閉環電機控制：旋轉分解器及編碼器介紹

前言

您的電機是否以預期速度旋轉?閉環電機控制系統會繼續回答這個問題，因為只要有電機旋轉的地方就會實施閉環系統，這是一個趨勢。無論終端系統是汽車(采用電腦控制轉向的輔助平行泊車)，是人造衛星(調整衛星角度以鎖定特定信號)，還是工廠機械(取放機器)，位置反饋傳感器都是總體電機控制系統中的固有元件。電機控制種類多種，本文將討論兩種圍繞位置傳感器實施模擬信號鏈的控制方案：分解器和編碼器。

分解器

在討論分解器信號鏈解決方案之前，首先考慮它的基本工作原理，如圖 1 所示。分解器(這里是一個發送器單元)由三個不同的線圈繞組構成，即參考、正弦(SIN) 和余弦 (COS) 繞組。參考繞組是一次繞組，其可通過稱之為旋轉變壓器的變壓器，由應用于該變壓器一次側的 AC 電壓勵磁。旋轉變壓器隨后將電壓發送至變壓器的二次側，因此無需電刷或套環。這樣可提升分解器的整體可靠性和穩定性。

參考繞組安裝在電機軸上。在電機旋轉時，SIN 和COS 繞組的電壓輸出會隨軸位置發生變化。SIN 和COS 繞組安裝角度相對于該軸相互相差 90 °。參考繞組旋轉時，參考繞組與 SIN/COS 繞組之間的角度差會發生變化，可表示為θ旋轉角或圖 1 中的θ。在SIN 和 COS 繞組上感應到的電壓等于參考電壓乘以SIN 繞組和 COS 繞組的θ角。

感應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范化電壓輸出信號。傳統參考電壓通常介于 1 至 26V 之間，而輸出頻率范圍則是 800Hz 至 5 kHz。

現在可以確定對適當信號鏈器件的要求。信號鏈必須為雙極性，因為信號會擺動至接地以下(圖 2)。它必須同時對兩個通道進行采樣，轉換高達 5kHz 的信號，并針對分解器為參考繞組提供 AC 電壓。最佳的解決方案是為兩個通道各實施一個Δ-Σ調制器。Δ-Σ調制器可在極高頻率(在 10 至 20MHz 范圍)下進行采樣，因此經Δ-Σ調制后的輸出要進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 勵磁電源時，首選方法是將脈寬調制 (PWM) 信號直接應用于分解器。德州儀器(TI) 針對這種實施方案提供了一種推薦解決方案。數據轉換器(例如 ADS1205 或 ADS1209)是Δ-Σ調制器的首選，因為這兩個器件都能直接連接分解器的SIN 與 COS 繞組。此外，數據轉換器還可連接四通道 sinc 濾波器/積分器，為參考繞組實現 PWM 信號發生器輸出，例如 AMC1210 。最后還需要一個數字信號處理器(DSP) 或實時控制器來處理除電機控制系統外的各種信號。這里可選用TI 基于C28x 的C2000. Piccolo. F2806x 微控制器。圖 3 是一個-典型的信號鏈解決方案。

總之，分解器是一款非常穩定的控制系統位置傳感器，不僅支持高精度，而且還可提供很長的使用壽命。分解器的缺點是其最大旋轉速度。由于分解器信號頻率通常小于 5kHz，因此電機速度需要小于5,000 轉每分鐘。

編碼器

與分解器的情況類似，在討論信號鏈實施方案之前，首先要了解編碼器的物理及信號輸出特性。編碼器通常有兩種：線性與旋轉。線性編碼器用于只按一個維度或方向運動的方案，可將線性位置轉換為電子信號，通常與致動器配合使用。旋轉編碼器用于圍繞軸心運動的方案，可將旋轉位置或角度轉化為電子信號。由于旋轉編碼器與電機一起使用(電機圍繞軸心-旋轉)，因此本文不涉及線性編碼器。

要理解旋轉編碼器的原理，首先要考慮基本的光學旋轉編碼器。光學編碼器具有支持特定模式的磁盤，安裝在電機軸上。磁盤上的模式既可阻止光，也可允許光通過。因此，還需要使用一個發光發送器和一個光電接收器。接收器的信號輸出能夠與電機的旋轉位置相關聯。

常見的旋轉編碼器有三種：絕對位置值、增量 TTL 信號以及增量正弦信號。對于絕對位置值旋轉編碼器而言，磁盤上的模式可根據其位置分成非常具體的模式。例如，如果絕對位置編碼器具有 3 位輸出，那么它就將具有平均分布的八個不同模式(圖 4)。這是在磁盤上而且是平均分布的，因此每個模式的間距是360°/8 = 45°。現在，對于3 位絕對位置值旋轉編碼器而言，可以判斷 45°范圍內的旋轉電機位置。

絕對位置值旋轉編碼器的輸出已針對數字接口進行了優化，因此不需要模擬信號鏈。

對于增量 TTL 旋轉編碼器而言，磁盤上的模式輸出數字高或數字低，即 TTL 信號。如圖 5 所示，TTL 輸出磁盤的模式與絕對位置值旋轉編碼器相比比較簡單，因為它只需表現數字高或數字低。除了 TTL 信號外，還有一個對于確定電機當前旋轉位置很重要的參考標記。可將參考標記視作 0°角度。因此，對數字脈沖進行簡單計數即可確定電機的確切旋轉位置。

圖 5 顯示了電機軸一次旋轉中的多個周期。編碼器制造商可提供每轉 50 至 5,000 個周期的增量 TTL 旋轉編碼器(和增量正弦旋轉編碼器)。與絕對位置值旋轉編碼器一樣，輸出已經是數字格式，因此不需要模擬信號鏈。

對于增量正弦旋轉編碼器而言，輸出和磁盤模式與TTL 信號編碼器非常相似。顧名思義，其輸出不是數字輸出，而是正弦波輸出。實際上，它具有正弦及余弦輸出以及參考標記信號，如圖 6 所示。這些輸出都是模擬信號，因此需要模擬信號鏈解決方案。

與增量 TTL 輸出類似，在一次旋轉中有多個信號周期。例如，選擇單次旋轉有 4,096 個周期的編碼器連接以6,000 轉每分鐘的速度旋轉的電機，所得的正弦和余弦信號頻率計算如下。

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

對模擬信號鏈解決方案的典型要求是：

. 兩個同時采樣的模數轉換器(ADCs)：一個用于正弦波輸出，一個用于余弦波輸出。

. 無系統時延：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 左右滿量程的 1-Vp-p 差分輸入可優化ADC 的滿量程范圍或 ADC 滿量程范圍的輸入信號放大。

· 一個參考標記信號比較器。

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 具有兩個同步采樣通道、一個內部參考和 1-MSPS 的每通道輸出數據速率，可滿足特定需求。它與比較器及全差分放大器聯用，可驅動 ADC。

ADS7854 是一個= 14 位 ADC，如果正弦增量旋轉編碼器在單次旋轉中具有 4,096 個周期，那么測量步進的總數可通過以下方式計算。

這樣可在實施該方案時為設計人員提供 26 位的分辨率，或不足 5.36 × 10–6 度的旋轉位置誤差精度。

結論

電機控制反饋路徑中的旋轉/位置傳感器有兩種常用實施方案：分解器和編碼器。我們從模擬信號鏈角度針對分解器或編碼器對幾個控制系統的反饋路徑和輸出信號特性進行了評估，以確保信號完整性和最佳性能。