无感电机控制应用中正交编码定位技术及其应用

在无传感器的电机控制应用中,插值法根据基本的三角关系,由正交输出的量级求出角位置,但计算过程需要大容量存储器和大量计算时间。本文介绍一种循迹解调法,这种方法采用滤波技术并对正弦和余弦输入间的微小差异进行积分,从而求出加速度、速度和位置信息。

Don Morgan

高级工程师兼顾问

Ultra Stereo Labs

dgm@

在讨论DSP在控制功能中的作用时,我们已经认识到确定电机轮轴位置的重要性。这一信息在无刷电机交换中特别有用,而对确定其它装置的加速度、速度以及何时停止受控设备也很有帮助。

过去,我曾撰文论述根据产生正交余弦装置的输出推导角位置的方法,本文首先做一些回顾以回答读者提出的正弦编码器和解码器结构方面的问题,然后介绍一些其它类型的位置传感器。本文将讨论带同步电机的系统(如永磁电机),并进一步讨论在带DSP的装置中如何实现无传感器控制。

编码硬件

编码器有多种形式,电机也并非全是旋转式的。但我们所用的术语通常与角位置有关,尤其在提到正弦编码器或用余弦定位的其它传感器时。

正交编码是一种采用正弦信号代表位置,并将其编码后传送给其它设备接口的技术。这一方法不仅简便易行,而且具有很强的抗噪声干扰能力。

正交编码器由光源、转轮和接收器组成。编码器对一束光进行调制,光的强度由光电单元或磁性(霍尔)器件感应,产生两个正弦信号。我们将其称为信号A和信号B。从编码器的轮轴方向看,顺时针旋转时B比A滞后90°。如果编码器是线性的,则B比A从左至右滞后。A和B在一定距离内的周期数等于编码器的线数N。频率与行程的速度和编码器的线数成正比。另一个轨道载有参考标记R,每个间隔调制不超过一次。

图1示出了相位差为90°的两个信号。相位差是以弧度表示的信号A和B之间的机械位移。

由于这些信号都是模拟正弦信号,我们可以增加板上方波电路以产生数字输出。这样,编码器就可以数字和正弦两种形式进行发信。但在实际应用中,大多数正交编码器都是由光束通过金属轮上的准确定位孔产生信号,这个金属轮安装在与电机轮轴相连的旋转轮轴上。

插值法的解码方案

作为一种对增量运动和方向进行编码的方法,数字正交编码器简便而经济。但在对分辨率要求较高的应用中,它的成本就很高。激光干涉仪等替代方案也成本不菲。因此,很多人采用输出原始正交正弦信号的编码器,再利用插值法对高分辨率进行解码,这种方法成本较低。我们下面讨论一种插值法解码器方案,其效果与激光干涉仪不相上下,而价格却低于1,000美元。

插值法利用基本的三角关系,根据正交输出的量级得出角位置。再看有两个正交余弦信号的图1,我们将前面的余弦信号A作为正弦,而将后面的信号B作为余弦。

公式1

公式2

这两个值的比即为正切:

公式3

将两个输入信号的比值取反正切,就得出编码器轮轴的位置:

公式4

这个值就是角或以角编码的线性位置。

这一方法的原理虽然简单,但用计算机实现起来可能非常昂贵,要么因为需要大容量存储器,要么因为计算除法和反正切需要大量时间。因此,我介绍了另一种可以得出同样结果的方法-循迹解调法(tracking demodulation)。这种方法采用滤波技术并对正弦和余弦输入间的微小差异进行积分,从而求出加速度、速度和位置信息。

下面将就分解器(resolver)等感性耦合器件展开讨论。

用分解器和正弦编码器进行设计

让我们先来回顾一下分解器的机理。在图2中,有足够幅度的正弦基准频率施加在编码器的旋转电枢上。与正弦编码器类似,分解器的输出也包含两个正交余弦信号。两个次级线圈相互垂直(正交)地放置,当电枢扫过次级线圈时,每个次级线圈便产生与初级线圈位置成正比的感应电压。在图示中,旋转的初级线圈与两个次级线圈成同一角度。在这个位置上,它在两个次级线圈上产生幅值相等的信号(频率)。

如果初级与一个次级成直角,而与另一个次级平行放置,那么与之垂直的次级线圈将接收到最大信号,而与之平行的次级线圈接收到最小信号。初级在旋转中,将在每个次级产生一个电压,该电压与次级相对于初级的位置成正比。综合两个次级输出的信号就可以得出角位置。这里使用的推导方法与正弦编码器大致相同,其主要区别在于:正弦编码器上正弦和余弦输出的峰峰值是恒定的；而分解器却不是这样,因为产生输出的电压与基准频率有关,而基准频率的值是变化的。当基准电压达到峰值时,分解器的输出最大；而基准电压达到零值时,输出也为零。

如果在系统设计中用DSP产生基准频率,不难保证DSP在基准频率达到峰值时采集到分解器的输出。还要注意,基准频率和分解器之间可能存在相位延迟,因此有必要在基准产生和幅值采样逻辑之间插入一个微小的延迟。

在正弦编码器和分解器这两种应用中,都必须保证每一输入(正弦和余弦)的峰峰值相同。每一个都须采用单独的电感或光电接收器,在A/D转换器和编码器之间可能要设置增益级。可以在示波器上用李莎玉(Lissajous)图形判断是否出现这种情况。(这需要一个具备X/Y功能的双通道示波器。将正弦输入作为x,而余弦输入作为y。如果两个输入的幅值相同,调谐好编码器后,就会在屏幕上看到一个完整的圆。)

还必须注意:分解器的采样频率及其(和电机的)最大旋转速度与基准频率直接有关。而正弦编码器并非如此,因为它没有基准频率。另外,任何正弦编码器都必须选择与电机速度相对应的带宽。

最后,这两种应用都需要某种形式的低通滤波器,以消除放大器或其它数字设备的噪声。

尽管这些器件十分有用且有效,但也可以用其它方法确定位置。例如,当系统对分辨率要求不高时,可以用较简单的传感器,甚至根本不用传感器。

为什么使用位置反馈

位置传感器有多种形式,确定位置的方法也不只正弦或数字正交法。还可以用通量、涡流、加速度或温度等反馈信息。大多情况下,这些只是A/D转换器的输出；但也有可能是一个过程的输出(如FFT)。例如,增量和绝对值编码器就可接受数字命令,而以字的形式提供反馈。

位置传感器大致可分成两类:相对位置传感器和绝对位置传感器。相对位置传感器指示出一个装置自电源启动后运动的距离。这是一个累加值,可以在电源启动时或以其它方式置零；或者传感器只是发出一束脉冲流,用以表征电机的转动增量,并与转动方向一起进行编码。正交编码器就属于这一类型,它以准确的行程增量输出脉冲,并可同时指示转动方向。控制器负责记录全部距离信息。

绝对位置编码器的输出值是相对某一定点(称为本位)的距离。即使传感器在断电时有所移动,这种编码器也可返回正确的值。可以通过几种不同的方法实现这种编码器,包括用前面提到的正弦输出机制。常见的方法是将转轮分成几个扇形,用特定值给每一增量编码。这样,无论何时读取位置,它都可以返回一个代表转子或拾取头位置的数值。有些绝对编码器仅测量单圈转动中的位移,而有些还可以计算轮轴转动的圈数。

其它常见的位置传感器还有:转速计、霍尔效应开关和1/T计数器。

转速计有多种形式。有些感应器通过一个或多个磁极产生信号。还有光学转速计,光从转轮上精确定位的孔或轮轴上的孔中透过。这些多用于基本形式的速度控制。

还可以用霍尔效应开关获得位置信息。这些开关放置在电机的机芯周围,当附近磁场的强度达到某一阈值时,它们就开启或关闭。通常,有U、V和W三个开关嵌在电机机芯中,控制器可从中得到足够的信息,在任何运动开始之前,确定无刷电机的轮轴位置。这样,控制器就可转换电机的方向,而无需任何寻找磁极的特殊程序。

本文总结

1/T是一种较古老的方法,虽然实用,但不一定适用于所有情况。它可与前面提到的任何一种传感器一起使用,以提高反馈信号的分辨率。该方法使用高速计数器,当其它位置传感器发出一个值或边沿信号时,计数器就启动或清零。这种计数器的输出可用于提高分辨率。如果要使用1/T计数器,必须注意溢出和编码器/转速计反转问题,因为它们都会影响计数的准确性。

作者简介:Don Morgan是Ultra Stereo Labs高级工程师兼顾问。他在信号处理、嵌入系统、硬件和软件领域有长达25年的经验。他的Email地址为:dgm@。