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德国 iC-haus 高精度绝对值编码器解决方案带给中国 编码器制造业的机会和挑战（四）   马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)    1.3.3         SinCosYzer 工作站，正弦编码器信号采集带图形分析     图 18 ： SinCosYzer 工作站   l          ± 1.25V 到 ± 10V 4 通道差分输入 l          高分辨率， 16 位 ADC ，在± 1.25V 量程时优于 50uV l          4 通道示波器、信号频谱分析仪、李莎育 X/Y 图 l          示波器模式测量直流偏置和幅度（ AC,AC （ RMS ） , 最小值，最大值），交叉显示 2 通道幅度差异和相位偏差，直接以绝对数给出 l          频谱信号分析仪带谐波和总谐波失真 (THD) 计算 l          李莎育 X/Y 图带公差和限定指示   为什么用工作站而不是示波器？ 示波器是一个观察波形，图形走向趋势的仪器，不适合做绝对值数值的测量，例如，测量一个正弦波的电压有效值，示波器的测量精度不如万用表。示波器的 AD 为 12 位，而测量编码器正余弦信号要求 AD 的分辨率为 16 位。   此工作站的分析页面会自动比较正弦和余弦匹配，给以清晰的 0 位指示。这个是用示波器做不到的。还会给出最大限制因素，就是最差的那个参数以及最大插补细分位数。 李萨育图有参考标准圆，内圆外圆测量误差范围。 频谱分析仪提供噪声和谐波测量，用于评估正余弦信号的质量，以计算插补细分的位数。   图 19 ： SinCosYzer 工作站示波器功能   图 20 ： SinCosYzer 工作站频谱分析功能       图 21 ： SinCosYzer 工作站李沙育图   图 22 ： SinCosYzer 工作站数据分析功能   二．挑战篇——采用 iC-haus 的高精度绝对值编码器方案，中国编码器制造业需要解决的问题   2.1 中国的编码器工程师需要学习的几个方面 2.1.1 微电子新技术在编码器芯片的应用，模数混合电路，采用数字的方法调节各种模拟参数，有大量的芯片寄存器需要熟悉，好在 iC-haus 提供设置这些寄存器的免费软件，电脑连接开发工具可以直接设置这些寄存器。 2.1.2 随着芯片封装技术的发展以及产品小型化、低功耗的需要，芯片焊接大都采用 SMT 技术， iC-haus 的芯片封装大多采用 QFN 和 BGA 封装，也有裸片。这对研发阶段，样板的焊接提出要求。 2.2 编码器生产工艺，采购设备以及测试工装 2.2.1 焊接，爆米花现象，所谓爆米花现象就是微小封装的电子元件受潮后焊接，在温度骤然升高时芯片会出现爆裂的现象，虽然这个爆裂现象有时候不明显，人的肉眼很难发现。 iC-haus 的芯片出厂时采用真空包装，打开真空包装 8 个小时以内要完成焊接。包装里面有湿度试纸，如果湿度超过 10% ，就要在焊接前对芯片进行烘干， 125 ℃ 烘烤 48 小时。 2.2.2 装配设备和装配公差，装配设备需要购买和自制，各家有不同的方法，下面的表格是 iC-LNB 和 iC-MU 的装配公差：     这个装配公差对中国的编码器制造者要求较高，中国的编码器制造者需要研究和改动相关参数以达到较宽松的装配公差。     参考文献： 光电轴角编码器的编码方式及其发展趋势   作者 陈赟 张红胜 中国光学与应用光学杂志 2009 年 4 月期    

iC-haus 高精度绝对值编码器解决方案带给中国 编码器制造业的机会和挑战（一）     马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)  引言   据调查 2012 年中国编码器市场规模达 15-16 亿人民币。市场需求每年都在增长，自动化产品用编码器增长率更高达 50% 。其中，中、高端编码器由欧美、日、韩、台湾等品牌占据，占销售额的 70% 以上。国产编码器占低端市场，以 50% 的销售量，占据不到 30% 的销售额。国产编码器的机会在哪里？笔者认为国产编码器的机会在于国内编码器的市场需求增长以及产品向中、高端高技术含量和高利润方向发展。争取在中、高端编码器的市场占比份额，重新分配国内编码器市场中、高端编码器的销售份额，和欧美，日本等编码器品牌竞争。 iC-haus 的高精度绝对值编码器解决方案带给中国编码器制造业一个很好的机会。   国产绝对值编码器采用的是上一代的技术，对管（光电池）加外围分立元件，接口多样（并口、电流环等），只适用于一些特殊行业，分辨位数也不高，通常不超过 14 位。日本制造编码器只提供成品，甚至编码器和伺服控制器的软件接口也要限制到要调用其提供的库文件，以此来做技术保密。只有德国 iC-haus 提供开放式的高精度绝对值编码器芯片级解决方案，技术资料开放，接口开放（例如， Biss 接口），且为行业标准。   一 . 机会篇——开放式的德国 iC-haus 高精度绝对值编码器方案   在这里给大家介绍 iC-haus 下面三种类型的高精度绝对值编码器解决方案：   l          光学格雷码 16 位绝对值单芯片编码器 iC-LNG 、自然二进制码 18 位单芯片绝对值编码器 iC-LNB l          光学游标 17 位绝对值编码器，相位阵列游标光电传感器 iC-PN2656   + 信号调理及游标算法插补细分器 iC-MN 、光学游标 21 位绝对值编码器，相位阵列游标光电传感器 iC-PN2624   + 信号调理及游标算法插补细分器 iC-MN l          磁偏轴游标 18 位单芯片绝对值编码器 iC-MU   1.1.   光电编码器的编码方式简介                                                                                                                                                     图 1 ：增量式编码                            图 2 ：自然二进制编码     图 3 ：格雷码编码                         图 4 ：游标编码   增量式编码由等间隔的刻线组成，对应每一个分辨率区间，可输出一个增量脉冲，计数器相对于基准位置（零位）输出脉冲进行累加计数，正转则加，反转则减，如图 １ 所示。该种编码方式之所以称为增量式编码方式是因为它无法给出光电轴角编码器转过的绝对位置，只是相对零点的累计位置。 自然二进制编码按照位数进行编码，即将一个圆周分成 ２ ｎ 等份， ２ 的方次数 ｎ 称为码盘的位数，显然位数 ｎ 越大，每一个等份的角度值越小，编码器的精度也就越高，见图 ２ 。该种编码方式的优点是组成的图案直观，无需转换，可以直接读出转角大小，无需零位参考，光电传感器得到的码盘位置是一个绝对位置，是一种绝对值编码器的编码方式；缺点是容易错码，即读数时易产生粗大误差， iC-haus 的编码器传感器采用互补的双传感器来解决这个问题，例如， iC-LNB 。   格雷码编码也称循环码、反射码、周期二进制码，是由自然二进制码转换而得。该种编码方 式的特点为： （ １ ）第一圈和第二圈均刻一条线，相位错开 π ／２ ； （ ２ ）第三圈起每圈刻线数为 ２ ｎ －２ ； （ ３ ）第 ｎ 圈码道的亮区中心位于第 ｎ ＋１ 圈码道的暗区中心，如图 ３ 所示。 该种编码方式的优点是读数时不会产生粗大误差；缺点是不便于阅读也无法直接运算，因此必须将它译成自然二进制码。 iC-LNG 采用此种编码方式。   游标式编码是依据游标卡尺的原理进行编码的，即在码盘上刻有 ２～３ 圈码道，码道之间依次错开一定的相位，如图 ８ 所示，外圈刻有 ｎ 条线条，次外圈刻有 ｎ － ｍ 条线条，里圈刻有 ｎ － ｍ －１ 条线条。它是通过对着码道放置两个相位差为 π 的 ＰＤＡ （ ＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅＡｒｒａｙ ） 来提取光电信号，通过译码确定光电轴角编码器的角位置。 iC-PNxxxx 系列和 iC-MU 采用此种编码方式。为了更好的理解这种游标原理的码盘编码方式，我们来复习一下游标卡尺的工作原理：     图 5:10 分度游标卡尺工作原理   以图 5 的 10 分度游标卡尺 为例，主尺身上的最小分度是 1 毫米，游标尺上有 10 个小的等分刻度，总长 9 毫米，每一分度为 0.9 毫米，比主尺上的最小分度相差 0.1 毫米。量爪并拢时尺身和游标的零刻度线对齐，它们的第一条刻度线相差 0.1 毫米，第二条刻度线相差 0.2 毫米， …… ，第 10 条刻度线相差 1 毫米，即游标的第 10 条刻度线恰好与主尺的 9 毫米刻度线对齐，当量爪间所量物体的线度为 0.1 毫米时，游标尺向右应移动 0.1 毫米。这时它的第一条刻度线恰好与尺身的 1 毫米刻度线对齐。同样当游标的第五条刻度线跟尺身的 5 毫米刻度线对齐时，说明两量爪之间有 0.5 毫米的宽度， …… ，依此类推。使用同样的原理，游标编码的编码器也是采用这样的原理来提高测量精度。

  德国 iC-haus 高精度绝对值编码器解决方案带给中国编码器制造业的机会和挑战（二）     马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)    1 ． 2        iC-haus 高精度绝对值编码器方案          1.2.1      iC-LNG   图 6 ： iC-LNG 方框图   l          编码方式：格雷码 l          分辨率： 16 位绝对值 l          芯片组：单芯片 l          SIN 、 COS 模拟信号输出用于电子校准 l          内置 6 位插补细分器 l          多功能编码器，增量输出（ 1024, 2048, 4096, 8192, 16384CPR 供选择 ）、高速串行输出，在 16Mhz 时钟频率时，读出周期为 1 微秒、并行输出（ 14 位） l          SPI 接口用于配置和位置数据输出 l          LED 照度及功率控制 l          提供码盘、副光栅、 LED 和开发套件如图 7 ，以及 PC 端调试软件   图 7 ： iC-LNG 开发套件及 PC 端调试软件   1.2.2   iC-LNB     图 8 ： iC-LNB 方框图   l          编码方式：自然二进制码 l          分辨率： 18 位绝对值 l          芯片组：单芯片 l          SIN 、 COS 模拟信号输出用于电子校准 l          内置 8 位插补细分器 l          FlexCount ®    技术 l          多功能编码器，增量输出、高速串行输出，在 16Mhz 时钟频率时，读出周期为 1 微秒、并行输出（ 16 位），采用 FlexCount ® 技术支持任意分辨率设置， 1-65535 CPR 任意选择 l          LED 照度及功率控制 l          提供码盘、副光栅、 LED 和开发套件及 PC 端调试软件     图 9 ： iC-LNB 开发套件及 PC 端调试软件   1.2.3   iC-PN2656 或 iC-PN2624 + iC-MN   图 10 ： iC-PN2656 方框图         图 11 ： iC-PN1024 方框图     图 12 ： iC-MN 方框图

                                 德国 iC-haus 高精度绝对值编码器解决方案带给中国 编码器制造业                            的机会和挑战（三） 马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)      图 13 ： iC-PNxxxx +iC-MN 编码器原理图   l          编码方式：游标编码 l          芯片组： iC-PN2656 + iC-MN ， 17 位分辨率，三个码道，游标码道 255/ 主码道 256/ 分段码道 240 PPR l          芯片组： iC-PN2624 + iC-MN ， 21 位分辨率，三个码道，游标码道 1023/ 主码道 1024/ 分段码道 992 PPR l          内置信号调理，调整幅度、偏置、相位 l          内置游标算法及 13 位插补细分器 l          BiSS 接口、 SSI 接口输出 l          SIN 、 COS 输出用于电子校准 l          芯片通过 SPI 或者 EEPROM 建立设置 l          提供码盘、相位阵列游标光电传感器芯片（集成副光栅）、 LED 和开发套件及 PC 端调试软件   图 14 ： iC-PNxxxx + iC-MN 开发套件及 PC 端调试软件     1.2.4 磁偏轴 18 位游标单芯片绝对值编码器 iC-MU   图 14 ： iC-MU 偏轴磁编码器示意图   l          两通道游标扫描，游标码道 31 极对 / 主码道 32 极对 l          提供信号调理，幅度、偏置、相位调理 l          SPI 、 BiSS 、 SSI 接口 l          增量信号输出接口 l          FlexCoun 技术，任意分辨率 1-65536CPR 任意设置 l          1-16 极对 UVW 换向信号设置 l          上电启动从 eeprom 自动配置，或通过 BiSS 接口、 SPI 接口配置 l          提供磁码盘，开发套件   图 15 ： iC-MU 开发套件及 PC 端调试软件   相对而言，磁绝对值编码器开发要容易一些，特别是装配公差宽松，但是分辨率不能做到和光学编码器那么高，例如， iC-LNx 系列和 iC-PNxxxx 系列。 1.3   iC-haus 编码器开发工具   1.3.1     PC-USB 到 BiSS 接口适配器 iC-MB3U-I2C     图 16 ： iC-MB3U-I2C     l          PC-USB to BiSS 最多支持 3 从机，兼容 SSI ，支持 1 SSI 从机 l          向目标板提供 5V （ 50mA ）和 12V （ 90mA ）隔离供电 l          插入外接电源可以提供更大电流 l          与目标板（编码器）信号电气隔离 l          支持 SPI 、 I2C

             马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)     输出格式   如图 5 所示，单芯片编码器如 iC-LNG 提供不同输出格式并且有很多是可以同时使用的。 图 5 ： iC-LNG 光学绝对编码器 IC 展示许多可用的编码器输出格式   对于某些编码器器件，例如 iC-MH8 ，有一个源码开放的串行接口 BiSS ，它允许高速串行接口读取配置和绝对位置。 有关更多的 BiSS 信息在 BiSS 的网站上可以找到。                                             图 6 ： BiSS 串行接口 – 点对点连接     4 ）单芯片编码器提高性能的特性   如图 7 所示，其中一些特性包括模拟信号调理，数字正弦 / 余弦细分，错误监视，自动增益控制，多种编码器输出格式， BLDC 电机换向信号输出，数字配置，线驱动能力以及在系统编程性。         图 7 ： iC-MH8 磁编码器 IC 方框图     选择 BLDC 电机换向极性设置允许此编码器设备适用于各种 BLDC 电机。所有的这些可调节设置存储到编码器芯片内部 RAM ，也可编程到片上非易失性 PROM ，允许这些设置在上电时读取使用。   这些配置可以通过串行接口编程，很多编码器 IC 提供一个计算机图形用户界面工具允许简单和实时的交互编程此器件。一个计算机适配器用来做电路板上的编码器 IC 的接口，然后这个适配器通过 USB 连接到计算机。这个计算机图形用户界面如图 8 所示。         图 8 ： iC-MH 磁编码器计算机配置图形用户界面   除了可配置特性之外，让我们考虑以下这些会有助于提高运动控制应用的系统性能特性。   分辨率   回顾图 1 和图 2 所示的设计，如果这个编码器输出是 100 CPR( 每旋转正交循环次数 ) 或者 400 正交沿，将其改变 到一个较高的值如 1000 CPR 或者 4000 正交沿，分辨率增加 10 倍。运动控制系统的角度分辨率从 0.9 度每旋转提高到 0.09 度每旋转。 有一点需要 注意的是运动控制器处理带宽和响应时间 。当10倍以上的脉冲加到控制器或者嵌入式微处理器，硬件和软件设计必须保证在中断和数据处理能响应这个增长。   在很多情况下，调节分辨率需要置换编码器器件本身，然而，没有几个可选的磁和光学编码器可以用数字方式调节分辨率而无需改变编码器 IC 或者源磁铁 / 码盘。例如， iC-LNB 光学编码器 IC 内建一个 FlexCount 模块，这个模块允许改变分辨率到任何要求的 CPR ，从 1 至 65,536 CPR 无需改变自身的码盘。   外形尺寸   单芯片编码器提供了一个非常小的外形尺寸。小的封装尺寸允许编码器的电路板非常紧凑，可以在狭小的空间使用。这就可能允许一个编码器解决方案使用到之前一个不能使用到的地方。   编码器传感器输入   编码器输入的好坏决定它的输出，一个提高性能的简单方法是改善编码器的输入来实现。对于磁编码器 IC ，这个可能是选择更高质量的某种形式的磁铁，减小磁铁到编码器芯片之间的气隙以及优化机械同心度设计。对于光学编码器 IC, 这可能是选择更高质量的某种形式的 LED ，同样的也要减小气隙和优化机械设计。通过这样做来提高编码器反馈来提高控制系统性能。   精度校准   虽然机械调整是一个可选方法之外，利用单芯片编码器通过一个串行接口配置它的内部参数提供了一个更为精确的编码器校准方案。 如图 9 所示， SinCosYzer 是一个数据采集系统。通过输入编码器的正弦和余弦信号，许多不同的测量值被显示用来帮助校准。李育莎曲线，误差曲线以及以位和度表示的精度。由于这些设置是实时显示的，可无休止的调整，只需要通过编码器芯片计算机图形用户界面来完成，如图 8 所示，通过内部信号幅度调理，偏置调理乃至相位调理编码器的正弦和余弦信号的方法改变编码器的内部配置。     图 9 ： SinCosYzer 编码器校准工具   编码器信号位置调整   调整编码器的零位信号提供另一种提高系统性能的方法。如图 10 所示， iC-MH 磁编码器的索引或 Z 位置可以数字化的在 1.4 度的步长内调整。 U 脉冲的电机换向零位置或者上升沿也可以在 1.4 度的步长内调整。这提供了一个在应用中灵活定义原位置的方法。不像霍尔传感器感知 BLDC 电机磁极的位置是在一个固定的地方 , 单芯片编码器可以产生这些电机换向信号然后允许微调它们来增强驱动电机自身的性能。       图 10 ： iC-MH ABZ 和 BLDC UVW 电机换向信号       5 ）摘要   和标准封型编码器相比，单芯片编码器 IC 提供了一个高度灵活和高度可配置的编码器方案。此外，基于单芯片编码器设计，具备了通过一个数字接口调节编码器配置的能力。通过进一步增强运动控制反馈来提高整个系统的性能。