运动控制应用电机传感器时的选型指南

作者:Bill Schweber,Mouser Electronics 

在许多运动控制应用中,有必要了解电机的转子或其负载的位置,速度甚至加速度。根据应用和设计细节,电动机控制器可能需要精确地,大概地或者完全不知道这些参数。通过了解电机情况和转子状态,电机控制器具有闭环情况,如图1所示。
在许多电机管理和控制应用中,由传感器组件提供的转子的位置和/或速度的实时细节对于有效的闭环反馈以及因此对目标的准确性能至关重要。 资料来源:Bill Schweber

图1:在许多电机管理和控制应用中,由传感器组件提供的转子的位置和/或速度的实时细节对于有效的闭环反馈以及因此对目标的准确性能至关重要。资料来源:Bill Schweber
当然,电机的速度,位置和加速度都是密切相关的。因为速度是位置的导数(时间变化率),加速度是速度的导数,所以即使知道其中一个因素也可以确定所有三个因素(也注意补码:速度是加速度的积分,位置是速度的积分)。
然而,在实践中,由于分辨率和噪声,这种确定相关参数的方法通常(但不总是)不足。例如,知道转子已经完成了另一场革命,告诉你所有三个变量,但是具有非常低的和通常是不可接受的分辨率。根据应用,所需的分辨率和精度可以从粗略到中等到精确。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大致数据,只能使用洗衣机或烘干机粗略的信息。

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为了检测转子位置或运动,最常见的选择是分辨率,光学或电容编码器和霍尔效应器件,其精度,分辨率和成本大致降序。这些传感器在物理设计,实现和电气接口方面都有很大差异,因此用户必须了解所需的内容,给定应用中的最佳选择,以及如何将传感器与控制器的电路进行接口。
增量编码器(仅在需要相对位置时才使用,或成本是一个问题)通常与交流感应电机一起使用。相比之下,绝对式编码器(在每个位置给出不同的二进制输出,所以轴位置绝对确定)通常与伺服应用中的永磁无刷电机配合使用。当然,应用程序是确定需要增量或绝对信息的主要因素。
虽然大多数电机控制现在通过数字控制回路完成,但传感器信号本身既是全模拟的,也需要进行数字化处理,或者是数字信号,但具有与标准数字电路不兼容的电压和其他属性。虽然一些反馈传感器提供可以被优化的“原始”输出,但是许多反馈传感器还具有与标准I / O端口,格式和协议兼容的条件化的即用型接口输出。
虽然更多的解决方案似乎是一个好主意,但在实践中可能不是这样。通过要求对不需要或不需要的信息进行额外的处理,可能会减慢系统的运行速度,因此将解决方案限制在最低限度是一个好主意。

“我在此解决...”

分离器是非常精确,坚固,绝对的位置传感器。它们基于基本的变压器原理,一个初级绕组加上两个相对于彼此正交(90°)的次级绕组,图2.初级绕组和次级绕组之间的有效匝数比和极性根据轴的角度。初级线圈以恒定频率的参考交流波形激励,频率范围为50 / 60Hz到几百kHz,并且次级绕组的输出由于其物理放置而将异相。副轴的峰值电压随轴转动而变化,并与轴角成正比。通过使用主信号作为参考来解调这些输出,
旋转变压器使用正弦绕组和一对次级绕组来评估角度;  它需要交流励磁和解调,但精确,坚固耐用,并提供绝对位置信息上电。 (图片:Analog Devices,Inc.)

图2:分解器使用正弦绕组和一对次级绕组来评估角度; 它需要交流励磁和解调,但精确,坚固耐用,并提供绝对位置信息上电。(图片:Analog Devices,Inc.)
解析器不仅准确,而且坚固耐用。一次侧和二次侧之间没有物理接触,除了电机本身之外没有单独的电刷或轴承,没有会导致零件磨损的摩擦点,并且没有污染物(如油)的机会干扰操作。解决方案广泛应用于极具挑战性的场合,如军用角度测量,因为其机械坚固性和性能。
然而,与替代方案相比,分解器往往是大的并且相对昂贵,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,尽管这不仅仅是现代IC的障碍。它们在“上电”时提供绝对位置指示,不需要任何运动来确定初始角度。当然,这个功能在某些情况下是“必须的”,而在其他情况下是“不关心”的。

编码位置,而不是数据

光学编码器(这里的术语“编码器”与数字数据的编码无关)在增量位置读出中,其使用光源(LED),正交的两个光电传感器和它们之间的玻璃或塑料盘,图3磁盘具有从其中心辐射的精细蚀刻线,并且当其旋转时,传感器看到明暗的图案。
磁盘上的行数和一些其他技术决定了分辨率,通常为每分钟1,024,2,048甚至高达4,096个计数。与变压器式旋转变压器不同,直到长寿命LED和高效光电传感器的发展,光学编码器才不是大众市场设备。
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,非常容易与电路接口,并能提供出色的性能。 (图片:由印度政府资助的一个项目由国家技术强化学习计划(NPTEL)提供)

图3: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,非常容易与电路接口,并能提供出色的性能。(图片:由印度政府资助的一个项目由国家技术强化学习计划(NPTEL)提供)
传感器的物理布置使编码器确定旋转方向。基本电路将来自两个传感器(称为A / B输出)的脉冲串转换成指示运动和方向的一对比特流,图4。
光学编码器的A / B正交和索引输出与许多接口和运动控制处理器I / O端口兼容。 资料来源:Bill Schweber

图4:光学编码器的A / B正交和索引输出与许多接口和运动控制处理器I / O端口兼容。资料来源:Bill Schweber
然而,编码器是运动的递增而不是绝对的指示器。为了确定绝对位置,大多数编码器添加第三轨道和光电传感器作为指标“零参考轨迹”; 轴必须旋转足够以通过零参考位置以使其发出信号。有一些方法可以将真正的相对位置读数添加到光学编码器,但这些增加了单元的复杂性。
光学编码器提供非常好的分辨率,但它们不像分解器那样坚固耐用。污垢会干扰光路,编码器盘可能会变脏。然而,它们的性能对于许多应用来说是足够的,它们体积小,重量轻,功耗低,易于接口和低成本。
用于电机和旋转应用的典型光学编码器是安华高科技(Broadcom)的类似HEDS-9000和HEDS-9100双通道模块。这些高性能,低成本的模块包括带有透镜的LED​​光源和封装在小型C形塑料封装中的检测器IC,以及驱动器和接口电子器件。图5.它们具有高度准直的光源和特殊光电检测器的物理布置,因此它们非常容忍安装不对准。
安华高HEDS-9000和HEDS-9100双通道模块提供小尺寸和安装灵活性;  插入的光盘以所需的每转计数分辨率单独订购。 (图片:Avago Technologies / Broadcom)r

图5:安华高HEDS-9000和HEDS-9100双通道模块提供小尺寸和安装灵活性; 插入的光盘以所需的每转计数分辨率单独订购。(图片:Avago Technologies / Broadcom)
请注意,称为代码轮的磁盘单独购买,HEDS-9000的分辨率为500 CPR和1000 CPR,HEDS-9100的分辨率为96 CPR和512 CPR之间。这些模块提供两个TTL兼容的A和B数字输出通道,需要一个5 V电源,如图6所示。
安华高光学编码器包括物理元件和内部电子元件的对齐布置。 (图片:Avago Technologies / Broadcom)

图6:安华高HEDS-9000和HEDS-9100双通道模块提供小尺寸和安装灵活性; 插入的光盘以所需的每转计数分辨率单独订购。(图片:Avago Technologies / Broadcom)
基于电容原理而不是光学编码器,可替代光学编码器,如CUI AMT10系列图7所示。这些编码器提供了一系列坚固,高精度,模块化单元,可提供增量和绝对版本,用户可以通过四位DIP开关从16个值中选择最多12位(4,096计数)分辨率。这些单元的CMOS兼容A / B正交输出通过标准SPI接口进行报告。
CUI AMT10电容编码器可能看起来像外部的光学编码器,但底层的工作原理是非常不同的。 (图片:CUI,Inc.)

图7: CUI AMT10电容编码器可能看起来像外部的光学编码器,但底层的工作原理是非常不同的。(图片:CUI,Inc.)
与光学编码器不同,CUI AMT设备在编码器的移动和不移动部分使用重复的蚀刻图案。当编码器旋转时,两个部件之间的相对电容增加和减小,并且这种电容变化被感测到,有些类似于光学编码器中的光电晶体管的输出。污垢和其他污染物在这里几乎没有什么不利影响。
请记住,旋转变压器或编码器也是具有安装考虑以及电气兼容性要求的机械设备。为了尽量减少库存和库存问题,CUI为AMT10系列提供了宽范围的套筒,盖板和安装基座,如图8所示,因此可以使用相同的基本编码器进行各种轴直径和安装。
在实践中,编码器必须解决各种轴和安装情况;  CUI提供全套颜色编码的袖子和其他配件,使单个编码器可以为许多应用提供服务。 (图片:CUI,Inc.)

图8:在实践中,编码器必须解决各种轴和安装情况; CUI提供全套颜色编码的袖子和其他配件,使单个编码器可以为许多应用提供服务。(图片:CUI,Inc.)
分辨率和编码器可以产生高达1/100度(0.6弧分)或更高分辨率的基本读数,但精度与分辨率不同(再次,一些应用程序更关心其中之一)。无论设计是使用旋转变压器还是编码器,由于温度,跟踪变化的速度,不期望的相位偏移以及其他因素都会导致误差源。然而,这些单元的供应商已经设计出消除,取消或补偿许多这些缺点的方法,通常通过使用原始传感器输出和进入系统控制器的调节输出之间的基于IC的电路。

霍尔效应器件强大

还有另一类编码或传感器设备也基于延时原理,但这需要现代半导体电子和封装成为广泛实惠,可用和有效的。此外,关键接口电路可以利用微小的电压并将其轻松地与系统进行接口,现在可在片上获得,进一步简化了该技术的使用。可以使用霍尔效应器件来感测通过作为传感器的一部分的导体的电流,或者是否存在附近的磁场。
我们所知道的霍尔效应在1879年由埃德温·霍尔(Edwin Hall)发现:潜在的差异 - 电导体上产生的霍尔电压与导体中的电流成直角,并且垂直于电流的磁场9。
霍尔效应器件的原理涉及彼此正交的电流,电压和磁场。 (图片:印度政府资助的一个项目,技术增强学习国家计划(NPTEL))

图9:霍尔效应器件的原理涉及到彼此正交的电流,电压和磁场。(图片:印度政府资助的一个项目,技术增强学习国家计划(NPTEL))
一些霍尔效应传感器远远超越了仅包含传感器元件本身。Melexis MLX90367 Triaxis位置传感器是一种对正交和平行于IC表面施加的通量密度敏感的单片绝对传感器IC。它对磁通密度的三个分量敏感,这允许MLX90367(具有正确的磁路)解码任何移动磁体(例如从0到360°的旋转位置)的绝对位置。
在内部,这种12位分辨率器件包括片上信号处理,微控制器和DSP,图10,因此它可以执行所需的计算以及固有非线性的校正等等。图11.它还支持广泛的用户可选择功能和特性,以及各种输出格式,包括称为SENT(SAE J2716-2010)的内置纠错的高级格式,广泛应用于汽车应用。
Melexis MLX90367不仅仅是霍尔效应传感器;  它包括一个放大器,数字转换器,处理器,固件和I / O。 (图片:Melexis NV)

图10: Melexis MLX90367不仅仅是霍尔效应传感器; 它包括一个放大器,数字转换器,处理器,固件和I / O。(图片:Melexis NV)
MLX90367的处理能力可以通过校正基本霍尔效应传感器的线性度中的一些可避免的误差来显着提高性能。 (图片:Melexis NV)

图11: MLX90367的处理能力可以通过校正基本霍尔效应传感器的线性度中的一些可避免的误差来显着提高性能。(图片:Melexis NV)
大多数霍尔效应磁编码器使用连接到电机轴的车轮,车轮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铁氧体制成。典型的车轮被磁化了32极(16北和16南),所以分辨率远远小于光学编码器或旋转变压器,但在许多情况下通常都是足够的。典型的安装有三个霍尔效应传感器,电隔开120°,以感测车轮的换向。

概要

必须检测电机位置,速度或加速度的设计人员可以有多种选择,涵盖许多关键参数和性能属性。解决方案,光电和电容编码器以及霍尔效应器都具有长久而有力的跟踪记录,并通过应用专业知识得到广泛的支持。
选择可能是由一个重要的因素驱动的,例如坚固性或低功率 - 或者在给定情况下通过传统和习惯使用。一旦确定了使用的基本技术,仍然有许多可行的供应商和零件,所以对特定设备的决定可能需要一些研究才能更好地了解权衡。

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