絕對值編碼器設計:是選磁編碼器還是光學編碼器?

絕對值編碼器設計:是選磁編碼器還是光學編碼器?

  磁位置編碼器的角度分辨率和精確度與徑向的磁鐵掃描霍爾傳感器的中心有關,受限于可行的插補細分深度和有效的磁場質量。通過每旋轉掃描多個正弦周期,光學位置編碼器具有更高的分辨率。如果使用磁碼盤,這種方法也適用于磁編碼器系統,但是哪個系統更好?

  本文描述磁和光學單芯片編碼器的關鍵參數,權衡兩種解決方案和比較兩種編碼器的性能來達到選擇設計方案的目的。        

           目錄

  1. 介紹

  2. 兩種傳感器,兩種系統

  3. 線性應用

  4. 比較兩種旋轉編碼器應用系統

4.1)裝配公差和補償特性

4.2)可能的誤差來源

5. 結論:哪個更好?

                                           

1)介紹

 

  如今的絕對位置傳感器的制造需求與測量精度以及尺寸大小均和成本有關,而且往往及其多樣化。好的選擇是找到僅有的一個恰當的系統解決方案來適應手頭的任務。所要解決的問題是耗時的,由于不僅是傳感器的機械結構,而且每個沒有體現在元件規格書里的的參數也要考慮進來。另外,開發集成傳感器芯片必須基于一個給定的測量裝置,或者提供合適可能的匹配。

  光學掃描器通常使用單獨封裝,方便對光電二極管陣列進行幾何修改。然而,對于磁的霍爾編碼器不具有可比的有效選項,為此不得不提供一個合適的傳感器陣列在芯片內部,或者采用其他方法,由芯片布局決定磁鐵的指標。小的外形尺寸和最佳性能通常是這兩種解決方案都具有挑戰性的設計目標。本文比較一個16管腳DFN封裝的18位磁單芯片霍爾編碼器iC-MU和一個optoQFN封裝的18位光學編碼器iC-LNB。

2)兩種傳感器兩種系統

  多通道光電子掃描器iC-LNB捕獲絕對位置數據用于線性位移測量系統或者旋轉編碼器(圖1)。同步掃描一個10位二進制碼,附加一個模擬的信號軌道用來評估實時的插補細分,使用一個小的編碼量來達到高的角度分辨率。期望得到的絕對值位置和增量位置分辨率使用內部的“FlexCount”算法得出,提供1至65536范圍內任意脈沖數量的分辨率供選擇.

圖1.光掃描器iC-LNB

  編碼窗口寬度僅5.2mm,支持使用較小的碼盤或者較大直徑的空心軸。伴隨著節能的iC-SN85 LED來擔當一個緊湊的光源和iC-LNB的監視器,以及控制照度的級別。關鍵的邏輯處理也由iC-LNB內部執行,而更復雜的任務也可由一個外部的微控制器執行。

  偏置和幅度補償功能已被集成到芯片內部,用于修正模擬軌道信號,這些信號也由差分的1024個周期的正弦和余弦信號通過四個輸出端口輸出。由信號矯正電路來降低插補細分的誤差并獲得更高的位置數據精度。

 

位置數據輸出可以是并行的(高達16位)或者是串行的(使用一個快速移位寄存器)。時鐘速率高達16MHz,允許循環讀出時間小于1us。3.3V兼容的SPI端口支持器件設置和用來掃描位置數據以及診斷消息(例如,當奇偶校驗位打開,存儲監視標志一個錯誤)。最大允許速度依賴于分辨率;當17位分辨率時可獲得6000rpm(表1)。

                    

表1:元件電氣參數

  霍爾編碼器iC-MU是一個全集成的單芯片器件,是理想的磁碼盤、磁鼓和磁帶掃描器,適用于運控控制應用。典型應用包括絕對位置編碼器、增量編碼器以及用于無刷電機的換向編碼器(圖2)。位置數據被實時捕獲并由串行接口(BiSS,SSI以及SPI)和一個增量接口兩同時輸出。任意數量的分辨率脈沖數可以使用內部“FlexCount”算法再次選擇。

 

  采用合適的磁測量機構,設有兩個增量軌道,極寬大約1.28mm,每個磁極對是差分的,由另一個磁極對交叉穿過測量間隔。兩個同步的正弦-數字轉換器用來數字化霍爾傳感器信號;這些矢量跟蹤轉換器跟蹤磁場變化率達8 MSPS,無延時。

 

  由兩個軌道信號之間的相位差,集成的掩膜-已編程信號處理器計算絕對位置基于游標原理。使用這個原理,運動控制不必要獲得絕對位置。在旋轉應用中,可獲得一個19位的分辨率(相當于2.5弧度秒),當使用磁碼盤 MU2S 30-32時,以及支持的速度高達12000 rpm。

 

  通過安排磁極對在一個高分子磁鐵上面的一個扁平碼盤,可建立一個緊湊的系統,它可以理想的直接安裝到電機的法蘭上。掃描工作距離于芯片平面大約0.4mm。

 

  設計于一個16腳的DFN封裝,iC-MU集成全部的所需編碼器功能在最小可能的空間,僅5*5mm。偏心或者偏軸放置支持空心軸用于高分辨率的磁絕對值編碼器。適合的磁碼盤直徑為30mm,支持空心軸直徑高達10mm。

                                 

圖2:磁傳感器芯片和磁碼盤

 

  通過設置細分因數從1到65536,數字角度位置可以從ABZ接口以任何分辨率輸出。由于內部的“FlexCount”算法,整個范圍的分辨率參數僅使用一只傳感器就可以滿足。這允許一個設計適合各種編碼器分辨率而無需改變測量裝置。完全安裝好編碼器的位置以后也可以編程,以最少的時間交付上市。而且,零位置信號也可以在裝配好以后再編程。

 

  iC-MU可以產生3個換向信號(U、V和W)來運轉無刷直流電機,適合電機極對從1到16。由于精確的電子調節UVW信號可以按照轉子的位置改變而提供了一個關鍵的優勢,使得不再需要通常使用的霍爾開關系統。

 

  由于可以支持空心軸應用,可以使用一個兼容的裝配替換旋轉變壓器。作為整個系統的一部分,這將導致一個更便宜的旋轉變壓器替換解決方案產生,隨著它的高分辨率,支持更精確的電機控制。

 

  SPI接口可以直接連接到一個微控制器,BiSS用于雙向通信和CRC校驗的超長距離通信,以及SSI是一個標準的編碼器接口。所有的接口允許時鐘頻率高達10MHz。

 

  關于數據輸入,iC-MU在BiSS協議下支持多從機應用鏈式連接,使用同步時鐘連接多個編碼器來捕獲數據。如果一個相關編碼器已連接并設置和開始工作,絕對精度有可能在最高速度時記錄、評估以及由一個微控制器校正,這個微控制器可允許在系統中擔當一個交互的輸出接口。

3)線性應用

  iC-MU支持40,80,或者160mm距離的絕對線性測量,位置分辨率大約160nm。兩個器件可被級聯用于更大的距離,使得最大可能的測量絕對距離延長,由2到64的一個因數確定(圖3)。這使得絕對距離測量系統可以達到數米,測量速度高達16m/s。

                      

圖3:元件級聯用于線性測量系統和大空心軸應用

 

  例如,決定圖3的多圈設計絕對位置測量來自于中間軌道的1024個循環和上面軌道的1023個循環。相位差由橫跨整個2.6米的測量長度決定。下面的這顆iC-MU(1)在中間軌道的1024個循環和下面軌道的992個循環之間計算相位差。此裝置因此重復產生32次位置數據,橫跨整個測量長度。 多圈數據來自于iC-MU(2),用來區分這32個段。

 

  此外,級聯兩個iC-MU霍爾編碼器,其他多圈傳感器(齒輪箱)也可以用來提供它的多圈數據給iC-MU。一旦供給電源,多圈數據自動讀取,并且在計量模式期間周期性檢查。

4)比較兩種旋轉編碼器應用系統

 

  兩種編碼器的傳感器結構已經確定,支持小尺寸和成本敏感的產品而沒有犧牲任何測量精度(圖4)。盡管這兩種器件采用不同的電路設計方法,它們同享類似的性能特性(表1);支持任意可編程脈沖數的實時高絕對值和增量信號分辨率。

 


圖4:裝配原理和尺寸比較

  當選擇基本的系統布局時其他決定因素也必須考慮進去,例如應用領域和測量精度要求。表2比較了主要的傳感器規格參數。

 


表2:光和磁傳感器的特征比較

  隨著完美的電子處理測量系統,磁碼盤的磁極間距誤差是絕對測量誤差的顯現來源。例如,一個典型的磁精度是15um,而光學碼盤的線精度是300nm,差別是顯而易見的。借助于掃描半徑(表3),這個值可以被轉換成角度誤差;在理論上,磁編碼器系統大約為0.07°(252弧度秒)以及光編碼器系統大約為0.0018°(6.4弧度秒)。光學系統其它的主要誤差來源總計為0.011°(40弧度秒)。

 

  用戶選擇一個特定的系統主要依據這個系統的優點和缺點。例如,磁編碼器系統具有多種優勢的環境免疫力,諸如,灰塵、油污以及水汽。它也允許一個寬的工作距離,允許軸向間隙和安裝公差較大而容易裝配。由于磁編碼器系統無需LED和光學器件,一個扁平的編碼器設計成為可能,

 

  對于芯片設計者,當開發電路時傳感器的信號扮演著一個主要的角色。光學傳感器讀取軸角由光學碼盤產生的光分布和強度決定。好的信號對比度必須避免成像錯誤。為了戰勝這個,特殊的編碼器LED提供均勻性的平行光,iC-SN85是一個合適的LED。它支持大約200nA的光電流產生,在傳輸阻抗為1MΩ時產生的信號電壓為200mV。

 

  對于磁傳感器,磁場分量垂直于芯片是有益的。霍爾效應直接提供一個典型的mV級電壓,依賴于磁場強度分量Z。由于單個霍爾元件僅能感知到磁鐵的距離,而采用多個霍爾元件在不同位置記錄磁場的Z分量以便角度信息可由各個局部的磁場漸變得出評估。霍爾元件必須真實地“感知”這個彎曲的近場磁力線。由于霍爾電壓的極性跟隨磁場的方向,磁鐵的北極可區別于南極,使得使用一個極對來確定絕對角度成為可能。

 

  霍爾元件最多僅能從磁碼盤的磁場產生10mV的電壓。為了達到光學編碼器系統的分辨率,信號的帶寬必須被限制。為了達到信號調理的目的,霍爾元件使用一個固定的掃描頻率和濾波來評估。這個霍爾傳感器扮演了一個模擬低通角色,截止頻率大約20kHz。然而,實際上,較長的信號傳輸延時是不相關的。

 

4.1)裝配公差和補償特性

  兩個系統都使用快速實時插補細分電路由向量追蹤轉換器使用arc tangent進行轉換。關于偏置、幅度匹配、相位精度和諧波,此轉換器依賴于模擬的正弦/余弦傳感器信號。然而,與理想的裝配位置的偏差引起的信號誤差會減小插補細分的精度。為了確保測量精度,兩個系統都允許靜態校準由裝配引起的信號誤差和通過集成的D/A轉換器校正調節幾個模擬信號路徑。

 

  電子信號校準會增大機械活動限制度(表3)。iC-MU也允許正弦/余弦相移校準,這也能補償徑向對準誤差。一旦設置和校準,所選擇的工作點由自動功能來維持。對于光學編碼器,集成的LED功率控制補償由溫度上升引起的LED效率損失。霍爾編碼器有一個增益控制用來補償當磁碼盤與芯片距離的變化時引起的場強改變。

 


表3:機械數據和裝配公差

 

4.2)可能的誤差來源

  原則上,誤差應該被通盤考慮進去。在這里,已對基本情況進行了考察,拿霍爾編碼器作為一個例子。如果測量用磁鐵的相關幾何尺寸已被考慮進去,這些考察結果也同樣適用于光學編碼器系統。

 

  如果霍爾編碼器在掃描半徑對齊不理想,將會引起正弦信號失真。如果有一個半徑位移(ΔR),霍爾元件不能探測到磁體或者探測到分段的磁極不在正確的位置(圖5B)。正弦和余弦信號就會有一個固定的位移誤差在隨后的掃描中出現。然而,這也可能通過使用集成的信號校正電路得到補償。

表達式1:由于徑向對準引起的測量誤差

 

  表達式1給出了傳感器信號電子相位誤差,D為掃描直徑,ΔR為掃描位移。例如,參考電子正弦周期信號,一個霍爾編碼器徑向0.1mm位移會產生0.35°的相移在掃描直徑為26mmm時。如果計算每旋轉的機械角度誤差,結果必須除以極對數。一個標準磁碼盤有32個極對,相當于機械角度誤差為0.01°。

  另一方面,器件在切線方向的位移(ΔX)對兩個軌道信號電子角度相移的影響或大或小是相同的(圖5A)。這個間距改變和相位差異僅輕微地影響計算絕對位置值,實際上幾乎不會改變。

然而,偏心裝配誤差(ΔE)會引起設備抖動(圖5C)。直徑越小,測量目標的改變越大。一個長波誤差出現會減小絕對測量精度。

                                             

表達式2:由偏心率引起的測量誤差

 偏心率誤差來自于測量器件的位移ΔE,這個誤差來自于旋轉軸和測量磁鐵的極寬p。因此,一個偏心率10um的誤差導致相位誤差為1.4°(參考正弦周期),或者角度誤差0.05°(參考機械旋轉),有關尺寸大小,見表3,掃描直徑26mm,極寬1.28mm,32極對。對于起決定性作用的相位差游標計算,偏心率誤差扮演著一個較小的影響,由于兩個信號軌道的偏心率是相同的。

在一個完整的機械旋轉360°,角度精確度優于+/-0.1°。這個精度受磁化系統的限制。如果個別的磁極變化,輕微的位移影響在大約45°和90°,如圖6所示。連接參考編碼器的機械軸也產生一個軸心誤差,它可以通過在同一個方向旋轉的一個長波偏離觀察到。

圖6:iC-MU磁系統角度精度

圖6展示了iC-MU磁系統的角度測量精度,使用磁碼盤 MU2S 30-32,周期角度為11.25°

在這里,數學和圖形功能在BiSS讀出軟件里能容易的比較測量數據。

 

5)結論:哪個更好?

  磁傳感器技術有很多優點可說:優秀的可靠性、對沖擊和振動的高抵抗性、不易碎、對灰塵和水蒸氣不敏感。單芯片霍爾編碼器iC-MU允許使用空心軸以及可實現僅有光編碼器才能做到的位置分辨率。然而,對于高測量精度的應用,光學傳感器,諸如iC-LNB等有優勢,但是需要更昂貴的裝配成本。但是,考慮到它們具有小的optoQFN和optoBGA封裝,單芯片編碼器是一個可行的選擇。基于這些關鍵點,決定選擇哪一個方案應該由應用本身的需求來決定。

   

上傳時間:2013-07-16
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