關(guān)于電機(jī)反饋回路傳感器的選擇分析

作者：Bill Schweber 貿(mào)澤電子

在很多電機(jī)控制應(yīng)用系統(tǒng)中，隨時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子或者負(fù)載的位置、速度設(shè)置包括加速度等參數(shù)是非常有必要的。根據(jù)應(yīng)用和設(shè)計(jì)的要求，電機(jī)控制器需要精確的知道這些參數(shù)或者了解大概的參數(shù)信息。只有知道電機(jī)的情形和轉(zhuǎn)子的狀態(tài)，電機(jī)控制器才能夠形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1：很多電機(jī)管理和控制應(yīng)用中集成傳感器并且提供轉(zhuǎn)子位置和速度的實(shí)時(shí)信息是組成一個(gè)高效的閉環(huán)反饋系統(tǒng)非常必要的，這樣才能保證可靠的系統(tǒng)性能。（來源：Bill Schweber）

當(dāng)然，電機(jī)的速度、位置和加速度是緊密聯(lián)系的。因?yàn)樗俣鹊奈恢玫膶?dǎo)數(shù)（隨時(shí)間的變化率），加速度又是速度的導(dǎo)數(shù)，只要知道其中一個(gè)參數(shù)，我們就可以確定所有三個(gè)參數(shù)（注：速度是加速度的積分，位置又是速度的積分）。

然而在實(shí)際情況中，由于分辨率和噪聲等因素這種確定相關(guān)參數(shù)的方法往往顯得捉襟見肘。例如某個(gè)方案的參數(shù)設(shè)計(jì)可能完全不適合另一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景所要求的分辨率要求。不同的應(yīng)用對(duì)于分辨率和精確度的要求從粗糙到中等以及精確都是有可能的。比如數(shù)控機(jī)床就需要精確的轉(zhuǎn)子信息，汽車電動(dòng)窗控制器使用近似數(shù)據(jù)就可以了，洗衣機(jī)或者烘干機(jī)采用粗糙的數(shù)據(jù)就能實(shí)現(xiàn)功能。

閉環(huán)

為了感測(cè)轉(zhuǎn)子的位置或者運(yùn)動(dòng)參數(shù)，最常見的方法就是旋轉(zhuǎn)變壓器、光電或者電容編碼器、霍爾效應(yīng)器件等，按照精度、分辨率和成本因素大致降序排列。這些傳感器在物理設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和電子接口方面存在很大的不同，所以對(duì)于使用者來講必須清楚自己的需求，這樣才能確定應(yīng)用采用最好的選擇，最終將傳感器完美的接入到控制器的電路中。

增量編碼器（用于采集相對(duì)位置參數(shù)以及控制成本）通常與交流感應(yīng)電機(jī)搭配使用。相反的是絕對(duì)編碼器（電機(jī)的每個(gè)位置都會(huì)給出不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，可以絕對(duì)的確定軸位置信息）通常與永磁無刷電機(jī)搭配使用，在伺服應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛采用。當(dāng)然這些應(yīng)用是確定需要使用增量或者絕對(duì)參數(shù)信息的主要因素。

盡管大多數(shù)的電機(jī)控制采用數(shù)字控制回路，但是實(shí)際情況是如果傳感器信號(hào)是模擬的那么需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，又或者數(shù)字信號(hào)（如電壓和其它屬性）與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電路不兼容。反饋回路中的傳感器一般能提供“原生”輸出數(shù)據(jù)，我們可以進(jìn)行自定義轉(zhuǎn)換，有些還具備條件化的即插即用的數(shù)據(jù)輸出，這與標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口、格式和協(xié)議向兼容。

盡管更高的分辨率看似是好的，但是在實(shí)際應(yīng)用中卻不一定。分辨率太高可能會(huì)拖慢整個(gè)系統(tǒng)的性能，因?yàn)橄到y(tǒng)需要處理更多的數(shù)據(jù)信息，但是很多數(shù)據(jù)是不需要的或者是沒任何用處的，所以說滿足系統(tǒng)需求的最低分辨率對(duì)系統(tǒng)才是最好的選擇。

“現(xiàn)在就提供幾種解決方案…”

分解器是非常精確、可靠、絕對(duì)位置參數(shù)傳感器。它是基于變壓器的基本原則來設(shè)計(jì)，一個(gè)主繞組和兩個(gè)二次繞組，互相正交放置（夾角90度），如圖2所示。一次繞柱和二次繞組之間的有效匝數(shù)比和極性?shī)A角是根據(jù)轉(zhuǎn)軸的角度確定的。一次繞柱通過交流信號(hào)并且保持常量，信號(hào)頻率范圍從50/60Hz到幾百KHz，二次繞組的輸出會(huì)根據(jù)實(shí)際的放置位置有一定的移相。二次繞組的峰值電壓隨軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，并且與軸角度成正比。采用主繞組信號(hào)為參考來解調(diào)這些電壓輸出，分解器能夠提供高分辨率的軸角度參數(shù)輸出。

圖2：分解器采用一個(gè)主繞組和一對(duì)二次繞組，正交放置；需要交流勵(lì)磁和解調(diào)，但是非常精確、可靠，上電后能提供絕對(duì)位置數(shù)據(jù)信息（圖片：ADI.inc）

分解器不僅很精確也很牢固可靠。主繞組和二次繞組之間沒有直接的物理接觸，除了電機(jī)本身設(shè)計(jì)之外沒有單獨(dú)的電刷和軸承，不會(huì)存在任何摩擦導(dǎo)致零件磨損，也不會(huì)有任何雜物（如油）干擾機(jī)器運(yùn)行。分解器通常被用在極具挑戰(zhàn)性的情況下，如軍事槍炮的射擊角度測(cè)量，因?yàn)樗?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械設(shè)計(jì)非常牢固，性能很高。

然而相對(duì)于其他的選擇，分解器一般體積較大而且成本比較高，功率消耗相對(duì)也比較大，對(duì)于一些低功耗應(yīng)用是不能夠接受的。而且為了生成和解調(diào)交流信號(hào)還需要復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，盡管我們可以使用一些IC芯片來簡(jiǎn)化電路但是效果還是有限的。上電后就能提供絕對(duì)位置參數(shù)數(shù)據(jù)，不需要其他操作來確定初始轉(zhuǎn)軸角度，當(dāng)然這個(gè)特性在一些應(yīng)用中是必備的，而一些應(yīng)用則可能完全不需要。

對(duì)位置進(jìn)行編碼，而不是數(shù)據(jù)

增量位置讀取采用的光電編碼器（這里“編碼器”與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼無關(guān)）采用一個(gè)光源（LED）、兩個(gè)正交的光電傳感器和一個(gè)玻璃或者塑料材質(zhì)的轉(zhuǎn)盤，如圖3所示。轉(zhuǎn)盤上具有相對(duì)幾何中心精細(xì)的刻度線，當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)傳感器能識(shí)別到明暗的光線變化。

轉(zhuǎn)盤上刻度線的數(shù)量和其它一些技術(shù)決定了光電編碼器的分辨率，一般有1024,2048以及更高的4096。與變壓器式的分解器不同的是，光學(xué)編碼器不是被廣泛使用的器件，直到長(zhǎng)壽命的LED和高效傳感器的出現(xiàn)。

圖3：光學(xué)編碼器采用一個(gè)光源、兩個(gè)正交放置的光傳感器和一個(gè)帶有刻度線的轉(zhuǎn)盤組成；體積小、功耗低，非常容易接入到電路中，提供的性能和功能也是非常強(qiáng)大的。（圖片：國(guó)家技術(shù)提升計(jì)劃，由印度政府出資開展的一個(gè)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目）

傳感器的擺放位置讓編碼器確定轉(zhuǎn)動(dòng)方向，兩個(gè)傳感器（A和B）輸出的信號(hào)脈沖通過一個(gè)簡(jiǎn)單基本的電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換生成一對(duì)比特流信號(hào)，分別表示動(dòng)作和方向，如圖4所示。

圖4：A和B信號(hào)夾角成90度，光學(xué)編碼器的輸出與很多運(yùn)動(dòng)控制處理器的I/O接口兼容。（圖片：Bill Schweber）

然而這個(gè)編碼器是一個(gè)增量式編碼器，而不是絕對(duì)的，僅表明運(yùn)動(dòng)信息。為了能夠確定決定位置信息，大多數(shù)編碼器增加了第三方傳感和光電傳感器，作為零參考位置指示。轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度必須足夠大，超過零參考位置才能輸出這個(gè)信號(hào)，當(dāng)然也有方法讓光學(xué)編碼器可以增加相對(duì)位置信息數(shù)據(jù)輸出，但是這樣會(huì)增加該單元電路的復(fù)雜度。

光學(xué)編碼器能夠提供非常好的分辨率，但是它們沒有分解器那樣堅(jiān)固?；覊m會(huì)影響光線路徑同時(shí)編碼器的轉(zhuǎn)盤也會(huì)布滿污垢。但是它的性能完全能夠滿足很多應(yīng)用的需求，而且尺寸小巧、重量輕、低功耗、方便接入并且成本相對(duì)較低。

電機(jī)和旋轉(zhuǎn)應(yīng)用采用的傳統(tǒng)光學(xué)編碼器與HEDS-9000和HEDS-9100很相似，這兩款是Avago科技公司（Broadcom）推出的雙通道模塊單元。這些高性能、低成本的模塊包括一個(gè)LED光源以及鏡頭和一個(gè)檢測(cè)器IC，封裝在一個(gè)小型C形狀的塑料殼內(nèi)，還設(shè)置了驅(qū)動(dòng)和電子接口，如圖5所示。它們具備精準(zhǔn)的光源和光電檢測(cè)器的放置，所以即使外面的安裝偏差也不會(huì)太影響它的性能。

圖5：Avago出品的HEDS-9000和HEDS-9100雙通道模塊，尺寸小巧，安裝靈活；其中的刻度轉(zhuǎn)盤可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的分辨率要求分別訂購(gòu)。（圖片：Avago科技/Broadcom）

注意這個(gè)轉(zhuǎn)盤，稱為編碼盤，可以獨(dú)立訂購(gòu)，適用于HEDS-9000的分辨率有500CPR和1000CPR，HEDS-9100可以在96CPR和512CPR分辨率之間選擇。這個(gè)模塊能提供雙通道TTL兼容的A和B數(shù)字信號(hào)輸出，支持5V供電，如圖6所示。

圖6：Avago出品的HEDS-9000和HEDS-9100雙通道模塊，尺寸小巧，安裝靈活；其中的刻度轉(zhuǎn)盤可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的分辨率要求分別訂購(gòu)。（圖片：Avago科技/Broadcom）

除了光學(xué)編碼器還有一個(gè)選擇方案，基于電容原理而不是采用光學(xué)原理，如下面我們展示的CUI AMT10系列，圖7所示。這些編碼器在牢固性、高精確度、增量和絕對(duì)檢測(cè)模塊化的單元都有很多選擇，最高支持12位（4096個(gè)計(jì)數(shù)單元）的分辨率選擇，通過四個(gè)DIP開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，共有16種設(shè)置選擇。通過SPI協(xié)議接口可以接收A/B兩路正交的CMOS兼容的輸出信號(hào)。

圖7：CUI AMT10系列電容編碼器，外觀上看似光學(xué)編碼器，但是設(shè)計(jì)和使用原理是非常不同的。（圖片：CUI.inc）

與光學(xué)編碼器不同，CUI AMT系列器件在編碼器的活動(dòng)與固定部分都使用了重復(fù)性的可腐蝕的導(dǎo)體材料。當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩部分之間的相對(duì)電容值會(huì)增加或者降低，這種變化在電容值上是非常敏感的，有些類似光學(xué)編碼器中的光電晶體管的信號(hào)輸出，灰塵和其它污垢不會(huì)造成任何不利影響。

當(dāng)然我們要記住無論是分解器還是編碼器都是機(jī)械設(shè)備，我們需要考慮安裝以及電子接口要求。為了避免庫(kù)存問題，CUI公司為AMT10系列提供了多種外殼、蓋子和安裝基座，如圖8所示。因此同樣的一個(gè)編碼器可以應(yīng)用到不同的轉(zhuǎn)軸直徑和安裝應(yīng)用場(chǎng)景中。

圖8：在實(shí)際應(yīng)用中，編碼器需要能夠適用不同的轉(zhuǎn)軸和安裝情形；CUI公司提供了全面的安裝配件，采用不同顏色進(jìn)行編碼識(shí)別，這樣單個(gè)編碼器就能夠在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中使用。（圖片：CUI.inc）

分解器和編碼器都能夠提供基本的數(shù)據(jù)輸出，分辨率可達(dá)每度的千分之一（每分鐘轉(zhuǎn)0.6弧度）或者更高，但是精確度和分辨率是不一樣的（一些應(yīng)用中可能更關(guān)心其中一個(gè)方面）。無論設(shè)計(jì)中采用的是分解器還是編碼器，因?yàn)闇囟?、跟蹤速度的變化、意想不到的相移以及其它因素都?huì)引起故障的產(chǎn)生，然而這些模塊的供應(yīng)商會(huì)提供很多方法來消除、避免或者彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，通常會(huì)采用IC器件來實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器原始數(shù)據(jù)的處理，然后將過濾后的數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)控制器。