闭环电机控制：旋转分解器及编码器介绍

 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。

结论

电机控制反馈路径中的旋转/位置传感器有两种常用实施方案：分解器和编码器。我们从模拟信号链角度针对分解器或编码器对几个控制系统的反馈路径和输出信号特性进行了评估，以确保信号完整性和最佳性能。