原创 采用单芯片编码器提高运动控制应用的性能(一)

   采用单芯片编码器提高运动控制应用的性能

 马超群(Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430) 

典型的标准封装编码器是许多运动控制应用的反馈设备，但是提供给最终用户的许多配置是有限制的。

一个替代和面向应用的方法是利用更高集成度的和智能化的传感器技术基于一个单芯片的编码器设计。这些提供了一个高度灵活的和可配置的选择,对于那些需要能够微调编码器输出而提高总体系统性能。

下面的白皮书描述了采用单芯片编码器方案提高运动控制系统的性能。

目录：

1） 提高运动控制应用的性能      

2） 单芯片编码器设计方法      

3） 单芯片编码器的类型和选项    

4） 单芯片编码器提高性能的特性     

5） 摘要               

1）   提高运动控制应用的性能

在运动控制应用中，可提高运动反馈回路的性能来增强系统性能。旋转和线性编码器提供这个反馈来实时报告速度和位置。

例如，可以由下面的方式提高系统的运动控制性能：

* 提高定位精度

* 较高的运行速度

* 提高系统效率

* 提高可靠性和可重复性

例如，可以由下面的方法实现这样的性能指标：

*系统和部件装配校准

*实时配置调整

*减少机械公差

*添加机械定位调整

*预防性维修调整

虽然执行很多上面这些方法来提高系统的性能是可取的，但对于新的设计或者现有的设计不总是有可能的。而且，实现这些改变会影响系统设计的复杂性，可制造性，外形尺寸，成本和上市时间。然而，提高运动控制的反馈有助于提高系运动系统的性能，让我们详述一个编码器设计，可以减少这些因素或者完全消除它们。

2）单芯片编码器设计方法

考虑图1的标准电机配置。这是一个标准封装编码器被装到一个无刷直流电机来提供运动控制应用的位置反馈。一旦此电机配置被连接到驱动应用系统，会有机械和电子的调节局限。大部分情况下，这是可完全接受的，但是对那些需求较高性能的系统，必须要求更多的编码器配置控制来满足设计目标。

图1：BLDC直流无刷电机连接独立封装编码器

注意：Comm 是换向信号，ABZ是增量输出信号，ABS是绝对位置输出

现在来介绍另一种单芯片编码器解决方案如图2所示。使用这个设计方法，一颗编码器芯片，使用一个现成的外壳解决方案。由于这个高集成度单芯片编码器芯片，只需要这个芯片本身再加上几个分立元件便达到所有的要求。此外，参考电路板设计和布局通常可从编码器IC制造商处得到。

如图2所示，独立封装编码器方案被单芯片编码器设计取代，这个例子是一个iC-MH磁编码器IC。采用此类型设计可通过一个数字接口来调整编码器的配置。

图2：直流无刷电机连接基于单芯片设计的编码器

注意：：Comm 是换向信号，ABZ是增量输出信号，ABS是绝对位置输出

Sin/Cos是模拟正弦和余弦输出，Config是编码器配置

如图中所示，编码器芯片感知电机轴旋转的方法是通过一个径向磁化的圆柱状磁铁。此磁铁安装到贯通的电机轴，允许直接检测电机的位置和速度。采用单芯片编码器设计有可能提供增量输出，正弦/余弦模拟输出^[4]，以及为配置和绝对位置数据读出的数字串行接口。

3）单芯片编码器的类型和选项

磁编码器和光学编码器如图3所示。正确选择其中之一会严重影响系统的性能。例如，选用磁编码器可以更好的适应恶劣环境，以及装配较简单，通常它的分辨率和精度低于可比的光学编码器。考虑图4的单芯片编码器选型指南。通过比较每个编码器IC的多个特性，这将有助于为应用找到最佳的解决方案。

图3：单芯片磁编码器IC与磁铁以及单芯片光学编码器IC与LED和码盘

图4：单芯片编码器IC选型指南