集成光編碼器用于BLDC 電機反饋

集成光編碼器用于BLDC 電機反饋

   在工業大多數的電能損耗來自大型電機和固定速度的驅動系統。因此,能效運動控制系統應適應未來實際負載需求應用。BLDC電機滿足這一要求通過電子換向和調速控制。電機磁極繞組換向在最佳的轉子位置的是非常重要的,用于減少電損耗當使用可變轉速和負載的情況。轉子位置反饋可靠性是很重要的,對于運動控制系統的性能。它允許定子繞組精確的換相,最大限度地減少電機電損耗。通常在120°相移UVW 信號用于激活BLDC 電機驅動器的換向。不同的選項可產生UVW信號。這可以使用霍爾傳感器或開關,可以組裝在繞組中或安裝在一個小的PCB 上面;計算軟件基于反電動勢數據從定子繞組;連接在電機軸上的光學或磁編碼器;或先進的單片光學或磁編碼器芯片集成電機外殼當中。霍爾傳感器或開關廣泛用于BLDC 電機,由于其低元件成本。這種方法需要有效的算法來計算UVW,從測得的反向電動勢。同時快速微處理器或DSP 需要減少執行時間和減少額外的延遲時間。這種方法的局限,UVW信號的產生可以在快速負載變化,在低轉速和在同步操作上觀看到。硬件中檢測轉子的絕對位置被認為是最可靠的選擇。連接在BLDC 電機上的光學或磁性編碼器是有利的,當需要高精度動態定位,如果應用對成本不敏感。

選擇磁/光學電機編碼

霍爾傳感器用于換向

 

 在一個BLDC 電機使用三個分離的霍爾傳感器/開關產生UVW信號基于傳感器的安裝位置,無論是在定子繞組,或組裝在小PCB上,0°,120°和240°,位置相對轉子永磁體。在某些情況下,一個磁極環連接到軸可以用。圖1 的左邊顯示了三個霍爾傳感器/開關的機械位置,用于UVW信號的產生。UVW信號定位精度與關的轉子實際位置取決于安裝公差與配合霍爾傳感器/開關的靈敏度和穩定性。磁場變化很多,由于超溫,轉子速度和

操作壽命(永磁老化),位置誤差很容易累加+ / - 3°或更多。另一種方法使用四個集成霍爾傳感器并且信號調理生成正弦/余弦信號,其中在360°轉動角度位置是連續可用的。圖1的右邊顯示了霍爾布置。一個小的永磁鐵直徑在4-6mm連接到轉軸,通過集成霍爾橋采集產生循環變化信號。傳感器裝置允許產生一個差分正弦/余弦信號,對普通的磁場是不敏感的。正弦/余弦信號然后可以通過一個正弦-數字轉換器轉換為絕對位置值。這種插補通過計算正弦值除以余弦值的反正切。它提供了轉子的絕對位置,可配置6~12位分辨率。

圖 1: BLDC電機位置檢測的選擇用于換向

  現代混合信號集成的研究進展,讓霍爾陣列加上所有的正弦/余弦信號調理和插值用于絕對位置,能夠在一個編碼器IC集成。代替三個分離的霍爾傳感器/開關,一個單一的5x5mm封裝可以組裝在同一個PCB上(參圖1)。該Z 信號標志轉子的零位置,允許從ABZ信號以簡單的方法計算電機的絕對位置,在電機控制和運動控制系統。從絕對位置也可以產生增量ABZ信號可用于監測快速位置變化,以非常低的延遲。圖2顯示了上/下AB信號編碼,用于增量操作。當電機的方向反轉AB信號改變其相移。該Z信號標志轉子的零位置,允許從ABZ信號以簡單的方法計算電機的絕對位置,在電機控制或運動控制系統。用正弦/余弦到UVW,插值單元的換向信號可以產生兩個,四個或多個磁極電機類型。在這種情況下,每個換向信號偏移了66°相位。它可以直接控制BLDC驅動單元用于塊換向。它也可以通過電機控制器用來產生正弦波換向。一個集成的單芯片磁編碼器通常有多輸出選項,用于電機控制器或高級運動控制器。但進展遠落后于當前的需求。

圖2: 通過正弦/余弦產生UVW和ABZ

提出了通過單芯片編碼器集成

  單芯片編碼器一體化的進展,使一個完整的“片上系統”具有多個輸出選擇用于BLDC 電機。圖3顯示了BLDC 電機反饋選項,以iC-MH8作為一個例子。在頂部的UVW 其他信號的輸出選項設置,例如絕對位置通過SSI / BiSS接口,ABZ增量和模擬正弦/余弦信號。該芯片包括一個霍爾陣列,模擬信號調理,數字正弦/余弦插值,誤差監控,自動增益控制,多編碼器的輸出格式,UVW電機換向輸出,數字配置,線驅動能力,和片內編程。霍爾橋信號調理和放大通過PGA自動增益控制來補償不同的操作條件,如溫度,電源電壓或磁場的變化由于溫度或老化。

圖3: 絕對磁編碼器電機控制帶輸出選項

  芯片上的正弦/余弦信號放大到1 Vpp,并且通過一個差分模擬輸出驅動器,用于外部監測或獨立的插補。他們也被用于12位實時正弦數字轉換器/插補器,以一個非常低時間延遲,小于1μS。12位提供了一個小于0.1°的分辨率。一個絕對位置可讀出通過串行SSI(同步串行接口)或BiSS接口(雙向同步串行接口)的運動控制器。一個開放標準的SSI / BISS提供高速串行接口,也用于生產線配置。如果需要,集成的RS422 線路驅動器支持長電纜到電機或運動控制器。ABZ信號以2MHz的頻率更新并且延遲時間小于1μS。零位可編程256 步(114°)用于增量,192 步(118°)用于UVW接口。也很重要的是要有設置和調理模擬信號的能力。這需要一個高質量編碼器輸出信號。選擇BLDC 電機換向磁極設置,可用于各種不同的電機設備類型。可調設置存儲在編碼器芯片的RAM并且能夠編程到片內非易失性ROM 中,上電后可讀。

光集成也可能

  磁性編碼器芯片能夠更好的用于非常苛刻,灰塵和嚴格的環境。然而光單片編碼器芯片帶換向輸出通過光學系統集成同樣變為可能。其性能更高一些,但對比表明,兩種技術齊頭并進。圖4顯示了兩個單芯片光學編碼器帶增量和UVW輸出。這里的分辨率定義是碼盤確定的,并且使用三個光學傳感器用于產生UVW。電機的極對數定義是碼盤設計確定的。例如,四個光電二極管陣列可以提供高達20,000CPR用一個直徑33.2mm的碼盤。特殊的封裝如optoQFN符合這個光學解決方案需要。現在的混合信號集成能力可以提供可靠、高度靈活單片編碼器芯片,并且可配置磁編碼器反饋選項具有12位分辨率。這與傳統的霍爾傳感器/開關系統相比較,具有高性能集成到電機殼體。在光學編碼器帶有集成的UVW輸出選擇,也是單芯片解決方案的發展趨勢。這些趨勢支持增強性能提高電機電子換向的能量效率,通過最好的電機反饋解決方案。

圖 4: 光學單芯片電機編碼器芯片帶UVW換向

 

 

 

上傳時間:2014-01-13
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