技術(shù)頻道

娓娓工業(yè)
您現(xiàn)在的位置: 中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng) > 技術(shù)頻道 > 技術(shù)百科 > 閉環(huán)電機(jī)控制:旋轉(zhuǎn)分解器及編碼器介紹

閉環(huán)電機(jī)控制:旋轉(zhuǎn)分解器及編碼器介紹

時(shí)間:2017-12-04 10:36:35來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

導(dǎo)語(yǔ):?您的電機(jī)是否以預(yù)期速度旋轉(zhuǎn)?閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)回答這個(gè)問題,因?yàn)橹灰须姍C(jī)旋轉(zhuǎn)的地方就會(huì)實(shí)施閉環(huán)系統(tǒng),這是一個(gè)趨勢(shì)。

前言

您的這樣可在實(shí)施該方案時(shí)為設(shè)計(jì)人員提供26位的分辨率,或不足5.36×10–6度的旋轉(zhuǎn)位置誤差精度。

是否以預(yù)期速度旋轉(zhuǎn)?閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)回答這個(gè)問題,因?yàn)橹灰须姍C(jī)旋轉(zhuǎn)的地方就會(huì)實(shí)施閉環(huán)系統(tǒng),這是一個(gè)趨勢(shì)。無(wú)論終端系統(tǒng)是汽車(采用電腦控制轉(zhuǎn)向的輔助平行泊車),是人造衛(wèi)星(調(diào)整衛(wèi)星角度以鎖定特定信號(hào)),還是工廠機(jī)械(取放機(jī)器),位置反饋傳感器都是總體電機(jī)控制系統(tǒng)中的固有元件。電機(jī)控制種類多種,本文將討論兩種圍繞位置傳感器實(shí)施模擬信號(hào)鏈的控制方案:分解器和編碼器。

分解器

在討論分解器信號(hào)鏈解決方案之前,首先考慮它的基本工作原理,如圖1所示。分解器(這里是一個(gè)發(fā)送器單元)由三個(gè)不同的線圈繞組構(gòu)成,即參考、正弦(SIN)和余弦(COS)繞組。參考繞組是一次繞組,其可通過稱之為旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓器,由應(yīng)用于該變壓器一次側(cè)的AC電壓勵(lì)磁。旋轉(zhuǎn)變壓器隨后將電壓發(fā)送至變壓器的二次側(cè),因此無(wú)需電刷或套環(huán)。這樣可提升分解器的整體可靠性和穩(wěn)定性。

分解器發(fā)送器單元的簡(jiǎn)化機(jī)械.gif

參考繞組安裝在電機(jī)軸上。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),SIN和COS繞組的電壓輸出會(huì)隨軸位置發(fā)生變化。SIN和COS繞組安裝角度相對(duì)于該軸相互相差90°。參考繞組旋轉(zhuǎn)時(shí),參考繞組與SIN/COS繞組之間的角度差會(huì)發(fā)生變化,可表示為θ旋轉(zhuǎn)角或圖1中的θ。在SIN和COS繞組上感應(yīng)到的電壓等于參考電壓乘以SIN繞組和COS繞組的θ角。

感應(yīng)到的輸出電壓波形如圖2所示。圖中顯示了SIN和COS繞組除以參考電壓的規(guī)范化電壓輸出信號(hào)。傳統(tǒng)參考電壓通常介于1至26V之間,而輸出頻率范圍則是800Hz至5kHz。

SIN-和-COS-繞組的標(biāo)準(zhǔn)化輸出.gif

現(xiàn)在可以確定對(duì)適當(dāng)信號(hào)鏈器件的要求。信號(hào)鏈必須為雙極性,因?yàn)樾盘?hào)會(huì)擺動(dòng)至接地以下(圖2)。它必須同時(shí)對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行采樣,轉(zhuǎn)換高達(dá)5kHz的信號(hào),并針對(duì)分解器為參考繞組提供AC電壓。最佳的解決方案是為兩個(gè)通道各實(shí)施一個(gè)Δ-Σ調(diào)制器。Δ-Σ調(diào)制器可在極高頻率(在10至20MHz范圍)下進(jìn)行采樣,因此經(jīng)Δ-Σ調(diào)制后的輸出要進(jìn)行平衡和濾波后才可獲得可接受的分辨率。

在提供參考電壓或AC勵(lì)磁電源時(shí),首選方法是將脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)直接應(yīng)用于分解器。德州儀器(TI)針對(duì)這種實(shí)施方案提供了一種推薦解決方案。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(例如ADS1205或ADS1209)是Δ-Σ調(diào)制器的首選,因?yàn)檫@兩個(gè)器件都能直接連接分解器的SIN與COS繞組。此外,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器還可連接四通道sinc濾波器/積分器,為參考繞組實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)發(fā)生器輸出,例如AMC1210。最后還需要一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或?qū)崟r(shí)控制器來(lái)處理除電機(jī)控制系統(tǒng)外的各種信號(hào)。這里可選用TI基于C28x的C2000.Piccolo.F2806x微控制器。圖3是一個(gè)-典型的信號(hào)鏈解決方案。

分解器控制環(huán)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框.gif

總之,分解器是一款非常穩(wěn)定的控制系統(tǒng)位置傳感器,不僅支持高精度,而且還可提供很長(zhǎng)的使用壽命。分解器的缺點(diǎn)是其最大旋轉(zhuǎn)速度。由于分解器信號(hào)頻率通常小于5kHz,因此電機(jī)速度需要小于5,000轉(zhuǎn)每分鐘。

編碼器

與分解器的情況類似,在討論信號(hào)鏈實(shí)施方案之前,首先要了解編碼器的物理及信號(hào)輸出特性。編碼器通常有兩種:線性與旋轉(zhuǎn)。線性編碼器用于只按一個(gè)維度或方向運(yùn)動(dòng)的方案,可將線性位置轉(zhuǎn)換為電子信號(hào),通常與致動(dòng)器配合使用。旋轉(zhuǎn)編碼器用于圍繞軸心運(yùn)動(dòng)的方案,可將旋轉(zhuǎn)位置或角度轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)。由于旋轉(zhuǎn)編碼器與電機(jī)一起使用(電機(jī)圍繞軸心-旋轉(zhuǎn)),因此本文不涉及線性編碼器。

要理解旋轉(zhuǎn)編碼器的原理,首先要考慮基本的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器。光學(xué)編碼器具有支持特定模式的磁盤,安裝在電機(jī)軸上。磁盤上的模式既可阻止光,也可允許光通過。因此,還需要使用一個(gè)發(fā)光發(fā)送器和一個(gè)光電接收器。接收器的信號(hào)輸出能夠與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置相關(guān)聯(lián)。

常見的旋轉(zhuǎn)編碼器有三種:絕對(duì)位置值、增量TTL信號(hào)以及增量正弦信號(hào)。對(duì)于絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器而言,磁盤上的模式可根據(jù)其位置分成非常具體的模式。例如,如果絕對(duì)位置編碼器具有3位輸出,那么它就將具有平均分布的八個(gè)不同模式(圖4)。這是在磁盤上而且是平均分布的,因此每個(gè)模式的間距是360°/8=45°。現(xiàn)在,對(duì)于3位絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器而言,可以判斷45°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)位置。

3位絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)例.gif

絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出已針對(duì)數(shù)字接口進(jìn)行了優(yōu)化,因此不需要模擬信號(hào)鏈。

對(duì)于增量TTL旋轉(zhuǎn)編碼器而言,磁盤上的模式輸出數(shù)字高或數(shù)字低,即TTL信號(hào)。如圖5所示,TTL輸出磁盤的模式與絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器相比比較簡(jiǎn)單,因?yàn)樗恍璞憩F(xiàn)數(shù)字高或數(shù)字低。除了TTL信號(hào)外,還有一個(gè)對(duì)于確定電機(jī)當(dāng)前旋轉(zhuǎn)位置很重要的參考標(biāo)記。可將參考標(biāo)記視作0°角度。因此,對(duì)數(shù)字脈沖進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)即可確定電機(jī)的確切旋轉(zhuǎn)位置。

增量TTL旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)例.gif

圖5顯示了電機(jī)軸一次旋轉(zhuǎn)中的多個(gè)周期。編碼器制造商可提供每轉(zhuǎn)50至5,000個(gè)周期的增量TTL旋轉(zhuǎn)編碼器(和增量正弦旋轉(zhuǎn)編碼器)。與絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器一樣,輸出已經(jīng)是數(shù)字格式,因此不需要模擬信號(hào)鏈。

對(duì)于增量正弦旋轉(zhuǎn)編碼器而言,輸出和磁盤模式與TTL信號(hào)編碼器非常相似。顧名思義,其輸出不是數(shù)字輸出,而是正弦波輸出。實(shí)際上,它具有正弦及余弦輸出以及參考標(biāo)記信號(hào),如圖6所示。這些輸出都是模擬信號(hào),因此需要模擬信號(hào)鏈解決方案。

增量正弦旋轉(zhuǎn)編碼器的建模輸.gif

與增量TTL輸出類似,在一次旋轉(zhuǎn)中有多個(gè)信號(hào)周期。例如,選擇單次旋轉(zhuǎn)有4,096個(gè)周期的編碼器連接以6,000轉(zhuǎn)每分鐘的速度旋轉(zhuǎn)的電機(jī),所得的正弦和余弦信號(hào)頻率計(jì)算如下。

方程式1.gif

本實(shí)例中的=信號(hào)鏈解決方案需=要具備至少410kHz的帶寬。由于這是閉環(huán)控制系統(tǒng),因此必須將時(shí)延控制在最小范圍內(nèi)或者完全消除。通常,編碼器輸出為1Vp-p,而且正弦和余弦輸出是差分信號(hào)。

對(duì)模擬信號(hào)鏈解決方案的典型要求是:

.兩個(gè)同時(shí)采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs):一個(gè)用于正弦波輸出,一個(gè)用于余弦波輸出。

.無(wú)系統(tǒng)時(shí)延:需要400kHz以上的帶寬,因此

·ADC必須最少能處理每通道800kSPS的速率。

·支持1V左右滿量程的1-Vp-p差分輸入可優(yōu)化ADC的滿量程范圍或ADC滿量程范圍的輸入信號(hào)放大。

·一個(gè)參考標(biāo)記信號(hào)比較器。

TI的最佳解決方案是ADS7854系列逐次逼近寄存器(SAR)ADCs(圖7)。這種SAR-ADC具有兩個(gè)同步采樣通道、一個(gè)內(nèi)部參考和1-MSPS的每通道輸出數(shù)據(jù)速率,可滿足特定需求。它與比較器及全差分放大器聯(lián)用,可驅(qū)動(dòng)ADC。

增量正弦旋轉(zhuǎn)編碼器的簡(jiǎn)化信.gif

ADS7854是一個(gè)=14位ADC,如果正弦增量旋轉(zhuǎn)編碼器在單次旋轉(zhuǎn)中具有4,096個(gè)周期,那么測(cè)量步進(jìn)的總數(shù)可通過以下方式計(jì)算。

方程式2.gif

這樣可在實(shí)施該方案時(shí)為設(shè)計(jì)人員提供26位的分辨率,或不足5.36×10–6度的旋轉(zhuǎn)位置誤差精度。

結(jié)論

電機(jī)控制反饋路徑中的旋轉(zhuǎn)/位置傳感器有兩種常用實(shí)施方案:分解器和編碼器。我們從模擬信號(hào)鏈角度針對(duì)分解器或編碼器對(duì)幾個(gè)控制系統(tǒng)的反饋路徑和輸出信號(hào)特性進(jìn)行了評(píng)估,以確保信號(hào)完整性和最佳性能。

標(biāo)簽:

點(diǎn)贊

分享到:

上一篇:魏德米勒和格林策巴赫在摩擦...

下一篇:干粉混合機(jī)中減速機(jī)的應(yīng)用

中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)版權(quán)與免責(zé)聲明:凡本網(wǎng)注明[來(lái)源:中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)]的所有文字、圖片、音視和視頻文件,版權(quán)均為中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)(www.connectcrack.com)獨(dú)家所有。如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)與0755-82949061聯(lián)系。任何媒體、網(wǎng)站或個(gè)人轉(zhuǎn)載使用時(shí)須注明來(lái)源“中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)”,違反者本網(wǎng)將追究其法律責(zé)任。

本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明其他來(lái)源的稿件,均來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)或業(yè)內(nèi)投稿人士,版權(quán)屬于原版權(quán)人。轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留稿件來(lái)源及作者,禁止擅自篡改,違者自負(fù)版權(quán)法律責(zé)任。

網(wǎng)站簡(jiǎn)介|會(huì)員服務(wù)|聯(lián)系方式|幫助信息|版權(quán)信息|網(wǎng)站地圖|友情鏈接|法律支持|意見反饋|sitemap

傳動(dòng)網(wǎng)-工業(yè)自動(dòng)化與智能制造的全媒體“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)

網(wǎng)站客服服務(wù)咨詢采購(gòu)咨詢媒體合作

Chuandong.com Copyright ?2005 - 2025 ,All Rights Reserved 深圳市奧美大唐廣告有限公司 版權(quán)所有
粵ICP備 14004826號(hào) | 營(yíng)業(yè)執(zhí)照證書 | 不良信息舉報(bào)中心 | 粵公網(wǎng)安備 44030402000946號(hào)