從編碼器開(kāi)始提高伺服性能—高性能磁編碼器芯片

在伺服驅(qū)動(dòng)器位置傳感器的設(shè)計(jì)上，通常需要具有高EMC抗擾度和較少的外機(jī)接口；同時(shí)在電源設(shè)計(jì)上要做到外形小巧，高效率和低噪聲；而在編碼器的設(shè)計(jì)上，則通常使用小尺寸，低功率的半導(dǎo)體解決方案，以實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)。

在編碼器設(shè)計(jì)上，無(wú)論是絕對(duì)式還是增量式，通常都采用光學(xué)或磁性?xún)煞N測(cè)量原理之一。光學(xué)編碼器是之前高分辨率應(yīng)用上的主要選擇。而隨著磁編碼器技術(shù)的推進(jìn)，在許多方面比光學(xué)技術(shù)更耐用，慢慢的磁性編碼器成為工業(yè)應(yīng)用中的主流選擇。磁性編碼器中很重要的傳感器部分通常是能感應(yīng)電壓變化的霍爾效應(yīng)器件，或者是磁阻器件，目前霍爾效應(yīng)器件居多。

從某種意義上說(shuō)編碼器性能決定著伺服系統(tǒng)性能的上限，而編碼器芯片在很大程度上又決定了編碼器的性能。目前日系和歐美系是主流的兩個(gè)選擇。日系偏向于封閉系統(tǒng)，軟硬件自己做。歐美系會(huì)開(kāi)放一些，專(zhuān)業(yè)的人做專(zhuān)一的事，從編碼器專(zhuān)用芯片到整體器件到伺服系統(tǒng)，分工明確技術(shù)性強(qiáng)。

傳感即生活，AMS的風(fēng)格以顛覆性創(chuàng)新著稱(chēng)，這也展現(xiàn)在產(chǎn)品中，在編碼器技術(shù)上AMS技術(shù)實(shí)力肯定是行業(yè)的翹楚。AMS的磁編碼器是旋轉(zhuǎn)編碼器，內(nèi)部的磁性角度傳感器能夠檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸上兩極磁鐵圍繞IC中心旋轉(zhuǎn)時(shí)的絕對(duì)角度方位。

（AS5147P，AMS）

從AS5147P高速芯片能看到絕對(duì)角度位置可以以 PWM、ABI、UVW 等不同方式輸出，或通過(guò)主機(jī)接口直接讀取。根據(jù)不同應(yīng)用的要求，提供最高14 位的分辨率。這種技術(shù)可用于高精度角度位置檢測(cè)、高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和BLDC 電機(jī)。所有旋轉(zhuǎn)磁性位置傳感器都可取代絕對(duì)或增量式光學(xué)傳感器以及其他磁性和電感技術(shù)、電位計(jì)或磁性開(kāi)關(guān)。

該芯片支持下的編碼器最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到28000 rpm。AS5147P同時(shí)內(nèi)置了AMS的獨(dú)有技術(shù)DAEC，該技術(shù)能在傳感器工作時(shí)對(duì)角度誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，消除高轉(zhuǎn)速下的角度測(cè)量滯后。而且該芯片在工作時(shí)無(wú)需外部屏蔽，就能對(duì)外部的雜散磁場(chǎng)免疫，保證精度的同時(shí)降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。在電機(jī)應(yīng)用上這種高分辨率編碼器能實(shí)現(xiàn)極高水準(zhǔn)的位置控制。

Melexis磁編碼器傳感器在魯棒性和可靠性上一直是行業(yè)內(nèi)的標(biāo)桿，尤其是其獨(dú)有的可編程Triaxis線(xiàn)性霍爾效應(yīng)傳感器芯片可以說(shuō)是行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)導(dǎo)者。這里我們直接選取Triaxis系列主流的芯片。

（MLX90421，Melexis）

MLX90421是單片磁性位置傳感器芯片。它由一個(gè)Triaxis霍爾磁性前端、一個(gè)模數(shù)信號(hào)調(diào)節(jié)器、一個(gè)應(yīng)用于高級(jí)信號(hào)處理的DSP和一個(gè)可編程輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)器組成，可以提供模擬或PWM輸出。Triaxis是Melexis的創(chuàng)新磁傳感器技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)傳感器只能感應(yīng)垂直于霍爾效應(yīng)元件表面的磁通量密度，Triaxis能通過(guò)單個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)高精度三軸磁場(chǎng)測(cè)量，尤其適用于種類(lèi)繁多的線(xiàn)性、角度和三維應(yīng)用。

MLX90421不僅測(cè)量范圍是可編程的，其線(xiàn)性傳輸特性也可以進(jìn)行編程，最高多達(dá)17點(diǎn)。通過(guò)片上信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的絕對(duì)位置傳感。因?yàn)檫@款芯片是車(chē)規(guī)級(jí)應(yīng)用，其工作溫度范圍很廣，覆蓋-40℃至160℃。這款芯片在功能安全性、絕對(duì)最大額定值 (AMR) 和電磁兼容性 (EMC) 特性方面具有優(yōu)于同行的性能。精度上也毋庸置疑，模擬或PWM輸出通過(guò)多點(diǎn)可編程線(xiàn)性化功能對(duì)其進(jìn)行編程，最高17點(diǎn)的特征會(huì)顯著提高系統(tǒng)的精度。

前身為Avago的BROADCOM一直是編碼器行業(yè)的巨頭，雖然他一直是以其光學(xué)編碼器聞名，但在磁編碼應(yīng)用上實(shí)力也是不俗。BROADCOM為數(shù)不多的磁編碼器以增量型旋轉(zhuǎn)編碼器居多。

（AEAT-8800，BROADCOM）

AEAT-8800可在360度旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)提供精確的角度測(cè)量。絕對(duì)角度測(cè)量以10、12、14或16位的可編程分辨率提供角度位置的指示。最高16位的分辨率，這已經(jīng)是很高的精度了，這種可編程也提供了相應(yīng)的靈活度。如果必要的話(huà)，還可以選擇在PWM編碼輸出信號(hào)中接收其絕對(duì)角度位置。

這款磁編碼傳感芯片可編程性還不止上面這些，其零位，方向和指數(shù)脈沖寬度甚至是磁滯都可進(jìn)行編程，同時(shí)還能選擇低延遲模式，將延遲降低到接近0。高精度和充分的靈活度，這一款芯片在BLDC以及機(jī)器人應(yīng)用中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

日系廠商走的從元件到伺服整體的路線(xiàn)，所以磁編碼器傳感芯片就不單獨(dú)列舉了。高性能伺服系統(tǒng)離不開(kāi)這些高精的編碼器芯片，上述歐美這些專(zhuān)精于編碼器技術(shù)的廠商在編碼器從芯片到整體無(wú)疑是更精一些的，也是目前國(guó)內(nèi)外主要的編碼器芯片供應(yīng)商。