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闭环电机控制：Resolver及Encoder介绍

2018-07-09 14:35阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2722478344

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最近小编注意到行业里总看到行业里有人咨询Resolver和encoder的差别，有观点解释Resolver就是编码器, 也有说Resolver是旋转变压器的，还有人认为Resolver就是分解器...那么到底该怎样理解Resolver? 在小编看来，根据它实现的功能及原理，很难找到一个合适的中文词语可以完全恰如其分的概括。今天我们摘录了来自美国国家半导体技术专家RickZarr的期刊文章来说明二者的区别。
同时，本期视频主题也是关于Resolver的功能原理介绍，由国外技术团队Learnchannel用动画直观展现的Resolver介绍以及和编码器的对比，也请大家移步了解。希望本期的主题介绍，能为您带来相关帮助！
Question！您的电机是否以预期速度旋转？
闭环电机控制系统会继续回答这个问题，因为只要有电机旋转的地方就会实施闭环系统，这是一个趋势。无论终端系统是汽车（采用电脑控制转向的辅助平行泊车），是人造卫星（调整卫星角度以锁定特定信号），还是工厂机械（取放机器），位置反馈传感器都是总体电机控制系统中的固有元件。电机控制种类多种，本文将讨论两种围绕位置传感器实施模拟信号链的控制方案：Resolver
和Encoder。
Resolver
在讨论Resolver信号链解决方案之前，首先考虑它的基本工作原理（如图1）。Resolver（这里是一个发送器单元）由三个不同的线圈绕组构成，即参考、正弦 (SIN) 和余弦 (COS) 绕组。参考绕组是一次绕组，其可通过称之为旋转变压器的变压器，由应用于该变压器 一次侧的AC 电压励磁。旋转变压器随后将电压发送至变压器的二次侧，因此无需电刷或套环。这样可提升Resolver的整体可靠性和稳定性。
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（图1 Resolver发送器单元的简化机械原理图）
参考绕组安装在电机轴上 。在电机旋转时 ，SIN和COS绕组的电压输出会随轴位置发生变化。SIN 和 COS 绕组安装角度相对于该轴相互相差 90°。参考绕组旋转时，参考绕组与SIN/COS绕组之间的角度差会发生变化，可表示为θ旋转角。在SIN和COS绕组上感应到的电压等于参考电压乘以SIN绕组和COS绕组的θ角。
感应到的输出电压波形。图中显示了 SIN 和 COS 绕组除以参考电压的规范化电压输出信号。传 统参考电压通常介于 1 至 26V 之间，而输出频率范围 则是 800Hz 至 5 kHz。
现在可以确定对适当信号链器件的要求。信号链必须 为双极性，因为信号会摆动至接地以下（图2）。
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（图2 SIN和COS绕组的标准化输出电压）
它必须同时对两个通道进行采样，转换高达 5kHz 的信 号，并针对Resolver为参考绕组提供 AC 电压。最jia的解 决方案是为两个通道各实施一个 Δ-Σ 调制器。Δ-Σ 调制器可在极高频率（在 10 至 20MHz 范围）下进行 采样，因此经 Δ-Σ 调制后的输出要进行平衡和滤波 后才可获得可接受的分辨率。
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（图3 Resolver控制环系统的简化方框图）
总之 ，Resolver是一款非常稳定的控制系统位置传感器，不仅支持高精度 ，而且还可提供很长的使用寿 命 。Resolver的缺点是其最大旋转速度 。由于Resolver信号频率通常小于 5kHz ，因此电机速度需要小于5,000 转每分钟。
Encoder
与Resolver的情况类似，在讨论信号链实施方案之前，首先要了解编码器的物理及信号输出特性。编码器通 常有两种：线性与旋转。线性编码器用于只按一个维 度或方向运动的方案 ，可将线性位置转换为电子信 号，通常与致动器配合使用。旋转编码器用于围绕轴心运动的方案 ，可将旋转位置或角度转化为电子信号。由于旋转编码器与电机一起使用（电机围绕轴心 旋转），因此本文不涉及线性编码器。
要理解旋转编码器的原理，首先要考虑基本的光学旋 转编码器。光学编码器具有支持特定模式的磁盘，安 装在电机轴上。磁盘上的模式既可阻止光，也可允许 光通过。因此，还需要使用一个发光发送器和一个光 电接收器。接收器的信号输出能够与电机的旋转位置相关联。
常见的旋转编码器有三种：绝dui位置值、增量 TTL 信号以及增量正弦信号。对于绝dui位置值旋转编码器而 言 ， 磁盘上的模式可根据其位置分成非常具体的模 式。例如，如果绝dui位置编码器具有 3 位输出，那么它就将具有平均分布的八个不同模式（图 4）。这是 在磁盘上而且是平均分布的，因此每个模式的间距是 360°/8 = 45°。现在，对于 3 位绝dui位置值旋转编码器而言，可以判断 45° 范围内的旋转电机位置。
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（图4 位绝dui位置值旋转编码器实例）
绝dui位置值旋转编码器的输出已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 TTL 旋转编码器而言，磁盘上的模式输出数 字高或数字低，即TTL信号。如图 5 所示，TTL 输出 磁盘的模式与绝dui位置值旋转编码器相比比较简单， 因为它只需表现数字高或数字低。除了 TTL 信号外， 还有一个对于确定电机当前旋转位置很重要的参考标记。可将参考标记视作 0° 角度。因此，对数字脉冲 进行简单计数即可确定电机的确切旋转位置。
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（图5 增量TTL旋转编码器实例）
图 5显示了电机轴一次旋转中的多个周期。编码器制造商可提供每转 50至5,000 个周期的增量 TTL 旋转 编码器（和增量正弦旋转编码器）。与绝dui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而言 ， 输出和磁盘模式与 TTL 信号编码器非常相似。顾名思义，其输出不是数 字输出，而是正弦波输出。实际上，它具有正弦及余 弦输出以及参考标记信号，如图 6 所示。这些输出都 是模拟信号，因此需要模拟信号链解决方案。
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（图6 增量正弦旋转编码器的建模输出）

与增量 TTL 输出类似，在一次旋转中有多个信号周期。例如，选择单次旋转有 4,096 个周期的编码器连接以 6,000 转每分钟的速度旋转的电机，所得的正弦 和余弦信号频率计算如下。
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本实例中的信号链解决方案需要具备至少410kHz的带宽 。由于这是闭环控制系统 ， 因此必须将时延控制在最小范围内或者完全消除。通常，编码器输出为1Vp-p，而且正弦和余弦输出是差分信号。
对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 (ADCs)：一个用于正弦波输出，一个用于余弦波输出。
• 无系统时延 ：需要400kHz以上的带宽 ，因此ADC必须最少能处理每通道800kSPS的速率。
• 支持 1V 左右满量程的 1-Vp-p 差分输入可优化 ADC 的满量程范围或 ADC 满量程范围的输入信号放大。
• 一个参考标记信号比较器。
结论
电机控制反馈路径中的旋转/位置传感器有两种常用实施方案：Resolver和编码器。我们从模拟信号链角度针对Resolver或编码器对几个控制系统的反馈路径和输出信号特性进行了评估，以确保信号完整性和最jia性能。
参考资料
1. 高级微控制器公司 ( AMCI) ，“ 什么是分解器？”，请访问：www.amci。。ｃｏｍ/t utorials/ tutorialswhat-is-resolver.asp；
2. 德州仪器 (TI) 。“ 光学编码器的双通道数据采集系统，12 位、1MSPS”，TI Prevision Verified Design。（2013 年 6 月 6 日）。请访问：www.ti。。ｃｏｍ/2q14-tipd117
3. Delta Computer Systems ，“ 分解器基础知识”，请访问www.deltamotion。。ｃｏｍ/support/
4. HEIDENHAIN 宣传册，“旋转编码器”，2013 年 11 月，第 13 页。请访问www.heidenhain. com/
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闭环电机控制：Resolver及Encoder介绍声明：
- 文章转载自德州仪器，版权归原作者所有！
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