單芯片編碼器實現精確運動控制

典型的標準封裝編碼器是許多運動控制應用的反饋設備，但是提供給最終用戶的許多配置是有限制的。一個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基于一個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(tǒng)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控制系統(tǒng)性能進行詳述。

　　提高運動控制應用的性能

　　在運動控制應用中，可以通過提高運動反饋回路的性能來增強系統(tǒng)性能。旋轉和線性編碼器提供這個反饋來實時報告速度和位置。例如，可以由下面的方式提高系統(tǒng)的運動控制性能：提高定位精度；較高的運行速度；提高系統(tǒng)效率；提高可靠性和可重復性。可以由下面的方法實現這樣的性能指標：系統(tǒng)和部件裝配校準；實時配置調整；減少機械公差；添加機械定位調整；預防性維修調整。

　　雖然執(zhí)行很多這些方法對提高系統(tǒng)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。而且實現這些變化會影響系統(tǒng)設計的復雜性、可制造性、外形尺寸、成本和上市時間。然而，提高運動控制的反饋有助于提高運動系統(tǒng)的性能。后面是一個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。這是將一個標準封裝編碼器安裝到一個無刷直流電機來提供運動控制應用的位置反饋。一旦此電機配置被連接到驅動應用系統(tǒng)，則會有機械和電子的調節(jié)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(tǒng)，則必須具有更多的編碼器配置控制來滿足設計目標。

圖1:BLDC直流無刷電機連接獨立封裝編碼器。

　　現在來介紹另一種單芯片編碼器解決方案（如圖2所示）。這個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。這個例子用的是一個iC-MH磁編碼器IC.采用這種類型設計，可以通過一個數字接口來調整編碼器的配置。

　　如圖中所示，編碼器芯片感知電機軸旋轉的方法是通過一個徑向磁化的圓柱狀磁鐵來實現的。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。

　　單芯片編碼器的類型和選項

　　圖3所示為磁編碼器和光學編碼器。正確選擇會對系統(tǒng)的性能產生重大影響。例如，選用磁編碼器可以更好地適應惡劣環(huán)境，裝配亦較簡單。通常它的分辨率和精度低于可比的光學編碼器。圖4為單芯片編碼器選型指南。通過比較每個編碼器IC的多個特性，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編碼器IC與LED和碼盤。

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使用。

圖5:iC-LNG絕對式光學編碼器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），有一個開源串行接口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的網站上找到。

圖6:BiSS串行接口（點對點連接）。

　　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(jiān)視，自動增益控制，多種編碼器輸出格式，BLDC電機換向信號輸出，數字配置，線驅動能力以及在系統(tǒng)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(jié)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能被讀取使用。

　　這些配置可以通過串行接口編程。很多編碼器IC都提供一個計算機圖形用戶界面工具（如圖8所示），來對此器件進行簡單和實時的交互編程。用一個計算機適配器來做電路板上的編碼器IC的接口，然后將這個適配器通過USB連接到計算機。

圖8:iC-MH磁編碼器計算機配置圖形用戶界面。

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

分辨率

　　回顧圖1和圖2所示的設計，如果這個編碼器輸出是100CPR（每轉正交循環(huán)次數）或者400正交沿，將它改變到一個較高的值，例如1000CPR或者4000正交沿，分辨率將增加10倍。運動控制系統(tǒng)的角度分辨率從0.9度每轉提高到0.09度每轉。有一點需要注意的是運動控制器處理帶寬和響應時間。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增長。

　　在很多情況下，調節(jié)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編碼器可以用數字方式調節(jié)分辨率，而不改變編碼器IC或者源磁體/碼盤。例如，iC-LNB光學編碼器IC內建一個FlexCount模塊，這個模塊允許改變從1至65,536CPR任何分辨率而無需改變自身的碼盤。

　　外形尺寸

　　單芯片編碼器提供了一個非常小的外形尺寸。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，一個提高性能的簡單方法是以改善編碼器的輸入來實現。對于磁編碼器IC,它可能表現為選用更高質量的磁鐵，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。對于光學編碼器IC,它可能表現為選用更高質量的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(tǒng)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是一個數據采集系統(tǒng)。通過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，誤差曲線以及以位和度表示的精度）將顯示出來，幫助校準。由于這些設置是實時顯示的，可以在運行時進行調整--通過圖8所示的編碼器芯片計算機圖形用戶界面即可完成。通過對編碼器的正弦和余弦信號的幅度、偏置乃至相位進行內部信號調節(jié)，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(tǒng)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度的步長進行數字調整。U脈沖的電機換向零位或者上升沿也可以以1.4度的步長進行調整。這是一個在應用中靈活定義原位的方法。不像霍爾傳感器是在一個固定的地方感知BLDC電機磁極的位置，單芯片編碼器可以產生這些電機換向信號，然后允許對其進行微調來增強驅動電機自身的性能。

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一個數字接口調節(jié)編碼器配置的能力，通過進一步增強運動控制反饋可以提高整個系統(tǒng)的性能。