在许多运动控制应用中,有必要了解电动机转子或其负载的位置,速度,也许甚至加速。根据应用程序和设计细节,电机控制器可能需要精确地,大致或可能根本不需要了解这些参数。通过了解电机情况和转子状态,电机控制器具有闭环方案(图1)。

当然,电机的速度,位置和加速度紧密相关。因为速度是位置和加速的衍生物(变化时间率)是速度的导数,所以也可以确定所有三个因素,即使在知道其中一个(也注意补充:速度是加速度的积分和加速度位置是速度的积分)。

图1所示。在许多电机管理和控制应用中,传感器组件提供的转子位置和/或速度的实时细节,对于有效的闭环反馈和因此对目标的准确性能是至关重要的。(来源:比尔Schweber)

然而,在实践中,由于分辨率和噪声的原因,这种确定相关参数的方法往往(但并非总是)不充分。例如,知道转子已经完成了另一个革命告诉你所有的三个变量,但具有非常低的,通常无法接受的分辨率。根据应用的不同,所需的分辨率和精度可以从粗糙到适中到精确。数控机床需要精确的转子信息,汽车电动窗控制器可以接受近似的数据,洗衣机或烘干机只需要粗略的信息就可以满足。

关闭循环

为了检测转子的位置或运动,最常见的选择是解析器、光学或电容编码器和霍尔效应器件,大致按精度、分辨率和成本降序排列。这些传感器在物理设计、实现和电气接口上都有很大的不同,因此用户必须了解需要什么,给定应用中的最佳选择是什么,以及他们将如何将传感器与控制器的电路接口。

增量编码器 - 仅在需要相对位置或成本时使用的是问题 - 通常与交流感应电机一起使用。相反,绝对编码器 - 在每个位置提供不同的二进制输出,因此绝对确定轴位置 - 通常与伺服应用中的永磁无刷电机配对。当然,应用程序是确定是否需要增量或绝对信息的主要因素。

虽然现在大多数电机控制现在通过数字控制回路完成,但传感器信号本身是全模的,需要数字化或是数字信号,但具有电压和其他属性,使其与标准数字电路不兼容。尽管一些反馈传感器具有原始输出,但原始输出可以根据优选定制,许多也有条件,与标准I / O端口,格式和协议兼容的现成接口输出。

虽然更多的决议似乎是一个好主意,但它可能不是这样的实践。太多的一个显然良好的事情 - 解决方案 - 可以通过要求额外处理不需要或有用的信息的额外处理来减慢系统,因此对所需的最小的解决方案是一个好主意。

腐败师

图2。该解析器使用一个初级绕组和一对正交的次级绕组来评估角度。它需要交流励磁和解调,但是准确的,坚固的,并提供电源上的绝对位置信息。(图片:Analog Devices, Inc.)

Regarvers非常准确,坚固,绝对换能器的位置。它们基于基础变压器原理,其中一个初级绕组加上两个次级绕组,其相对于彼此在正交(90°)中(图2)。初级和次级绕组之间的有效转向比和极性因轴的角度而变化。主频率以恒定频率的参考交流波形激发,其范围为50Hz / 60 Hz至数百kHz,并且由于其物理放置而次级绕组的输出将不相位。诸如轴旋转并且将与轴角成比例时,赋形的峰值电压变化。通过使用主信号作为参考解调这些输出,旋转变压器电路可以提供轴角的高分辨率读数。

解析器不仅准确,而且也坚固耐用。剖位器在初级和二级方面没有物理接触,除了电机本身的那些外,没有单独的刷子或轴承,没有摩擦点会导致零件磨损,没有机会污染物(如石油)干扰操作。由于其机械坚固性和性能,腐蚀器在极具挑战性的情况下广泛使用,例如军用枪支中的角度测量。

然而,与替代方案相比,Resolvers往往很大,并且需要相对大量的功率,这在低功率应用中通常是不可接受的。它们还需要相对复杂的电路来产生和解调交流波形,尽管这与现代IC的障碍无关。它们提供了上电的绝对位置指示,并且不需要任何动作来索引或确定初始角度。此功能是在某些情况下的必要条件,也是其他人在其他情况下。

编码位置,不是数据

图3。该光学编码器具有光源、正交光传感器和带有线的插入盘。它体积小,功耗低,很容易与电路接口,并能提供优良的性能。(图片:印度政府资助的国家技术强化学习项目(NPTEL))

在增量位置读出中,光学编码器(这里的术语编码器与数字数据的编码不相关)使用光源(LED),正交中的两个光电传感器,以及它们之间的玻璃或塑料盘(图3)。磁盘具有从其中心辐射的细蚀刻线,并且在旋转时,传感器看到光明和黑暗的图案。

磁盘上的行数以及其他一些技术确定了通常为1,024,2,048,甚至每转的4,096计数的分辨率。与变压器类似的旋转变压器不同,光学编码器不是大众市场设备,直到长寿LED和高效的光电传感器的开发。

传感器的物理布置允许编码器确定旋转方向。基本电路将脉冲列表从两个传感器(称为A / B输出)转换为指示运动和方向的一对比特流(图4)。

图4。光电编码器的A/B正交和指数输出与许多接口和运动控制处理器I/O端口兼容。(来源:比尔Schweber)

编码器是一个增量的,而不是绝对的运动指示器。为了确定绝对位置,大多数编码器添加第三个航迹和光电传感器作为指标零参考航迹;该轴必须旋转足够通过零参考位置,这是信号。真正的相对位置读出可以添加到光学编码器,但这增加了单元的复杂性。

光学编码器提供了非常好的分辨率,但它们并不像腐败者那样坚固耐用。污垢可以干扰光路,编码器磁盘可以弄脏。然而,它们的性能对于许多应用而言,它们很小,重量轻,低功耗,易于接口,以及低成本。

电动机和旋转应用的典型光学编码器是来自Avago Technologies(Broadcom)的类似Heds-9000和Heds-9100双通道模块。这些高性能,低成本模块由带镜头的LED源和置于小型C形塑料封装的探测器集成电路,以及驱动器和接口电子设备(图5)。它们具有高度准直的光源和特殊的光电探测器物理布置,因此它们非常容忍安装未对准。(称为代码轮的磁盘是单独购买的,分辨率为500cpr和Heds-9000的1,000cpr和1,000cpr为Heds-9100的96cpr和512cpr之间。该模块提供了两个TTL兼容的A频道B数字输出并需要单个5 V电源。)

图5. Avago Heds-9000和HEDS-9100双通道模块提供体积小和安装灵活性;插入的光盘与每次旋转计数的所需分辨率单独订购。(图片:Avago Technologies / Broadcom)

CUI AMT10系列是光学编码器的替代方案,基于电容原理而不是光学原理(图6)。这些编码器提供一系列坚固耐用、高精度、模块化单元,可增量和绝对版本,通过一个4位双直插式封装(DIP)开关,用户可以从16个值中选择多达12位(4,096计数)的分辨率。这些单元的互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容A/B正交输出通过标准串行外设接口(SPI)报告。

图6. CUI AMT10电容式编码器可能看起来像外部的光学编码器,但底层的工作原理非常不同。(图片:Cui,Inc。)

与光学编码器不同,CUI AMT设备在编码器的移动和非移动部件上使用重复,蚀刻图案的导体图案。当编码器旋转时,两部分之间的相对电容增加并且减小,并且感测到电容的变化,稍微类似于光学编码器中的光电晶体的输出。污垢和其他污染物在这里几乎没有损害。

请记住,旋转变压器或编码器也是具有安装考虑因素的机械设备以及电容性要求。为了最大限度地减少库存和库存问题,CUI提供了具有宽范围的套管,盖板和安装底座的AMT10系列,因此可以在各种轴直径和安装中使用相同的基本编码器。

Detalvers和编码器可以产生高达1/100度的基本读数(0.6弧分钟)或更好但精度与分辨率相同(再次,一些应用程序更加关注这些比其他应用程序中的一个).无论设计是否使用旋转变压器或编码器,由于温度,误差,更改,不需要的相移和其他因素的速度发生错误源。然而,这些单元的供应商已经设计了消除,取消或补偿许多这些缺点的方法,通常通过使用基于原始传感器输出和进入系统控制器的调节输出之间的IC基电路。

霍尔效应装置强劲

另一类编码或传感器装置还基于时间磨损的原理,需要现代半导体电子和包装,以广泛承受,可用,有效。此外,现在可以在片上使用可以利用MINISTULE电压并将其易于连接到系统的关键接口电路,进一步简化了该技术的使用。霍尔效应装置可用于感测电流通过作为传感器的一部分的导体,或附近磁场的存在或不存在。

图7.霍尔效应装置的原理涉及彼此正交的电流,电压和磁场。(图片:国家技术方案增强学习(NPTEL),由印度政府资助的项目)

我们所知道的霍尔效应是由埃德温·霍尔在1879年发现的;电位差-霍尔电压-在导体上产生,与导体中的电流和垂直于电流的磁场成直角(图7)。

一些霍尔效应传感器远远超出了传感器元素本身。Melexis MLX90367 TriZIAXIS位置传感器是对透明度密度敏感的整体绝对传感器IC,其施加正交,并平行于IC表面。它对磁通密度的三个部件敏感,这允许MLX90367(用正确的磁路)解码任何移动磁铁的绝对位置(例如从0到360°的旋转位置)。

图8。Melexis MLX90367不仅仅是一个霍尔效应传感器;它包括一个放大器,数字化仪,处理器,固件和I/O。(图片:Melexis n.v.)

在内部,该12位分辨率设备包括片上信号处理,具有微控制器和DSP(图8),因此它可以执行所需的计算加上固有非线性的校正和更多(图9)。它还支持各种用户可选择的功能,功能和各种输出格式,包括具有名为Sent(SAE J2716-2010)的内置纠错的高级格式,这些格式被广泛用于汽车应用。

图9. MLX90367中的处理能力使其通过校正基本霍尔效应传感器的线性度的一些可避免的误差而显着提高性能。(图片:Melexis n.v.)

大多数霍尔效应磁性编码器使用连接到电机轴的车轮,车轮在其周边周围有一组磁化的北极和南极;它是光学编码器开槽轮的磁性类比。车轮通常由嵌入杆阵列的注塑成型铁氧体制成。典型的车轮用32个极磁化(16南部和16个南部),因此分辨率远低于光学编码器或解析器,但对于许多情况来说通常足够。典型的安装有三个霍尔效应传感器,电气间隔120°,以感测车轮的换向。

概括

设计师必须感知电机的位置,速度,或加速有广泛的选择,包括许多关键参数和性能属性。解析器,光学和电容编码器,和霍尔效应设备都有长期和证明的记录,加上广泛的支持通过应用技术。

选择可能是由一个最重要的因素——如坚固性或低功率——或传统和习惯使用在特定情况下。一旦决定了要使用的基本技术,就会有许多可行的供应商和每个供应商的零部件,所以在决定一个特定设备时可能需要进行一些研究,以便更好地了解两者之间的权衡。

本文是由Bill Schweber编写的Mouser Electronics,Mansfield,TX。有关更多信息,请访问这里


运动设计杂志

本文首先出现在6月份,2021年问题运动设计杂志。

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