單芯片編碼器實(shí)現精確運動(dòng)控制

典型的標準封裝編碼器是許多運動(dòng)控制應用的反饋設備，但是提供給最終用戶(hù)的許多配置是有限制的。一個(gè)替代和面向應用的方法是利用更高集成度和智能化的傳感器技術(shù)基于一個(gè)單芯片的編碼器設計。這為需要微調編碼器輸出以提高總體系統性能的應用，提供了一種高度靈活和可配置的選擇。

　　下文將對iC-Haus公司如何采用單芯片編碼器方案提高運動(dòng)控制系統性能進(jìn)行詳述。

　　提高運動(dòng)控制應用的性能

　　在運動(dòng)控制應用中，可以通過(guò)提高運動(dòng)反饋回路的性能來(lái)增強系統性能。旋轉和線(xiàn)性編碼器提供這個(gè)反饋來(lái)實(shí)時(shí)報告速度和位置。例如，可以由下面的方式提高系統的運動(dòng)控制性能：提高定位精度；較高的運行速度；提高系統效率；提高可靠性和可重復性?？梢杂上旅娴姆椒?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/實(shí)現">實(shí)現這樣的性能指標：系統和部件裝配校準；實(shí)時(shí)配置調整；減少機械公差；添加機械定位調整；預防性維修調整。

　　雖然執行很多這些方法對提高系統的性能可取，但對于新的設計或者現有的設計卻不一定可行。而且實(shí)現這些變化會(huì )影響系統設計的復雜性、可制造性、外形尺寸、成本和上市時(shí)間。然而，提高運動(dòng)控制的反饋有助于提高運動(dòng)系統的性能。后面是一個(gè)可以減少這些因素或者完全消除它們的編碼器設計資料。

　　單芯片編碼器設計方法

　　考慮圖1的標準電機配置。這是將一個(gè)標準封裝編碼器安裝到一個(gè)無(wú)刷直流電機來(lái)提供運動(dòng)控制應用的位置反饋。一旦此電機配置被連接到驅動(dòng)應用系統，則會(huì )有機械和電子的調節局限。大部分情況下，這完全可以接受，但是對于那些需求較高性能的系統，則必須具有更多的編碼器配置控制來(lái)滿(mǎn)足設計目標。

圖1:BLDC直流無(wú)刷電機連接獨立封裝編碼器。

　　現在來(lái)介紹另一種單芯片編碼器解決方案（如圖2所示）。這個(gè)設計方法是使用一顆編碼器芯片及現成的解決方案。由于這是一款高集成度的單芯片編碼器芯片，只需要芯片本身再加上幾個(gè)分立器件便可以達到所有的要求。此外，參考電路板設計和布局通?？梢詮木幋a器IC制造商處得到。

圖2:直流無(wú)刷電機連接基于單芯片設計的編碼器。

　　在圖2中，獨立封裝編碼器方案被單芯片編碼器設計取代。這個(gè)例子用的是一個(gè)iC-MH磁編碼器IC.采用這種類(lèi)型設計，可以通過(guò)一個(gè)數字接口來(lái)調整編碼器的配置。

　　如圖中所示，編碼器芯片感知電機軸旋轉的方法是通過(guò)一個(gè)徑向磁化的圓柱狀磁鐵來(lái)實(shí)現的。該磁鐵安裝到貫通的電機軸，允許直接檢測電機的位置和速度。采用單芯片編碼器設計有可能提供增量輸出，正弦/余弦模擬輸出，以及為配置和絕對位置數據讀出的數字符串行接口。

　　單芯片編碼器的類(lèi)型和選項

　　圖3所示為磁編碼器和光學(xué)編碼器。正確選擇會(huì )對系統的性能產(chǎn)生重大影響。例如，選用磁編碼器可以更好地適應惡劣環(huán)境，裝配亦較簡(jiǎn)單。通常它的分辨率和精度低于可比的光學(xué)編碼器。圖4為單芯片編碼器選型指南。通過(guò)比較每個(gè)編碼器IC的多個(gè)特性，有助于為應用找到最佳解決方案。

圖3:單芯片磁編碼器IC與磁鐵以及單芯片光學(xué)編碼器IC與LED和碼盤(pán)。

圖4:單芯片編碼器IC選型指南。

輸出格式

　　如圖5所示，iC-LNG等單芯片編碼器具有許多不同的輸出格式，并且有很多可以同時(shí)使用。

圖5:iC-LNG絕對式光學(xué)編碼器IC具有許多可用的編碼器輸出格式。

　　對于某些編碼器器件（例如iC-MH8），有一個(gè)開(kāi)源串行接口BiSS,允許高速串行接口讀取配置和絕對位置（圖6）。更多的BiSS信息可以在BiSS的網(wǎng)站上找到。

圖6:BiSS串行接口（點(diǎn)對點(diǎn)連接）。

　　單芯片編碼器提高性能的特性

　　如圖7所示，其中一些特性包括模擬信號調理，數字正弦/余弦細分，錯誤監視，自動(dòng)增益控制，多種編碼器輸出格式，BLDC電機換向信號輸出，數字配置，線(xiàn)驅動(dòng)能力以及在系統編程性。

圖7:iC-MH8磁編碼器IC方框圖。

　　選擇BLDC電機換向極性設置允許該編碼器設備適用于各種BLDC電機。所有這些可調節的設置都存儲在編碼器芯片的內部RAM中，但是也將它們編程到片上非易失性PROM,以使這些設置在上電時(shí)能被讀取使用。

　　這些配置可以通過(guò)串行接口編程。很多編碼器IC都提供一個(gè)計算機圖形用戶(hù)界面工具（如圖8所示），來(lái)對此器件進(jìn)行簡(jiǎn)單和實(shí)時(shí)的交互編程。用一個(gè)計算機適配器來(lái)做電路板上的編碼器IC的接口，然后將這個(gè)適配器通過(guò)USB連接到計算機。

圖8:iC-MH磁編碼器計算機配置圖形用戶(hù)界面。

　　除了可配置特性之外，考慮以下這些內容有助于提高運動(dòng)控制應用的系統性能特性。

分辨率

　　回顧圖1和圖2所示的設計，如果這個(gè)編碼器輸出是100CPR（每轉正交循環(huán)次數）或者400正交沿，將它改變到一個(gè)較高的值，例如1000CPR或者4000正交沿，分辨率將增加10倍。運動(dòng)控制系統的角度分辨率從0.9度每轉提高到0.09度每轉。有一點(diǎn)需要注意的是運動(dòng)控制器處理帶寬和響應時(shí)間。當10倍以上的脈沖加到控制器或者嵌入式微處理器上，硬件和軟件設計必須保證在中斷和數據處理上能夠響應這個(gè)增長(cháng)。

　　在很多情況下，調節分辨率需要置換編碼器器件本身，然而，很少幾種可選的磁和光學(xué)編碼器可以用數字方式調節分辨率，而不改變編碼器IC或者源磁體/碼盤(pán)。例如，iC-LNB光學(xué)編碼器IC內建一個(gè)FlexCount模塊，這個(gè)模塊允許改變從1至65,536CPR任何分辨率而無(wú)需改變自身的碼盤(pán)。

　　外形尺寸

　　單芯片編碼器提供了一個(gè)非常小的外形尺寸。小封裝尺寸使編碼器的電路板非常緊湊，可以在狹小的空間使用。這就可能讓一個(gè)編碼器解決方案使用在以前不能使用到的地方。

　　編碼器傳感器輸入

　　編碼器輸入的好壞決定它的輸出，一個(gè)提高性能的簡(jiǎn)單方法是以改善編碼器的輸入來(lái)實(shí)現。對于磁編碼器IC,它可能表現為選用更高質(zhì)量的磁鐵，減小磁鐵到編碼器芯片間的氣隙和優(yōu)化機械同心度設計。對于光學(xué)編碼器IC,它可能表現為選用更高質(zhì)量的LED,減小磁鐵到編碼器芯片間的氣隙和優(yōu)化機械同心度設計。由提高編碼器反饋而提高控制系統性能。

　　精度校準

　　編碼器的校準除了可以選擇機械調整外，利用單芯片編碼器通過(guò)串行接口配置其內部參數則提供了一種更為精確的校準方案。如圖9所示，SinCosYzer是一個(gè)數據采集系統。通過(guò)輸入編碼器的正弦和余弦信號，許多不同的測量值（如Lissajous曲線(xiàn)，誤差曲線(xiàn)以及以位和度表示的精度）將顯示出來(lái)，幫助校準。由于這些設置是實(shí)時(shí)顯示的，可以在運行時(shí)進(jìn)行調整--通過(guò)圖8所示的編碼器芯片計算機圖形用戶(hù)界面即可完成。通過(guò)對編碼器的正弦和余弦信號的幅度、偏置乃至相位進(jìn)行內部信號調節，可以改變編碼器的內部配置。

圖9:SinCosYzer編碼器校準工具。

　　編碼器信號位置調整

　　數字調整編碼器的零位信號提供了另一種提高系統性能的方法。如圖10所示，iC-MH磁編碼器的索引或Z位置可以以1.4度的步長(cháng)進(jìn)行數字調整。U脈沖的電機換向零位或者上升沿也可以以1.4度的步長(cháng)進(jìn)行調整。這是一個(gè)在應用中靈活定義原位的方法。不像霍爾傳感器是在一個(gè)固定的地方感知BLDC電機磁極的位置，單芯片編碼器可以產(chǎn)生這些電機換向信號，然后允許對其進(jìn)行微調來(lái)增強驅動(dòng)電機自身的性能。

圖10:iC-MH ABZ和BLDC UVW電機換向信號。

　　本文小結

　　和標準封型編碼器相比，單芯片編碼器IC提供了一種高度靈活和高度可配置的編碼器方案。此外，基于單芯片編碼器的設計具備了通過(guò)一個(gè)數字接口調節編碼器配置的能力，通過(guò)進(jìn)一步增強運動(dòng)控制反饋可以提高整個(gè)系統的性能。