采用單芯片編碼器提高運動控制應用的性能

采用單芯片編碼器提高運動控制應用的性能  

   典型的標準封裝編碼器是許多運動控制應用的反饋設備,但是提供給最終用戶的許多配置是有限制的。一個替代和面向應用的方法是利用更高集成度的和智能化的傳感器技術基于一個單芯片的編碼器設計。這些提供了一個高度靈活的和可配置的選擇,對于那些需要能夠微調編碼器輸出而提高總體系統性能。

 下面的白皮書描述了采用單芯片編碼器方案提高運動控制系統的性能。

目錄:

1) 提高運動控制應用的性能       P.3

2) 單芯片編碼器設計方法       P.4

3) 單芯片編碼器的類型和選項     P.6

4) 單芯片編碼器提高性能的特性      P.8

5) 摘要               P.13

1   提高運動控制應用的性能

 

在運動控制應用中,可提高運動反饋回路的性能來增強系統性能。旋轉和線性編碼器提供這個反饋來實時報告速度和位置。

 

例如,可以由下面的方式提高系統的運動控制性能:

* 提高定位精度

* 較高的運行速度

* 提高系統效率

* 提高可靠性和可重復性

例如,可以由下面的方法實現這樣的性能指標:

*系統和部件裝配校準

*實時配置調整

*減少機械公差

*添加機械定位調整

*預防性維修調整

  雖然執行很多上面這些方法來提高系統的性能是可取的,但對于新的設計或者現有的設計不總是有可能的。而且,實現這些改變會影響系統設計的復雜性,可制造性,外形尺寸,成本和上市時間。然而,提高運動控制的反饋有助于提高系運動系統的性能,讓我們詳述一個編碼器設計,可以減少這些因素或者完全消除它們

2)單芯片編碼器設計方法

  考慮圖1的標準電機配置。這是一個標準封裝編碼器被裝到一個無刷直流電機來提供運動控制應用的位置反饋。一旦此電機配置被連接到驅動應用系統,會有機械和電子的調節局限。大部分情況下,這是可完全接受的,但是對那些需求較高性能的系統,必須要求更多的編碼器配置控制來滿足設計目標。

圖1:BLDC直流無刷電機連接獨立封裝編碼器

 

注意:Comm 是換向信號,ABZ是增量輸出信號,ABS是絕對位置輸出

  現在來介紹另一種單芯片編碼器解決方案如圖2所示。使用這個設計方法,一顆編碼器芯片,使用一個現成的外殼解決方案。由于這個高集成度單芯片編碼器芯片,只需要這個芯片本身再加上幾個分立元件便達到所有的要求。此外,參考電路板設計和布局通常可從編碼器IC制造商處得到。

 

如圖2所示,獨立封裝編碼器方案被單芯片編碼器設計取代,這個例子是一個iC-MH磁編碼器IC。采用此類型設計可通過一個數字接口來調整編碼器的配置。

 

圖2:直流無刷電機連接基于單芯片設計的編碼器

 

注意::Comm 是換向信號,ABZ是增量輸出信號,ABS是絕對位置輸出

Sin/Cos是模擬正弦和余弦輸出,Config是編碼器配置

 

  如圖中所示,編碼器芯片感知電機軸旋轉的方法是通過一個徑向磁化的圓柱狀磁鐵。此磁鐵安裝到貫通的電機軸,允許直接檢測電機的位置和速度。采用單芯片編碼器設計有可能提供增量輸出,正弦/余弦模擬輸出[4],以及為配置和絕對位置數據讀出的數字串行接口。

 

3)單芯片編碼器的類型和選項

 

  磁編碼器和光學編碼器如圖3所示。正確選擇其中之一會嚴重影響系統的性能。例如,選用磁編碼器可以更好的適應惡劣環境,以及裝配較簡單,通常它的分辨率和精度低于可比的光學編碼器。考慮圖4的單芯片編碼器選型指南。通過比較每個編碼器IC的多個特性,這將有助于為應用找到最佳的解決方案。

圖3:單芯片磁編碼器IC與磁鐵以及單芯片光學編碼器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,單芯片編碼器如IC-LNG提供不同輸出格式并有很多是可以同時使用。

圖5:iC-LNG光學絕對編碼器IC展示許多可用的編碼器輸出格式

 


  對于某些編碼器器件,例如iC-MH8,有一個源碼開放的串行接口BiSS,它允許高速串行接口讀取配置和絕對位置。有關更多的BiSS信息在BiSS的網站上可以找到。[1]

4)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調理,數字正弦/余弦細分,錯誤監視,自動增益控制,多種編碼器輸出格式,BLDC電機換向信號輸出,數字配置,線驅動能力以及在系統編程性。

 

  圖7:iC-MH8磁編碼器IC方框圖


     這些配置可以通過串行接口編程,很多編碼器IC提供一個計算機圖形用戶界面工具允許簡單和實時的交互編程此器件。一個計算機適配器用來做電路板上的編碼器IC的接口,然后這個適配器通過USB連接到計算機。這個計算機圖形用戶界面如圖8所示。


 圖8:iC-MH磁編碼器計算機配置圖形用戶界面

  選擇BLDC電機換向極性設置允許此編碼器設備適用于各種BLDC電機。所有的這些可調節設置存儲到編碼器芯片內部RAM,也可編程到片上非易失性PROM,允許這些設置在上電時讀取使用。


  除了可配置特性之外,讓我們考慮以下這些會有助于提高運動控制應用的系統性能特性。

 

分辨率

 

回顧圖1和圖2所示的設計,如果這個編碼器輸出是100 CPR(每旋轉正交循環次數)或者400正交沿,將其改變到一個較高的值如1000 CPR 或者4000正交沿,分辨率增加10倍。運動控制系統的角度分辨率從0.9度每旋轉提高到0.09度每旋轉。有一點需要注意的是運動控制器處理帶寬和響應時間[3]。當10倍以上的脈沖加到控制器或者嵌入式微處理器,硬件和軟件設計必須保證在中斷和數據處理能響應這個增長。

 

在很多情況下,調節分辨率需要置換編碼器器件本身,然而,沒有幾個可選的磁和光學編碼器可以用數字方式調節分辨率而無需改變編碼器IC或者源磁鐵/碼盤。例如,iC-LNB光學編碼器IC內建一個FlexCount模塊,這個模塊允許改變分辨率到任何要求的CPR,從1至65,536 CPR無需改變自身的碼盤。

 

外形尺寸

 

  單芯片編碼器提供了一個非常小的外形尺寸。小的封裝尺寸允許編碼器的電路板非常緊湊,可以在狹小的空間使用。這就可能允許一個編碼器解決方案使用到之前一個不能使用到的地方。

 

編碼器傳感器輸入

 

  編碼器輸入的好壞決定它的輸出,一個提高性能的簡單方法是改善編碼器的輸入來實現。對于磁編碼器IC,這個可能是選擇更高質量的某種形式的磁鐵,減小磁鐵到編碼器芯片之間的氣隙以及優化機械同心度設計。對于光學編碼器IC,這可能是選擇更高質量的某種形式的LED,同樣的也要減小氣隙和優化機械設計。通過這樣做來提高編碼器反饋來提高控制系統性能。

 

精度校準

 

  雖然機械調整是一個可選方法之外,利用單芯片編碼器通過一個串行接口配置它的內部參數提供了一個更為精確的編碼器校準方案。

  如圖9所示,SinCosYzer是一個數據采集系統。通過輸入編碼器的正弦和余弦信號,許多不同的測量值被顯示用來幫助校準。李育莎曲線,誤差曲線以及以位和度表示的精度。由于這些設置是實時顯示的,可無休止的調整,只需要通過編碼器芯片計算機圖形用戶界面來完成,如圖8所示,通過內部信號幅度調理,偏置調理乃至相位調理編碼器的正弦和余弦信號的方法改變編碼器的內部配置。

 

圖9:SinCosYzer 編碼器校準工具

 

編碼器信號位置調整

 

  調整編碼器的零位信號提供另一種提高系統性能的方法。如圖10所示,iC-MH磁編碼器的索引或Z位置可以數字化的在1.4度的步長內調整。U脈沖的電機換向零位置或者上升沿也可以在1.4度的步長內調整。這提供了一個在應用中靈活定義原位置的方法。不像霍爾傳感器感知BLDC電機磁極的位置是在一個固定的地方,單芯片編碼器可以產生這些電機換向信號然后允許微調它們來增強驅動電機自身的性能。

圖10:iC-MH ABZ和BLDC UVW電機換向信號

 

5)摘要

 

和標準封型編碼器相比,單芯片編碼器IC提供了一個高度靈活和高度可配置的編碼器方案。此外,基于單芯片編碼器設計,具備了通過一個數字接口調節編碼器配置的能力。通過進一步增強運動控制反饋來提高整個系統的性能。

 

上傳時間:2013-07-16
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