电机控制系统中的分解器与编码器模拟信号链方案探讨

导言

　　本方案的实施，为设计师们带来了26位的高分辨率定位，甚至能精确到小于5.36×10–6度的旋转误差。

　　电机是否以理想速度旋转？皖南电机闭环电机控制系统能持续解答这一问题。闭环系统已成为电机旋转领域的普遍趋势，无论是在汽车（如电脑辅助平行泊车）还是人造卫星（如调整卫星角度锁定特定信号），乃至工厂机械（如取放作业），位置反馈传感器都成为电机控制系统的核心组件。本文将探讨两种基于位置传感器的模拟信号链控制方案：分解器和编码器。

　　分解器

　　在探讨分解器信号链解决方案前，我们先了解其基本工作原理，如图1所示。分解器（即发送器单元）由三个不同的线圈绕组组成，分别是参考、正弦(SIN)和余弦(COS)绕组。参考绕组作为一次绕组，通过旋转变压器由一次侧的AC电压励磁，无需电刷或套环，从而提高了分解器的可靠性和稳定性。

　　参考绕组安装在电机轴上。电机旋转时，SIN和COS绕组的电压输出会随轴位置变化。SIN和COS绕组相对于轴相互呈90°角。当参考绕组旋转时，其与SIN/COS绕组之间的角度差会变化，可用θ旋转角或图1中的θ表示。在SIN和COS绕组上感应到的电压等于参考电压乘以θ角。

　　如图2所示的输出电压波形显示了SIN和COS绕组相对于参考电压的规范化电压输出信号。传统参考电压一般在1至26V之间，输出频率为800Hz至5kHz。

　　接下来，我们可以确定对信号链器件的要求。信号链必须支持双极性，因为信号会摆动至接地以下。它必须能同时对两个通道进行采样，转换高达5kHz的信号，并为分解器提供AC电压。*佳方案是使用两个Δ-Σ调制器。Δ-Σ调制器能在10至20MHz的高频下进行采样，因此需对Δ-Σ调制后的输出进行平衡和滤波以获得可接受的分辨率。

　　在提供参考电压或AC励磁电源时，直接将脉宽调制(PWM)信号应用于分解器是首选方法。德州仪器(TI)针对此方案提供了推荐解决方案。数据转换器（如ADS1205或ADS1209）是Δ-Σ调制器的优选皖南电机价格表 ，因为它们可以直接连接分解器的SIN与COS绕组。数据转换器还可以连接四通道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。此外，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其他信号。可选用TI基于C28x的C2000.Piccolo.F2806x微控制器。图3展示了典型的信号链解决方案。

　　总的来说，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，而且具有很长的使用寿命。然而，分解器的缺点在于其*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

　　与分解器类似，在讨论编码器信号链实施方案前，我们首先了解其物理特性和信号输出。皖南电机编码器通常分为线性与旋转两种。线性编码器用于一维或单向运动，将线性位置转换为电子信号，通常与致动器配合使用。本文关注的是旋转编码器，它用于将旋转位置或角度转换为电子信号，与电机一起使用（电机围绕轴心旋转）。

　　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。绝对位置值旋转编码器的磁盘模式可分成非常具体的模式，如3位输出编码器就有八个平均分布的模式。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。安徽皖南电机

　　增量TTL旋转编码器的磁盘模式输出数字高或数字低，即TTL信号，并有一个参考标记来确定电机的当前旋转位置。增量TTL旋转编码器输出为数字格式，因此不需要模拟信号链。

　　增量正弦旋转编码器的输出和磁盘模式与TTL信号编码器相似，但其输出为正弦波输出，需要模拟信号链解决方案。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）。输出已经是数字格式，因此不需要模拟信号链。

　　对于模拟信号链解决方案，典型要求包括：两个同时采样的模数转换器(ADCs)、无系统时延、至少每通道800kSPS的速率、支持1V左右满量程的1-Vp-p差分输入、一个参考标记信号比较器。TI的ADS7854系列逐次逼近寄存器(SAR)ADCs是*佳选择，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，满足特定需求。

　　结论

　　在电机控制反馈路径中，旋转/位置传感器的两种常用方案是分解器和编码器。本文从模拟信号链的角度，对分解器或编码器在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*佳性能。