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闭环电机控制:Resolver及Encoder介绍

时间:2018-07-04      阅读:5078

 

 

近小编注意到行业里总看到行业里有人咨询Resolver和encoder的差别,有观点解释Resolver就是编码器, 也有说Resolver是旋转变压器的,还有人认为Resolver就是分解器...那么到底该怎样理解Resolver? 在小编看来,根据它实现的功能及原理,很难找到一个合适的中文词语可以*恰如其分的概括。今天我们摘录了来自美国国家半导体技术专家RickZarr的期刊文章来说明二者的区别。

 

同时,本期视频主题也是关于Resolver的功能原理介绍,由国外技术团队Learnchannel用动画直观展现的Resolver介绍以及和编码器的对比,也请大家移步了解。希望本期的主题介绍,能为您带来相关帮助!

 

 

Question!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:ResolverEncoder

 

Resolver

在讨论Resolver信号链解决方案之前,首先考虑它的基本工作原理(如图1)。Resolver(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Resolver的整体可靠性和稳定性。

 

(图1 Resolver发送器单元的简化机械原理图)

 

 

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。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。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)。

 

(图2 SIN和COS绕组的标准化输出电压)

 

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Resolver为参考绕组提供 AC 电压。*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*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。

 

(图3 Resolver控制环系统的简化方框图)

 

总之 ,Resolver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 。Resolver的缺点是其大旋转速度 。由于Resolver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。

 

Encoder

与Resolver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:位置值增量 TTL 信号以及增量正弦信号。对于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。

 

(图4 位位置值旋转编码器实例)

 

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 增量TTL旋转编码器实例)

 

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。

 

(图6 增量正弦旋转编码器的建模输出)

  

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小范围内或者*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必须少能处理每通道800kSPS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。

 

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:Resolver和编码器。我们从模拟信号链角度针对Resolver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jia性能。

 

参考资料

1.  微控制器公司  ( AMCI) ,“ 什么是分解器?”,请访问:www.amci。。com/t utorials/ tutorialswhat-is-resolver.asp;

2. 德州仪器 (TI) 。“ 光学编码器的双通道数据采集系统,12 位、1MSPS”,TI Prevision Verified Design。(2013 年 6 月 6 日)。请访问:www.ti。。com/2q14-tipd117

3. Delta Computer Systems ,“ 分解器基础知识”,请访问www.deltamotion。。com/support/

4. HEIDENHAIN 宣传册,“旋转编码器”,2013 年 11 月,第 13 页。请访问www.heidenhain. com/

 

- END -

声明:

 

- 文章转载自德州仪器,版权归原作者所有!

- 如有偏颇,欢迎指正!

 

 

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