編碼器技術(shù)以及“無傳感器”電機(jī)設(shè)計(jì)資料下載

作者：貿(mào)澤電子 Bill Schweber 在很多電機(jī)應(yīng)用中，軸位置、方向以及速度都是關(guān)鍵信息。設(shè)計(jì)工程師可以選擇軸位編碼器，以實(shí)時(shí)提供這些關(guān)鍵信息。 在多數(shù)運(yùn)動(dòng)和電機(jī)控制設(shè)計(jì)中，電機(jī)軸的位置、方向和??度都是關(guān)鍵信息。對于無刷直流 (BLDC) 電機(jī)而言更是如此，此類電機(jī)具有優(yōu)異的效率和可控性，應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，但其需要系統(tǒng)控制器準(zhǔn)確的“知道”應(yīng)在何時(shí)激勵(lì)和去激勵(lì)電機(jī)線圈以維持正常旋轉(zhuǎn)。 軸位編碼器可用來實(shí)???確定電機(jī)參數(shù)。此類編碼器是一種機(jī)電元件，可將軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電信號，再將電信號反饋到電機(jī)控制器形成閉環(huán)回路。系統(tǒng)就是通過這種方式控制電機(jī)軸的位置、速度、速度曲線和轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還能監(jiān)控停轉(zhuǎn)或其他故障。在確定了電機(jī)軸的位置和方向后，此元件可通過模擬電路或數(shù)字過程確定電機(jī)軸的速度，甚至是加速度。（請注意，速度是位置對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，而加速度是速度對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)）。有些場合，會(huì)將編碼器安裝在遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置處，這樣便會(huì)產(chǎn)生一系列敏感性問題，如背隙、濺液、彎曲及其他需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的機(jī)械類問題。 雖然檢測電機(jī)位置是一個(gè)比較簡單的概念，但在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些難題（從適度的擺動(dòng)到啟動(dòng)/停止操作的影響），這是因?yàn)槎鄶?shù)電機(jī)的操作環(huán)境比較惡劣所致。而且，用戶對于精度、分辨率、牢固性及成本的要求也各不相同。 請注意，并不是所有的電機(jī)都需要編碼器。在洗衣機(jī)滾筒等對位置或速度精度要求不高的場合，可使用“無傳感器”電機(jī)控制。 編碼器技術(shù)之權(quán)衡 為滿足上述各類需求，通?？刹捎没?a target='_blank' class='arckwlink_none'>光學(xué)式、磁式（也稱為旋轉(zhuǎn)）和電容式原理的三類編碼器技術(shù)。這三類都是非接觸式器件，因此也就消除了較簡單的接觸式有刷編碼器可能會(huì)發(fā)生的摩擦或磨損問題。 分辨率是需要注意的主要編碼器參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)編碼器的分辨率為48 - 2,048ppr，雖然較高的ppr值能提供更高的精度，但需要的編碼器也更貴，從而將加重閉環(huán)回路的系統(tǒng)控制器或數(shù)字處理器的計(jì)算和處理負(fù)擔(dān)。與所有高分辨率器件一樣，由于軸位中有噪聲、振動(dòng)或抖動(dòng)，過高的精度可能會(huì)產(chǎn)生不利的影響。編碼器輸出進(jìn)入電路，進(jìn)而將原始信號轉(zhuǎn)換為有用的格式和數(shù)據(jù)，之后再送入系統(tǒng)控制器。在有些場合，轉(zhuǎn)換是由系統(tǒng)控制器本身完成的。 光電編碼器采用玻璃或塑料圓盤（“碼盤”），周邊有兩組缺口。LED光源和光檢測器位于碼盤的相對面。當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，透光/不透光缺口形成脈沖，指示旋轉(zhuǎn)位置和方向。光電編碼器通常需要一個(gè)20到40 mA的低壓直流電源。 有些光電編碼器只有光學(xué)部分，而由用戶提供實(shí)際的碼盤；也有一些供應(yīng)商將碼盤作為選件提供，較大的碼盤便于實(shí)現(xiàn)較高的分辨率。編碼器與碼盤在安裝布局和對齊時(shí)需要特別小心，碼盤的中心孔必須調(diào)整為適合電機(jī)軸的尺寸。 Avago Technologies的三通道光學(xué)增量編碼器模塊 HEDS-9040與HEDS-9140系列為具有可選碼盤的編碼器。每個(gè)模塊都配備了一個(gè)帶透鏡的LED光源以及采用小型塑料封裝的檢測器IC，其兼容TTL的輸出可支持高達(dá)2000 ppr的分辨率。 圖1:Avago TechnologiesHEDS-9040/9140系列三通道光電編碼器可支持高達(dá)2000 ppr的分辨率，供應(yīng)商也提供了一系列不同尺寸的可選碼盤，以提高讀數(shù)分辨率。 除了兩個(gè)輸出通道，此類編碼器還擁有一個(gè)用于索引的通道，編碼器每轉(zhuǎn)一周，此通道便會(huì)輸出一個(gè)脈沖。在某些應(yīng)用中，需要使用索引將電機(jī)軸位置與已知起點(diǎn)對齊，但也可能需要在操作過程中機(jī)械對齊編碼器與軸，具體取決于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。圖2所示為HEDS-9040/9140編碼器的內(nèi)部電學(xué)部分，包括LED、透鏡、光電二極管和輸出比較器以及插值碼盤。 圖2: HEDS-9040/9140光電編碼器內(nèi)含單個(gè)LED、多個(gè)光電晶體管和“調(diào)節(jié)”光電晶體管輸出信號的電路；碼盤放置在LED和光電晶體管之間。 Avago同時(shí)推出了AEDR-850x反射編碼器，其碼盤采用反射缺口，而不是透射缺口，同時(shí)由于LED光源和光電檢測器位于碼盤的同一側(cè)，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)更薄的設(shè)計(jì)。但需要降低最大分辨率，對于多數(shù)應(yīng)用而言，這種限制并不會(huì)造成任何問題。此類編碼器采用尺寸僅3.95 (L) × 3.4(W) × 0.9562 mm (H)的表面貼裝無引線封裝形式，非常適合對尺寸和空間有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。 圖3:對于更薄的光電編碼器解決方案，由帶反射缺口的碼盤取代了帶透射缺口的碼盤，比如Avago的AEDR-850x；將光源和接收器放置在同一側(cè)，使得編碼器厚度低于1mm。（來源：Avago Technologies） 光電編碼器隨被廣泛使用且相當(dāng)成功，但也需要滿足應(yīng)用的嚴(yán)格要求。安裝環(huán)境中通常會(huì)充斥著污垢、油污及其他污染物，這些都可能會(huì)干擾碼盤、缺口以及編碼器輸出。此外，LED亮度會(huì)在10,000到20,000小時(shí)（大約1到2年）內(nèi)減少一半，最終熄滅。有些光電編碼器采用塑料碼盤以求降低成本，但這類碼盤在高溫環(huán)境下可能會(huì)變形（這是很多工業(yè)電機(jī)安裝時(shí)常見的現(xiàn)象），因此可能需要使用成本更高且更易碎的玻璃碼盤。但無論如何，光電編碼器的小尺寸、低成本以及眾多的供應(yīng)商和型號，使其成為設(shè)計(jì)人員的首選。 電磁或旋轉(zhuǎn)編碼器采用一對特殊的類變壓器繞組，其初級繞組位于軸上，次級繞組為周圍的接收繞組。此類編碼采用正弦波激勵(lì)初級繞組，以在次級側(cè)產(chǎn)生正弦輸出，所得輸出將根據(jù)初級側(cè)波形進(jìn)行解調(diào)。兩個(gè)波形間的相位差表示軸相對于固定繞組的位置。Ams的AS5145 12位可編程磁旋轉(zhuǎn)編碼器就是這類非接觸式磁性編碼器，作為一款片上系統(tǒng)，它在單顆器件內(nèi)整合了集成霍爾元件、模擬前端及數(shù)字信號處理功能，同時(shí)還配備了可用的評估/演示板。 圖4: ams的AS5145 12位可編程磁旋轉(zhuǎn)編碼器為一款片上系統(tǒng) (SoC) 作為基本變壓器繞組，采用這類設(shè)計(jì)的編碼器堅(jiān)固耐用、可靠，并且可以在寬溫范圍內(nèi)保持一致性，但它需要激勵(lì)和解調(diào)電路，因此需要的電源要高于光電編碼器。而且相對于光電編碼器，此類編碼器的成本和尺寸相對來說也更高、更大，安裝時(shí)也必須要考慮需要容納兩組繞組。但從另一方面來說，這類編碼器是“完整”的，不需要單獨(dú)提供碼盤或類似的配件。 第三種類型是電容編碼器，采用了標(biāo)準(zhǔn)線性位置編碼器的電容感應(yīng)工作原理，這是30多年前為游標(biāo)卡尺而開發(fā)的。電容編碼器采用桿狀或線狀形式，一個(gè)位于固定元件上，另一個(gè)位于活動(dòng)元件上，構(gòu)成配置為發(fā)射器/接收器對的可變電容。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器中的ASIC電路會(huì)對線條變化進(jìn)行計(jì)數(shù)，還會(huì)進(jìn)行插值運(yùn)算以確定編碼器位置和旋轉(zhuǎn)方向。這種技術(shù)不會(huì)受到灰塵、污垢或溫度的影響，也沒有LED變暗或熄滅問題，而且工作電流低于10 mA。 除了光電、磁性和電容編碼器之外，霍爾效應(yīng)傳感器也可用于軸位編碼。雖然霍爾效應(yīng)傳感器高效且可靠，但是它們通常僅適用于以相對低的精度/分辨率確定軸位置的場合，例如指示傳動(dòng)軸上的齒輪道。 編碼器輸出及方向的確定 前面提到的所有編碼器均為增量式編碼器，也就意味著它們指示的是軸的相對位置，而非絕對位置。因此，“上電”時(shí)，系統(tǒng)并不知道軸的角度或位置，此時(shí)可采用另一種方法——絕對式編碼器，一種在上電后即可確定角度的復(fù)雜元件。絕對式編碼器更適用于不需要旋轉(zhuǎn)一整圈及以上的軸，例如用于確定經(jīng)緯儀傾角的儀器支座。但是，這些都不是常規(guī)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情形，即便是這些儀器，除了可以使用絕對式編碼器之外，也可以選擇低成本MEMS加速度計(jì)。 然而幸運(yùn)的是，光電編碼器供應(yīng)商對編碼器輸出信號格式建立了標(biāo)準(zhǔn)，降低了技術(shù)選擇難度。此類編碼器的“原始”輸出為初級或同步信號（通常稱為A信號）和偏離初級信號的正交(90?)信號（通常稱為B信號）。 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相超前B相90?，在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，B相則超前 A相90?。因此，通過檢測兩個(gè)信號以及它們的相對相位，即可確定旋轉(zhuǎn)方向。編碼器的相關(guān)元件會(huì)產(chǎn)生“向上計(jì)數(shù)”或“向下計(jì)數(shù)”脈沖，而系統(tǒng)控制器可通過這個(gè)脈沖確定相對位置、速度，甚至是加速度（后者更需要實(shí)時(shí)處理，并且可能對信號抖動(dòng)比較敏感）。 圖5: 光電編碼器生成兩個(gè)正交信號；通過觀察相對相位差，系統(tǒng)即可確定旋轉(zhuǎn)方向。上圖中未顯示索引脈沖（如果有的話）（來源：Robotoid, RobotBuilder’s Bonanza, 4th Edition - Application Notes & Bonus Projects;released under Creative Commons 3.0 SA License） 在過去可能會(huì)采用絕對式編碼的電機(jī)軸位傳感設(shè)計(jì)，開始逐漸采用具有第三索引通道的增量式編碼器，以根據(jù)需要時(shí)在上電時(shí)確定軸的位置。這是因?yàn)橹绬?dòng)時(shí)的絕對位置，對于很多應(yīng)用來說并不重要，而相對位置與運(yùn)動(dòng)信息才是重要指標(biāo)，所以使用每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖的索引通道就已足夠。 如果編碼器的基本輸出A和B以及索引信號采用統(tǒng)一的格式，將根據(jù)具體編碼器型號以不同的級別和兼容性表示這些信號。用戶可選擇TTL、CMOS、單端和差分A和B以及索引信號，以滿足連接編碼器輸出的電路的接口要求。多數(shù)供應(yīng)商推出的一些編碼器都可以選擇接口，因此用戶可以首先挑選具有所需編碼性能的單元，再選擇合適的電氣接口。 無傳感器的設(shè)計(jì) 有些應(yīng)用不需要編碼器來指示軸位置，這些“無傳感器”電機(jī)通過多種算法控制，其中包括場定向控制（FOC，也稱為矢量控制）。 雖然無傳感器方法在BOM內(nèi)容、成本、空間上具有一定的吸引力，但該方法仍然有一些缺點(diǎn)：不像基于傳感器的設(shè)計(jì)那樣精確；可能在扭矩范圍內(nèi)的某些點(diǎn)上存在控制問題，這種情況下需要能夠預(yù)知并采用控制器和控制算法；可能需要系統(tǒng)處理器執(zhí)行大量的計(jì)算。因此，這類傳感器主要用于對軸位置和速度的精度及一致性要求不高的應(yīng)用中，例如消費(fèi)類電器（洗衣機(jī)和烘干機(jī)）、無法容納編碼器的設(shè)計(jì)，或者編碼器是造成任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用故障的另一個(gè)因素的情形。但是，對于工業(yè)和儀器儀表安裝場合而言，無傳感器設(shè)計(jì)通常不是切實(shí)可行的解決方案，而是應(yīng)當(dāng)選擇并使用非?？煽康木幋a器。 (mbbeetchina)