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閉環(huán)電機控制:Resolver及Encoder介紹
點擊次數(shù):5615 更新時間:2018-07-04

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近小編注意到行業(yè)里總看到行業(yè)里有人咨詢Resolver和encoder的差別,有觀點解釋Resolver就是編碼器, 也有說Resolver是旋轉(zhuǎn)變壓器的,還有人認為Resolver就是分解器...那么到底該怎樣理解Resolver? 在小編看來,根據(jù)它實現(xiàn)的功能及原理,很難找到一個合適的中文詞語可以*恰如其分的概括。今天我們摘錄了來自美國國家半導(dǎo)體技術(shù)專家RickZarr的期刊文章來說明二者的區(qū)別。

 

同時,本期視頻主題也是關(guān)于Resolver的功能原理介紹,由國外技術(shù)團隊Learnchannel用動畫直觀展現(xiàn)的Resolver介紹以及和編碼器的對比,也請大家移步了解。希望本期的主題介紹,能為您帶來相關(guān)幫助!

 

 

Question!您的電機是否以預(yù)期速度旋轉(zhuǎn)?

閉環(huán)電機控制系統(tǒng)會繼續(xù)回答這個問題,因為只要有電機旋轉(zhuǎn)的地方就會實施閉環(huán)系統(tǒng),這是一個趨勢。無論終端系統(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),還是工廠機械(取放機器),位置反饋傳感器都是總體電機控制系統(tǒng)中的固有元件。電機控制種類多種,本文將討論兩種圍繞位置傳感器實施模擬信號鏈的控制方案:ResolverEncoder

 

Resolver

在討論Resolver信號鏈解決方案之前,首先考慮它的基本工作原理(如圖1)。Resolver(這里是一個發(fā)送器單元)由三個不同的線圈繞組構(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),因此無需電刷或套環(huán)。這樣可提升Resolver的整體可靠性和穩(wěn)定性。

 

截圖20180629101438.jpg

(圖1 Resolver發(fā)送器單元的簡化機械原理圖)

 

 

參考繞組安裝在電機軸上 。在電機旋轉(zhuǎn)時 ,SIN和COS繞組的電壓輸出會隨軸位置發(fā)生變化。SIN 和 COS 繞組安裝角度相對于該軸相互相差 90°。參考繞組旋轉(zhuǎn)時,參考繞組與SIN/COS繞組之間的角度差會發(fā)生變化,可表示為θ旋轉(zhuǎn)角。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。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。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 5 kHz。

 

現(xiàn)在可以確定對適當(dāng)信號鏈器件的要求。信號鏈必須 為雙極性,因為信號會擺動至接地以下(圖2)。

 

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(圖2 SIN和COS繞組的標(biāo)準化輸出電壓)

 

它必須同時對兩個通道進行采樣,轉(zhuǎn)換高達 5kHz 的信 號,并針對Resolver為參考繞組提供 AC 電壓。jia的解 決方案是為兩個通道各實施一個 Δ-Σ 調(diào)制器。Δ-Σ 調(diào)制器可在*頻率(在 10 至 20MHz 范圍)下進行 采樣,因此經(jīng) Δ-Σ 調(diào)制后的輸出要進行平衡和濾波 后才可獲得可接受的分辨率。

 

截圖20180629103510.jpg

(圖3 Resolver控制環(huán)系統(tǒng)的簡化方框圖)

 

總之 ,Resolver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 ,而且還可提供很長的使用壽 命 。Resolver的缺點是其大旋轉(zhuǎn)速度 。由于Resolver信號頻率通常小于 5kHz ,因此電機速度需要小于5,000 轉(zhuǎn)每分鐘。

 

Encoder

與Resolver的情況類似,在討論信號鏈實施方案之前,首先要了解編碼器的物理及信號輸出特性。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維 度或方向運動的方案 ,可將線性位置轉(zhuǎn)換為電子信 號,通常與致動器配合使用。旋轉(zhuǎn)編碼器用于圍繞軸心運動的方案 ,可將旋轉(zhuǎn)位置或角度轉(zhuǎn)化為電子信號。由于旋轉(zhuǎn)編碼器與電機一起使用(電機圍繞軸心 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,還需要使用一個發(fā)光發(fā)送器和一個光 電接收器。接收器的信號輸出能夠與電機的旋轉(zhuǎn)位置相關(guān)聯(lián)。

 

 

 

常見的旋轉(zhuǎn)編碼器有三種:絕dui位置值、增量 TTL 信號以及增量正弦信號。對于絕dui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dui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不同模式(圖 4)。這是 在磁盤上而且是平均分布的,因此每個模式的間距是 360°/8 = 45°?,F(xiàn)在,對于 3 位絕dui位置值旋轉(zhuǎn)編碼器而言,可以判斷 45° 范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電機位置。

 

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(圖4 位絕dui位置值旋轉(zhuǎn)編碼器實例)

 

絕dui位置值旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出已針對數(shù)字接口進行了優(yōu)化,因此不需要模擬信號鏈。

 

對于增量 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。如圖 5 所示,TTL 輸出 磁盤的模式與絕dui位置值旋轉(zhuǎn)編碼器相比比較簡單, 因為它只需表現(xiàn)數(shù)字高或數(shù)字低。除了 TTL 信號外, 還有一個對于確定電機當(dāng)前旋轉(zhuǎn)位置很重要的參考標(biāo)記??蓪⒖紭?biāo)記視作 0° 角度。因此,對數(shù)字脈沖 進行簡單計數(shù)即可確定電機的確切旋轉(zhuǎn)位置。

 

截圖20180629103819.jpg

(圖5 增量TTL旋轉(zhuǎn)編碼器實例)

 

圖 5顯示了電機軸一次旋轉(zhuǎn)中的多個周期。編碼器制造商可提供每轉(zhuǎn) 50至5,000 個周期的增量 TTL 旋轉(zhuǎn) 編碼器(和增量正弦旋轉(zhuǎn)編碼器)。與絕dui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 擬信號鏈。

 

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

 

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(圖6 增量正弦旋轉(zhuǎn)編碼器的建模輸出)

  

與增量 TTL 輸出類似,在一次旋轉(zhuǎn)中有多個信號周期。例如,選擇單次旋轉(zhuǎn)有 4,096 個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,所得的正弦 和余弦信號頻率計算如下。

截圖20180629103739.jpg

 

本實例中的信號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) , 因此必須將時延控制在小范圍內(nèi)或者*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。

 

對模擬信號鏈解決方案的典型要求是:

•   兩個同時采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADCs):一個用于正弦波輸出,一個用于余弦波輸出。

•   無系統(tǒng)時延 :需要400kHz以上的帶寬 ,因此ADC必須少能處理每通道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放大。

•    一個參考標(biāo)記信號比較器。

 

結(jié)論

電機控制反饋路徑中的旋轉(zhuǎn)/位置傳感器有兩種常用實施方案:Resolver和編碼器。我們從模擬信號鏈角度針對Resolver或編碼器對幾個控制系統(tǒng)的反饋路徑和輸出信號特性進行了評估,以確保信號完整性和jia性能。

 

參考資料

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

2. 德州儀器 (TI) 。“ 光學(xué)編碼器的雙通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),12 位、1MSPS”,TI Prevision Verified Design。(2013 年 6 月 6 日)。請訪問:www.ti。。com/2q14-tipd117

3. Delta Computer Systems ,“ 分解器基礎(chǔ)知識”,請訪問www.deltamotion。。com/support/

4. HEIDENHAIN 宣傳冊,“旋轉(zhuǎn)編碼器”,2013 年 11 月,第 13 頁。請訪問www.heidenhain. com/

 

- END -

聲明:

 

- 文章轉(zhuǎn)載自德州儀器,版權(quán)歸原作者所有!

- 如有偏頗,歡迎指正!

 

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