前言

您的電機是否以預(yù)期速度旋轉(zhuǎn)?閉環(huán)電機控制系統(tǒng)會繼續(xù)回答這個問題，因為只要有電機旋轉(zhuǎn)的地方就會實施閉環(huán)系統(tǒng)，這是一個趨勢。無論終端系統(tǒng)是汽車(采用電腦控制轉(zhuǎn)向的輔助平行泊車)，是人造衛(wèi)星(調(diào)整衛(wèi)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(tǒng)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(fā)送器單元)由三個不同的線圈繞組構(gòu)成，即參考、正弦(SIN) 和余弦 (COS) 繞組。參考繞組是一次繞組，其可通過稱之為旋轉(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軸上。在電機旋轉(zhuǎn)時，SIN 和COS 繞組的電壓輸出會隨軸位置發(fā)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(zhuǎn)時，參考繞組與 SIN/COS 繞組之間的角度差會發(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。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)在可以確定對適當(dāng)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(zhuǎn)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(diào)制器。Δ-Σ調(diào)制器可在極高頻率(在 10 至 20MHz 范圍)下進行采樣，因此經(jīng)Δ-Σ調(diào)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(diào)制 (PWM) 信號直接應(yīng)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(例如 ADS1205 或 ADS1209)是Δ-Σ調(diào)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器還可連接四通道 sinc 濾波器/積分器，為參考繞組實現(xiàn) PWM 信號發(fā)生器輸出，例如 AMC1210 。最后還需要一個數(shù)字信號處理器(DSP) 或?qū)崟r控制器來處理除電機控制系統(tǒng)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(wěn)定的控制系統(tǒng)位置傳感器，不僅支持高精度，而且還可提供很長的使用壽命。分解器的缺點是其最大旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)。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(zhuǎn)換為電子信號，通常與致動器配合使用。旋轉(zhuǎn)編碼器用于圍繞軸心運動的方案，可將旋轉(zhuǎn)位置或角度轉(zhuǎn)化為電子信號。由于旋轉(zhuǎn)編碼器與電機一起使用(電機圍繞軸心-旋轉(zhuǎn))，因此本文不涉及線性編碼器。

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，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(fā)光發(fā)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(zhuǎn)位置相關(guān)聯(lián)。

常見的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)編碼器而言，磁盤上的模式可根據(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°?，F(xiàn)在，對于3 位絕對位置值旋轉(zhuǎn)編碼器而言，可以判斷 45°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電機位置。

絕對位置值旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出已針對數(shù)字接口進行了優(yōu)化，因此不需要模擬信號鏈。

對于增量 TTL 旋轉(zhuǎn)編碼器而言，磁盤上的模式輸出數(shù)字高或數(shù)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(zhuǎn)編碼器相比比較簡單，因為它只需表現(xiàn)數(shù)字高或數(shù)字低。除了 TTL 信號外，還有一個對于確定電機當(dāng)前旋轉(zhuǎn)位置很重要的參考標(biāo)記?？蓪⒖紭?biāo)記視作 0°角度。因此，對數(shù)字脈沖進行簡單計數(shù)即可確定電機的確切旋轉(zhuǎn)位置。

圖 5 顯示了電機軸一次旋轉(zhuǎn)中的多個周期。編碼器制造商可提供每轉(zhuǎn) 50 至 5,000 個周期的增量 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鏈。

對于增量正弦旋轉(zhuǎn)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(shù)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(biāo)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(zhuǎn)中有多個信號周期。例如，選擇單次旋轉(zhuǎn)有 4,096 個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，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(huán)控制系統(tǒng)，因此必須將時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。

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(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs)：一個用于正弦波輸出，一個用于余弦波輸出。

. 無系統(tǒng)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(yōu)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(biāo)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(nèi)部參考和 1-MSPS 的每通道輸出數(shù)據(jù)速率，可滿足特定需求。它與比較器及全差分放大器聯(lián)用，可驅(qū)動 ADC。

ADS7854 是一個= 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 個周期，那么測量步進的總數(shù)可通過以下方式計算。

這樣可在實施該方案時為設(shè)計人員提供 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

電機控制反饋路徑中的旋轉(zhuǎn)/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(tǒng)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。