單芯片編碼器實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)控制

典型的標(biāo)準(zhǔn)封裝編碼器是許多運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的反饋設(shè)備，但是提供給最終用戶的許多配置是有限制的。一個(gè)替代和面向應(yīng)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(shè)計(jì)。這為需要微調(diào)編碼器輸出以提高總體系統(tǒng)性能的應(yīng)用，提供了一種高度靈活和可配置的選擇。

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

　　提高運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的性能

　　在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，可以通過提高運(yùn)動(dòng)反饋回路的性能來增強(qiáng)系統(tǒng)性能。旋轉(zhuǎn)和線性編碼器提供這個(gè)反饋來實(shí)時(shí)報(bào)告速度和位置。例如，可以由下面的方式提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制性能：提高定位精度；較高的運(yùn)行速度；提高系統(tǒng)效率；提高可靠性和可重復(fù)性?？梢杂上旅娴姆椒▽?shí)現(xiàn)這樣的性能指標(biāo)：系統(tǒng)和部件裝配校準(zhǔn)；實(shí)時(shí)配置調(diào)整；減少機(jī)械公差；添加機(jī)械定位調(diào)整；預(yù)防性維修調(diào)整。

　　雖然執(zhí)行很多這些方法對(duì)提高系統(tǒng)的性能可取，但對(duì)于新的設(shè)計(jì)或者現(xiàn)有的設(shè)計(jì)卻不一定可行。而且實(shí)現(xiàn)這些變化會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、可制造性、外形尺寸、成本和上市時(shí)間。然而，提高運(yùn)動(dòng)控制的反饋有助于提高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)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(shè)計(jì)資料。

　　單芯片編碼器設(shè)計(jì)方法

　　考慮圖1的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)配置。這是將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝編碼器安裝到一個(gè)無刷直流電機(jī)來提供運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的位置反饋。一旦此電機(jī)配置被連接到驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)，則會(huì)有機(jī)械和電子的調(diào)節(jié)局限。大部分情況下，這完全可以接受，但是對(duì)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(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖1:BLDC直流無刷電機(jī)連接獨(dú)立封裝編碼器。

　　現(xiàn)在來介紹另一種單芯片編碼器解決方案（如圖2所示）。這個(gè)設(shè)計(jì)方法是使用一顆編碼器芯片及現(xiàn)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(dá)到所有的要求。此外，參考電路板設(shè)計(jì)和布局通常可以從編碼器IC制造商處得到。

圖2:直流無刷電機(jī)連接基于單芯片設(shè)計(jì)的編碼器。

　　在圖2中，獨(dú)立封裝編碼器方案被單芯片編碼器設(shè)計(jì)取代。這個(gè)例子用的是一個(gè)iC-MH磁編碼器IC.采用這種類型設(shè)計(jì)，可以通過一個(gè)數(shù)字接口來調(diào)整編碼器的配置。

　　如圖中所示，編碼器芯片感知電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的方法是通過一個(gè)徑向磁化的圓柱狀磁鐵來實(shí)現(xiàn)的。該磁鐵安裝到貫通的電機(jī)軸，允許直接檢測電機(jī)的位置和速度。采用單芯片編碼器設(shè)計(jì)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(duì)位置數(shù)據(jù)讀出的數(shù)字符串行接口。

　　單芯片編碼器的類型和選項(xiàng)

　　圖3所示為磁編碼器和光學(xué)編碼器。正確選擇會(huì)對(duì)系統(tǒng)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(yīng)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(xué)編碼器。圖4為單芯片編碼器選型指南。通過比較每個(gè)編碼器IC的多個(gè)特性，有助于為應(yīng)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。

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(duì)式光學(xué)編碼器IC具有許多可用的編碼器輸出格式。

　　對(duì)于某些編碼器器件（例如iC-MH8），有一個(gè)開源串行接口BiSS,允許高速串行接口讀取配置和絕對(duì)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(duì)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(hào)調(diào)理，數(shù)字正弦/余弦細(xì)分，錯(cuò)誤監(jiān)視，自動(dòng)增益控制，多種編碼器輸出格式，BLDC電機(jī)換向信號(hào)輸出，數(shù)字配置，線驅(qū)動(dòng)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(jī)換向極性設(shè)置允許該編碼器設(shè)備適用于各種BLDC電機(jī)。所有這些可調(diào)節(jié)的設(shè)置都存儲(chǔ)在編碼器芯片的內(nèi)部RAM中，但是也將它們編程到片上非易失性PROM,以使這些設(shè)置在上電時(shí)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(gè)計(jì)算機(jī)圖形用戶界面工具（如圖8所示），來對(duì)此器件進(jìn)行簡單和實(shí)時(shí)的交互編程。用一個(gè)計(jì)算機(jī)適配器來做電路板上的編碼器IC的接口，然后將這個(gè)適配器通過USB連接到計(jì)算機(jī)。

圖8:iC-MH磁編碼器計(jì)算機(jī)配置圖形用戶界面。

　　除了可配置特性之外，考慮以下這些內(nèi)容有助于提高運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的系統(tǒng)性能特性。

分辨率

　　回顧圖1和圖2所示的設(shè)計(jì)，如果這個(gè)編碼器輸出是100CPR（每轉(zhuǎn)正交循環(huán)次數(shù)）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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的角度分辨率從0.9度每轉(zhuǎn)提高到0.09度每轉(zhuǎn)。有一點(diǎn)需要注意的是運(yùn)動(dòng)控制器處理帶寬和響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)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(shè)計(jì)必須保證在中斷和數(shù)據(jù)處理上能夠響應(yīng)這個(gè)增長。

　　在很多情況下，調(diào)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(xué)編碼器可以用數(shù)字方式調(diào)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(xué)編碼器IC內(nèi)建一個(gè)FlexCount模塊，這個(gè)模塊允許改變從1至65,536CPR任何分辨率而無需改變自身的碼盤。

　　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)提高性能的簡單方法是以改善編碼器的輸入來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于磁編碼器IC,它可能表現(xiàn)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(jī)械同心度設(shè)計(jì)。對(duì)于光學(xué)編碼器IC,它可能表現(xiàn)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(jī)械同心度設(shè)計(jì)。由提高編碼器反饋而提高控制系統(tǒng)性能。

　　精度校準(zhǔn)

　　編碼器的校準(zhǔn)除了可以選擇機(jī)械調(diào)整外，利用單芯片編碼器通過串行接口配置其內(nèi)部參數(shù)則提供了一種更為精確的校準(zhǔn)方案。如圖9所示，SinCosYzer是一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過輸入編碼器的正弦和余弦信號(hào)，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(zhǔn)。由于這些設(shè)置是實(shí)時(shí)顯示的，可以在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行調(diào)整--通過圖8所示的編碼器芯片計(jì)算機(jī)圖形用戶界面即可完成。通過對(duì)編碼器的正弦和余弦信號(hào)的幅度、偏置乃至相位進(jìn)行內(nèi)部信號(hào)調(diào)節(jié)，可以改變編碼器的內(nèi)部配置。

圖9:SinCosYzer編碼器校準(zhǔn)工具。

　　編碼器信號(hào)位置調(diào)整

　　數(shù)字調(diào)整編碼器的零位信號(hào)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(jìn)行數(shù)字調(diào)整。U脈沖的電機(jī)換向零位或者上升沿也可以以1.4度的步長進(jìn)行調(diào)整。這是一個(gè)在應(yīng)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(jī)磁極的位置，單芯片編碼器可以產(chǎn)生這些電機(jī)換向信號(hào)，然后允許對(duì)其進(jìn)行微調(diào)來增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)自身的性能。

圖10:iC-MH ABZ和BLDC UVW電機(jī)換向信號(hào)。

　　本文小結(jié)

　　和標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)具備了通過一個(gè)數(shù)字接口調(diào)節(jié)編碼器配置的能力，通過進(jìn)一步增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)控制反饋可以提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。