闭环电机控制：旋转分解器及编码器介绍

作者：Rick Zarr，高速信号与数据路径技术专家

前言

您的电机是否以预期速度旋转？闭环电机控制系统会继续回答这个问题，因为只要有电机旋转的地方就会实施闭环系统，这是一个趋势。无论终端系统是汽车（采用电脑控制转向的辅助平行泊车），是人造卫星（调整卫星角度以锁定特定信号），还是工厂机械（取放机器），位置反馈传感器都是总体电机控制系统中的固有元件。电机控制种类多种，本文将讨论两种围绕位置传感器实施模拟信号链的控制方案：分解器和编码器。

分解器

在讨论分解器信号链解决方案之前，首先考虑它的基本工作原理，如图 1 所示。分解器（这里是一个发送器单元）由三个不同的线圈绕组构成，即参考、正弦(SIN) 和余弦 (COS) 绕组。参考绕组是一次绕组，其可通过称之为旋转变压器的变压器，由应用于该变压器一次侧的 AC 电压励磁。旋转变压器随后将电压发送至变压器的二次侧，因此无需电刷或套环。这样可提升分解器的整体可靠性和稳定性。



参考绕组安装在电机轴上。在电机旋转时，SIN 和COS 绕组的电压输出会随轴位置发生变化。SIN 和COS 绕组安装角度相对于该轴相互相差 90 °。参考绕组旋转时，参考绕组与 SIN/COS 绕组之间的角度差会发生变化，可表示为θ旋转角或图 1 中的θ。在SIN 和 COS 绕组上感应到的电压等于参考电压乘以SIN 绕组和 COS 绕组的θ角。

感应到的输出电压波形如图 2 所示。图中显示了 SIN 和 COS 绕组除以参考电压的规范化电压输出信号。传统参考电压通常介于 1 至 26V 之间，而输出频率范围则是 800Hz 至 5 kHz。



现在可以确定对适当信号链器件的要求。信号链必须为双极性，因为信号会摆动至接地以下（图 2）。它必须同时对两个通道进行采样，转换高达 5kHz 的信号，并针对分解器为参考绕组提供 AC 电压。最佳的解决方案是为两个通道各实施一个Δ-Σ调制器。Δ-Σ调制器可在极高频率（在 10 至 20MHz 范围）下进行采样，因此经Δ-Σ调制后的输出要进行平衡和滤波后才可获得可接受的分辨率。

在提供参考电压或 AC 励磁电源时，首选方法是将脉宽调制 (PWM) 信号直接应用于分解器。德州仪器(TI) 针对这种实施方案提供了一种推荐解决方案。数据转换器（例如 ADS1205 或 ADS1209）是Δ-Σ调制器的首选，因为这两个器件都能直接连接分解器的SIN 与 COS 绕组。此外，数据转换器还可连接四通道 sinc 滤波器／积分器，为参考绕组实现 PWM 信号发生器输出，例如 AMC1210 。最后还需要一个数字信号处理器(DSP) 或实时控制器来处理除电机控制系统外的各种信号。这里可选用TI 基于C28x 的C2000. Piccolo. F2806x 微控制器。图 3 是一个-典型的信号链解决方案。



总之，分解器是一款非常稳定的控制系统位置传感器，不仅支持高精度，而且还可提供很长的使用寿命。分解器的缺点是其最大旋转速度。由于分解器信号频率通常小于 5kHz，因此电机速度需要小于5,000 转每分钟。

编码器

与分解器的情况类似，在讨论信号链实施方案之前，首先要了解编码器的物理及信号输出特性。编码器通常有两种：线性与旋转。线性编码器用于只按一个维度或方向运动的方案，可将线性位置转换为电子信号，通常与致动器配合使用。旋转编码器用于围绕轴心运动的方案，可将旋转位置或角度转化为电子信号。由于旋转编码器与电机一起使用（电机围绕轴心-旋转），因此本文不涉及线性编码器。

要理解旋转编码器的原理，首先要考虑基本的光学旋转编码器。光学编码器具有支持特定模式的磁盘，安装在电机轴上。磁盘上的模式既可阻止光，也可允许光通过。因此，还需要使用一个发光发送器和一个光电接收器。接收器的信号输出能够与电机的旋转位置相关联。

常见的旋转编码器有三种：绝对位置值、增量 TTL 信号以及增量正弦信号。对于绝对位置值旋转编码器而言，磁盘上的模式可根据其位置分成非常具体的模式。例如，如果绝对位置编码器具有 3 位输出，那么它就将具有平均分布的八个不同模式（图 4）。这是在磁盘上而且是平均分布的，因此每个模式的间距是360°/8 = 45°。现在，对于3 位绝对位置值旋转编码器而言，可以判断 45°范围内的旋转电机位置。



绝对位置值旋转编码器的输出已针对数字接口进行了优化，因此不需要模拟信号链。

对于增量 TTL 旋转编码器而言，磁盘上的模式输出数字高或数字低，即 TTL 信号。如图 5 所示，TTL 输出磁盘的模式与绝对位置值旋转编码器相比比较简单，因为它只需表现数字高或数字低。除了 TTL 信号外，还有一个对于确定电机当前旋转位置很重要的参考标记。可将参考标记视作 0°角度。因此，对数字脉冲进行简单计数即可确定电机的确切旋转位置。



图 5 显示了电机轴一次旋转中的多个周期。编码器制造商可提供每转 50 至 5,000 个周期的增量 TTL 旋转编码器（和增量正弦旋转编码器）。与绝对位置值旋转编码器一样，输出已经是数字格式，因此不需要模拟信号链。

对于增量正弦旋转编码器而言，输出和磁盘模式与TTL 信号编码器非常相似。顾名思义，其输出不是数字输出，而是正弦波输出。实际上，它具有正弦及余弦输出以及参考标记信号，如图 6 所示。这些输出都是模拟信号，因此需要模拟信号链解决方案。



与增量 TTL 输出类似，在一次旋转中有多个信号周期。例如，选择单次旋转有 4,096 个周期的编码器连接以6,000 转每分钟的速度旋转的电机，所得的正弦和余弦信号频率计算如下。



本实例中的=信号链解决方案需=要具备至少 410kHz 的带宽。由于这是闭环控制系统，因此必须将时延控制在最小范围内或者完全消除。通常，编码器输出为1Vp-p，而且正弦和余弦输出是差分信号。

对模拟信号链解决方案的典型要求是：
. 两个同时采样的模数转换器(ADCs)：一个用于正弦波输出，一个用于余弦波输出。
. 无系统时延：需要 400kHz 以上的带宽，因此
· ADC 必须最少能处理每通道 800 kSPS 的速率。
· 支持 1V 左右满量程的 1-Vp-p 差分输入可优化ADC 的满量程范围或 ADC 满量程范围的输入信号放大。
· 一个参考标记信号比较器。

TI 的最佳解决方案是 ADS7854 系列逐次逼近寄存器(SAR) ADCs（图 7）。这种 SAR-ADC 具有两个同步采样通道、一个内部参考和 1-MSPS 的每通道输出数据速率，可满足特定需求。它与比较器及全差分放大器联用，可驱动 ADC。



ADS7854 是一个= 14 位 ADC，如果正弦增量旋转编码器在单次旋转中具有 4,096 个周期，那么测量步进的总数可通过以下方式计算。



这样可在实施该方案时为设计人员提供 26 位的分辨率，或不足 5.36 × 10–6 度的旋转位置误差精度。