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【天富平台苹果版】旋转变压器和编码器常见类型及应用分析

您的电动机是否以预期的速度旋转?闭环电动机控制系统能够回答这个问题,因为在电动机旋转过程倾向于实施闭环系统。无论终端系统是汽车(带计算机控制转向的辅助并行停车),卫星(定位卫星以锁定特定信号)还是工厂车间机械,位置反馈传感器都是固有的整个电机控制系统中的元素。电机控制的类型很多,本文讨论了两种实现位置传感器周围的模拟信号链的方法:旋转变压器和编码器。

解析器

在讨论旋转变压器的信号链解决方案之前,如图1所示。旋转变压器(在本例中为发射器单元)由三个不同的线圈绕组组成:参考线圈,正弦波(SIN)和线圈余弦(COS)。参考绕组是一次绕组,通过一个称为旋转变压器的变压器,该绕组被施加在变压器一次侧的交流电压激励。由于旋转变压器然后将电压传递到变压器的次级侧,因此不需要电刷或环。这增加了旋转变压器的整体可靠性和耐用性。

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随着电机旋转,从SIN和COS绕组输出的电压会根据轴位置而变化。SIN和COS绕组相对于轴彼此安装为90®。当参考绕组旋转时,参考绕组和SIN / COS绕组之间的差角会变化,在图1中表示为theta旋转角。在SIN和COS绕组上感应的电压等于参考电压乘以角度为θ的SIN绕组和COS绕组。

感应的输出电压波形如图2所示。它们显示了SIN和COS绕组的归一化电压输出信号,除以参考电压。传统基准电压在1至26V范围内的任何地方,输出频率范围为800 Hz至5 kHz.1

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现在可以确定适当的信号链设备的要求。信号链必须是双极性的,因为信号会摆动到地面以下(图2)。它必须同时采样两个通道,转换高达5 kHz的信号,并为参考绕组的旋转变压器提供交流电压。最佳解决方案是实现两个delta-sigma调制器,每个通道一个。delta-sigma调制器以非常高的频率(在10至20MHz范围内)采样,因此deltasigma调制的输出将被平均并进行滤波以获得可接受的分辨率。

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对于参考电压或交流激励源,首选直接施加到旋转变压器的脉冲宽度调制(PWM)信号。TI为这种实现提供了推荐的解决方案。最好使用数据转换器(例如ADS1205或ADS1209)作为delta-sigma调制器,因为两者均设计用于直接连接到旋转变压器的SIN和COS绕组。数据转换器还连接到具有用于基准绕组(例如AMC1210)的PWM信号发生器输出的四通道Sinc滤波器/积分器。最后,除电机控制系统外,还需要数字信号处理器(DSP)或实时控制器来处理所有各种信号。TI的基于C28x的C2000™Piccolo™F2806x微控制器就是其中一种。

归根结底,旋转变压器是用于控制系统的非常坚固的位置传感器,可提供高精度的可能性和较长的使用寿命。旋转变压器的缺点是其最大转速。由于旋转变压器信号频率往往小于5 kHz,因此电动机速度必须小于每分钟5,000转。

与解析器场景一样,在进入信号链实现之前,了解理解编码器的物理和信号输出特性非常重要。通常,有两种类型的编码器:线性编码器和旋转编码器。线性编码器用于仅在单个尺寸或方向上移动的项目,并将线性位置转换为电子信号。这些通常与执行器结合使用。旋转编码器用于绕轴运动的项目,并将旋转位置或角度转换为电子信号。由于旋转编码器与电动机一起使用(当电动机沿轴旋转时)。

要了解旋转编码器的原理,首先考虑一个基本的光学旋转编码器。光学编码器具有一个安装有特定图案的光盘,该光盘安装在电机轴上。磁盘上的图案会阻挡光线或使其通过。因此,发光发射器与光电接收器一起使用。接收器信号输出可以与电动机的旋转位置相关。

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旋转编码器共有三种常见类型:绝对位置值,增量TTL信号和增量正弦信号。对于绝对位置值旋转编码器,磁盘上的图案会根据其位置分为非常特定的图案。例如,如果绝对位置编码器具有3位数字输出,则它将具有八个均匀分布的不同模式(图4)。由于它在磁盘上并且均匀分布,因此每个图案之间的间距为360°/ 8 = 45°。现在,对于3位绝对位置值旋转编码器,旋转电机的位置已知在45°以内。

绝对位置值旋转编码器的输出已经针对数字接口进行了优化,因此不需要模拟信号链。

对于增量式TTL旋转编码器,磁盘上的图案输出数字高电平或低电平,这是TTL信号。如图5所示,与绝对位置值旋转编码器相比,TTL输出磁盘模式相对简单,因为它只需要表示一个数字高电平或数字低电平。除了TTL信号外,还有一个参考标记,对于确定电动机的当前旋转位置至关重要。参考标记可以认为是0°角。因此,只需对数字脉冲计数就可以确定电动机的确切旋转位置。

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图5示出了电动机轴的一转的多个周期。编码器制造商提供增量TTL旋转编码器(和增量正弦旋转编码器),每转周期为50到5,000个周期。与绝对位置值旋转编码器一样,输出已经是数字格式,因此不需要模拟信号链。

对于增量正弦旋转编码器,输出和磁盘模式与TTL信号编码器非常相似。该输出不是数字输出,而是名称所暗示的:正弦波输出。实际上,它同时具有正弦和余弦输出以及参考标记信号,如图6所示。这些输出都是模拟的,因此需要一个模拟信号链解决方案。

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与增量TTL输出类似,在一转中有多个信号周期。例如,如果选择在一个旋转中具有4,096个周期的编码器并将其连接到以每分钟6,000转旋转的电机,则可以计算得到的正弦和余弦信号频率。

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对于此示例,信号链解决方案需要具有至少410 kHz的带宽。由于这是一个闭环控制系统,因此延迟必须保持最小或完全消除。传统上,编码器输出为1 V P-P,正弦和余弦输出信号为差分信号。

模拟信号链解决方案的典型要求是:

两个同时采样的模数转换器(ADC):一个用于正弦,另一个用于余弦输出。

无需系统延迟:需要超过400 kHz的带宽,因此ADC必须至少每个通道处理800 kSPS。

1V P-P差分输入,其满量程范围约为1V,可优化ADC的满量程范围,或将输入信号放大至ADC的满量程范围。

参考标记信号的比较器。

TI的最佳解决方案是ADS7854系列逐次逼近寄存器(SAR)ADC(图7)。通过两个同时采样通道,一个内部基准电压源和每个通道1-MSPS的输出数据速率,该SAR-ADC满足指定要求。它可以与比较器和全差分放大器一起使用来驱动ADC。

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由于ADS7854是14位ADC,并且如果正弦增量式旋转编码器在一转中有4,096个周期,则可以计算出总的测量步数。

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当实施这种方法时,这为设计人员提供了26位分辨率,或者旋转位置的精度在5.36×10-6度以内。

电机控制反馈路径中有两种常见的旋转/位置传感器实现方式:旋转变压器和编码器。从模拟信号链的角度评估了解析器或编码器的几种控制系统的反馈路径和输出信号特性,以确保信号完整性和最佳性能。

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