獲計(jì)數(shù)寄存器的值并將其清空（從而能測量下一秒的速度），并用方程式1計(jì)算電機(jī)的速度。

以下兩個(gè)案例中列出的電源適用于DC電機(jī)以及可對(duì)其進(jìn)行控制的邏輯。

案例一：DC電機(jī)還使用相同的PSoC 3/5通過電流緩沖驅(qū)動(dòng)

例如，DC電機(jī)規(guī)范要求在無負(fù)載條件下5V供電電壓的流耗為88mA，我們可通過如圖7所示的電流驅(qū)動(dòng)電路將PSoC 3/5輸出接口連接到DC電機(jī)。

在該例中，我們給出了常量DC供電電壓，電機(jī)全速轉(zhuǎn)動(dòng)，即9000rpm。現(xiàn)在光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器和電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，編碼器輸出采用PSoC 3/5中的解碼器測量。這時(shí)，微控制器檢測到9000rpm的轉(zhuǎn)速，并將其與所需值進(jìn)行比較（例如，所需值為6000rpm，也就是實(shí)際速度的三分之二）。那么校正響應(yīng)為-3000rpm，即當(dāng)前施加給電機(jī)的電壓應(yīng)減少三分之一。

圖7：通過PSoC驅(qū)動(dòng)的DC電機(jī)

我們可使用PWM來實(shí)施電壓差。通過改變PWM的占空比，可改變平均電壓。PSoC Creator提供拖放式PWM模塊。反饋至PWM模塊的時(shí)鐘頻率取決于應(yīng)用所需的速度分辨率。

這里：

這里所需的占空比為三分之二。每周期PWM模塊的平均輸出電壓為5*2/3 = 3.33V。PWM模塊的輸出提供給可連接至DC電機(jī)的電流驅(qū)動(dòng)電路。DC電機(jī)現(xiàn)在能實(shí)現(xiàn)6000rpm的所需轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器再次感測速度，檢測到6000rpm，并將其反饋回控制器?，F(xiàn)在的誤差因素為0。PWM保持此前的狀態(tài)且電機(jī)保持其速度。

假設(shè)向電機(jī)添加了負(fù)載。雖然占空比保持在2/3，但電機(jī)速度下降為5000rpm?，F(xiàn)在旋轉(zhuǎn)編碼器感測速度，并將誤差因數(shù)（即+1000rpm）饋送給控制器。PWM的占空比為1/9。通過函數(shù)將該因數(shù)寫入中斷中的PWM函數(shù)：

案例二：通過另一控制器為DC電機(jī)供電

如果通過另一個(gè)控制器為DC電機(jī)供電，那么PSoC控制器可用來通過I2C等接口將電機(jī)狀態(tài)饋送給另一個(gè)控制器。如果DC電機(jī)通過外部電池供電，那么如圖8所示的邏輯能夠輕松控制其速度?？蓪SoC的PWM輸出饋送給打開后能為電機(jī)供電的開關(guān)，電機(jī)采用特定占空比以便能如前所述滿足相同的標(biāo)準(zhǔn)。

圖8：通過外部電源（不是PSoC）供電的DC電機(jī)

定位控制等其它應(yīng)用：

對(duì)于定位控制等其它電機(jī)控制應(yīng)用而言，我們能采用絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器，因?yàn)槠淠芙o出電機(jī)的當(dāng)前位置。也可將這種輸出饋送回控制器，找出與實(shí)際信號(hào)的偏差，并通過短時(shí)期脈沖確保電機(jī)達(dá)到目標(biāo)位置。