社区导航

 

搜索
查看: 814|回复: 0

[分享] 电机转子位置检测

[复制链接]

940

TA的帖子

0

TA的资源

一粒金砂(高级)

Rank: 3Rank: 3

发表于 2019-1-11 10:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
作者: TI 工程师 戴观祖 Garrick Dai

电机转子位置检测一般来说有两大用途— 一是系统整体需要电机转子位置信息来实现精确的位置环控制,比如伺服、数控机床或机器人等,另一是电机控制本身需要,比如对于无刷直流电机就必须检测转子的位置,以便对定子电流进行换向,才能使转子连续向一个方向转动以及达到最佳效率。当然也可用于计算电机的实际/物理转速。转子位置检测精度和可靠性对于系统的位置环亦或电机控制来说至关重要,本文依次按照成本和性能总结5大较为主流的方案,重点介绍工业广泛应用的编码器,并做个各方案的比较,以便读者能根据本身系统要求、成本(传感器本体加控制电路)、性能、设计难点以及可靠性等来选择合适的方案。
1  旋转电位器
电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件,如图一。传统的电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时,在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值。把电机转子与旋转电位器的转轴相连即可完成简单的电机转子位置检测方案。
图一 电位器
电阻由于会在温度变化较大时阻值也会发生较大变化,所以一般选用图一右边这种电阻分压的方式,采用此方式,电位器的绝对阻值不会影响到输出电压。作为一种成本最低、最简单的方案,有一些参数应该特别关注:
(1)寿命,常见的电位器寿命在100W次-500W次不等,个别型号可能会更低,作为位置检测使用不可避免的有需要大量运动的场合,所以寿命是一个比较重要的因素。(2)线性度,这个直接决定了该方案的检测精度。
考虑到电位器本身特点和较差线性度,一般用于成本敏感、转速较慢以及对位置精度要求不高的应用场合,比如低成本的舵机等。
2  Hall sensor 霍尔传感器
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,霍尔电压随有效磁场强度的变化而变化,磁场越强,电压越高,磁场越弱,电压越低。霍尔传感器一般分2大类,一是开关型或锁存型霍尔,根据门限来判定是N极或S极,输出逻辑电平。另一是线性模拟输出霍尔,根据有效的磁场强度按比例线性地输出电压。
图二左就是一个典型的锁存型霍尔的电机转子位置检测方式,在一对极中按照每电角度120度共放置3个霍尔传感器。当电机旋转360度电角度时,有6组Hall #1~3组合对应唯一的位置信息,如图二右所示。
图二:锁存型霍尔及电机转子检测方式

根据电机转子磁铁N&S极对数(N),电角度所对应的机械角度则为(电角度/N),而此时霍尔传感器所代表的分辨率为60电角度,也就是60/N(机械角度)。图二例子中N=2,则分辨率为30度(机械角度)。可以看到该电机位置反馈的分辨率较差,对于电机控制算法(如梯形波算法)够用,但对于需要精确电机位置反馈的应用就不行了。于是出现了另一种线形霍尔传感器或者霍尔角度传感器,比如TI的DRV5055。可以看到,DRV5055输出电压不再是简单逻辑电平高和低,而是与(垂直方向)有效磁场强度成线性关系的线性输出电压,如图三。
图三:线性模拟输出霍尔传感器
图四展示一个实际应用例子,两对极转子磁铁,贴近平面水平放置两对霍尔传感器A和/A、B和/B固定于PCB上,A与B相差90度相位。A、B霍尔传感器检测垂直平面Z轴的磁场强度(磁通量),而差分对的设计可以互相减掉磁通量的共模部分。当转子旋转时,A、B霍尔传感器的差分电压则线性比例与垂直平面(Z)的磁通量变化,A与B相差90度相位,也就得到了正/余玄电压输出。
图四:线性霍尔传感器应用

该输出电压经过buffer及ADC采样后就能得到精确的电机转子位置信息。相比于锁存型霍尔,线性模拟输出霍尔的位置检测精度大幅增加,分辨率取决于霍尔DRV5055本身线性度以及ADC的采样位数,但考虑到霍尔本身的误差,特别是在温度变化的情况下,以及容易受磁场干扰,所以霍尔传感器的位置检测方式主要用于电机控制算法里(需要较为精确位置信息来计算控制换相角度)以及普通位置精度的场合。当然,霍尔传感器方式的位置检测是相对于初始位置的相对位置。
3  Resolver 旋转变压器
旋转变压器简称旋变,是输出电压与转子转角成一定函数关系的特殊结构电机,其一、二次侧绕组分别放在定、转子上,一次侧绕组与二次侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角相关,相当于一个可以转动的变压器,可见旋转变压器是将角度信号转换成与其正余玄函数关系的电压信号。如下图五所示,在旋变定子输入激励,如5~20KHz,4~7Vrms(150mA)的正玄电压,在输出侧得到频率相同的但电压调制过的 正余玄电压信号。
图五:旋转变压器
通过检测正余玄输出的调制电压的幅值,可以对应相应的转子角度信息,并且该角度是相对于定子的绝对位置。因为旋变本身不含电子器件和电路,所以较适合用于工作环境恶劣的地方。用于旋变的控制驱动电路主要有2块组成,一是激励信号的产生输入,二是正余选模拟输出的解调出角度数字(或模拟)信号。TI PGA411就是业界首款全集成的旋变模拟前端,无须外围任何模拟器件,直接输出给MCU读取位置信息,极大地提高系统集成度和增加了系统的可靠性和精度,如下图六。
图六:全集成旋变模拟前端PGA411
可以看到旋变的精度主要取决于旋变本身的机械结构/线圈绕组、输入激励信号的稳定以及输出正余玄调制电压信号的解调精度等,相比于霍尔传感器精度有大幅提升,能达到大约0.1度左右,对于工作环境恶劣并且位置要求较高的应用非常合适,但对于需要更高位置要求的应用仍有不小差距。这时,我们就需要重点介绍另一种位置传感器--编码器。
4  Encoder 编码器
电机编码器encoder是把角位移或直线位移转换成电信号,前者称为码盘,后者称为码尺。按照工作原理 编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将角位移转换成周期性的电信号,再把这个电信号转变成计数脉冲,用脉冲的个数表示位移的大小。而绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码,因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关,而与测量的中间过程无关。
图七:实心/空心轴旋转角度编码器、无轴承旋转角度编码器、绝对式编码器、线性位置编码器

目前市面常见主要有图七所示的各编码器—
实心轴或空心轴旋转角度编码器:绝对或增量式角度反馈,工作原理一般是检测光强度、磁场或电感量等,直径在24~85毫米;
无轴承旋转角度编码器:适用于较大的电机轴,可达3米直径,绝对或增量式角度反馈,工作原理一般是检测光强度或磁场等。
绝对式编码器:绝对式角度反馈,工作原理一般是检测光强度或磁场等;
线性位置编码器:绝对或增量式位置线形反馈,工作原理一般是检测光强度、磁场或电感量等,最长可达4米或以上;
下图八是三种基本的基于光强度、磁场强度或电感量的检测方式。
图八:编码器检测方式
基本原理都是把电机转子的位置信息转换为可测量的电信号。下面以最常见的光编码器图九来详细说明,

图九:编码器检测方式
光源LED置于左边,中间隔着旋转盘(与电机转子相连),旋转盘上刻有光栅(遮挡或透过),一圈代表一个track,右边放置单个光电二极管(以下简称光电管)测量光强度转换为电流,通过TIA运放输出电压信号,外部处理器/ADC来读取电压判定相对的位置信息。这种检测方式对LED光源的光强度/幅度的稳定性较为敏感,若发生任何变化,将直接导致输出电压不同从而造成位置信息判断的误差。为此一般会引入2个或以上的光电管阵列,每个光电管对应旋转盘上的一条track,这样在每条track上设计不同的光栅来得到需要的电信号。
如下图十所示例,双通道track光栅按照差分设计,这样两个光电管的输出刚好就是差分信号,通过磁滞比较器得到电脉冲数字信号输出。这种差分方法能够消除LED光源的光强度/幅度的变化(如老化等)共模部分给测量误差带来的影响。
图十:编码器检测方式


4.1     增量式编码器
顾名思义,增量式是指基于初始位置的位置增量信息。如下图十一例子,单个track放置2个相位差90度电角度的光电管A和B。
图十一:增量式编码器检测方式
光栅上的每1线(如图中所示)即为一个电角度360度,设计成打开180度闭合180度,每个电角度代表的机械角度为360/N(本例子N=12),所以A/B的输出信号频率为N*rpm/60。分辨率为90度电角度,也就是角度分辨率(机械度)=360/(4*N)。4*N换算成分辨率的位数(bit)就是lg2(4*N)。
  • • 分辨率[机械角度] = 360 / (4*N)
  • • 分辨率[位]   = lg2(4*N)
  • • 最大输出信号频率[Hz]: N * rpm/60
为了进一步提高位置精度,可以把码盘上的光栅设计成光强度/幅度呈正玄连续分布的,如下图十二所示,简称正余玄编码盘。
图十二:正余玄编码盘
此时A、B输出相位差90度的正玄波,该输出通过比较器可得到上例图十一的数字脉冲输出,同时该输出也可同步通过另一信号链路高速ADC采样,经过处理器读取运算后进一步得到更精细的位置信息。简单理解为,比较器输出脉冲为粗略位置,ADC采样运算后所得为每个粗略位置中间的精细位置,如下图十三的原理框图描述,该方法也称为插值法Interpolation。

图十二:插值法原理

这时,A/B的输出信号频率仍然为N*rpm/60,但是角度分辨率(度)变为360/(4 *N)/ 2^(ADC[bit]-1),(正/余玄波ADC采样,实际位数ADC bit-1)。分辨率用位数(bit)表达则是lg2(4*N)+ADC[bit]-1。
  • • 分辨率 [机械角度] = 360 / ((4 x N x 2^(ADC[bit]-1))
  • • 分辨率 [位]   = lg2(4 x N) + ADC[bit]-1
  • • 最大输出信号频率 [Hz]: N * rpm/60
增量式编码器没有绝对位置信息,只有上电后的相对于初始位置的增量信息,适用于电机转速测量等应用,比如传送带上只需要计算各电机相对转速来保持恒定转速运转。

当然对另一应用来说,比如多轴的机器人手臂,由多个电机组成的多传系统,上电后或者掉电后重新上电各电机都必须知道绝对的转子位置信息,来保证无论何时的手臂动作/位置的精确控制。因为掉电后电机是可以被外力转动的,所以不能依赖于掉电前的位置信息。这时能获得绝对位置信息的绝对式编码器就显的尤为重要了。
图十三:机器人手臂的多轴系统
4.2     绝对式编码器
最为简单的方法就是在增量式编码器基础上增加一个额外的track-- Index(零点或初始位)传感器,如下图十四。
图十四:带Index的绝对编码器
当电机机械旋转一周时至少出现一个Index反馈用来标记绝对的起始位,之后后续的增量位置信息可以建立在该起始位基础上,从此得到的位置信息都是绝对位置。但是该方法有几个不足之处—首先编码器上电时刻是没有绝对位置的,需要Index传感器至多旋转一个周期出现来标记,其次当系统掉电再上电时绝对位置信息也消失,下次重新上电也必须旋转到Index出现来标记绝对位置。

数字码盘
为了解决以上不足,人们设计出数字码盘,如下图十五示例-- 4bit二进制码盘,有4个track,对应4个传感器读取头。最外圈track即B0位,设计成类似增量式编码器的8线,依次往里B1位为4线、B2位为2线,B3位为1线。
图十五:4bit 二进制码盘
可以看到,该4bit二进制所对应的16个数值,每个都代表绝对的、唯一的位置,位数分辨率就是本身T(bit),角度分辨率(度)=360/(2^T),T为track数,即bit数。输出信号最大频率,也就是最外圈track的B0频率,为2^(T-1) x rpm/60。

  • • 分辨率[机械角度] = 360 / (2^T)
  • • 分辨率[位]   = T
  • • 最大输出信号频率[Hz]: 2^(T-1) * rpm/60
可以做个对比,该4bit二进制码盘最大等效于增量式编码器8线。但绝对式编码器的数字码盘的每个电角度(即图中1线)里分辨率是180度,也就是1LSB(如图中所示),而增量式编码器里每电角度里分辨率是90度,所以相比增量式编码器,绝对编码器的数字码盘分辨率减少一位为4bit(8线增量式编码器分辨率为5bit),而最大信号频率则相同。

当然,实际的绝对编码器产品中也可同时采用上图十二和图十五两种光栅,在绝对位置二进制码盘的基础上,再增加正余玄的插值法Interpolation,进一步提升分辨率,如下图十六就是一个实际例子—
图十六:二进制码盘结合正余玄插值
这时该码盘的二进制分辨率是13bit,在每个line内增加了正余玄插值,所以总分辨率由两部分相加—13bit的绝对式二进制再加上(ADC的bit数-1),此例总分辨率是18bit。对于电机一圈360度机械角度来说,该绝对编码器的分辨率可以达到360/2^18=~0.00137度。

一般来说,增加二进制码盘的难度和成本相对较低,而在每line内设计精密的正余玄光栅并采用高速高精度ADC采样则难度和成本较高,所以二进制码盘的bit数会远大于ADC的bit数。

5    各电机转子位置检测对比
结合上述的各种电机转子位置检测方式并作个横向对比,比较如下表—

类型

电位器

线性霍尔传感器

旋转变压器

增量式编码器

绝对式编码器

绝对位置/角度

否 (增加Index信号后可以是,但须上电旋转一周期后)

角度精度

(平均)

一般

中等(约0.1度)

高(数字)到非常高 (加入正余玄插值)

高到非常高

(最高可达 1弧度每秒或 0.00027 度)

延时

非常低

一般(>10us)

一般(>10us)

非常低(<1us)

低((10us,取决于位数和接口)

供电

3.3V-5V

无,只需激励信号

5V, 10-30V, typ. <250mA

3.6V-14V, 5V, 10-30V and vendor specific, battery backup

工作温度

可大于150度

可达125度

可大于150度

可达100度

可达100度

内部是否电路

没有

有简单电路

没有

有一般复杂电路

有较复杂电路

设计难点

使用寿命、精度

精度,抗干扰和机械结构等

模拟电路设计, 精

尺寸、温度、模拟电路设计、功耗、EMC和机械结构等

尺寸、温度、模拟电路设计、功耗、EMC和接口协议等

方案成本

非常低

低到中

高到非常高

传感器接口

可变电阻

模拟电压

模拟:Sin/Cos(

4V-7Vrms, 4-20kHz)

数字或模拟

- 数字: 3.3V/5V TTL, 10-30V HTL or RS422, 最大可达10MHz

- 模拟: Sin/Cos 1Vpp, 最大可达500kHz

数字或混合 (数字+模拟)

- RS485/RS422 半/全双工:

Tamagawa, EnDat2.2, …

BiSS-C, BiSS-Line, OCS, SSI ,

Fieldbus: PROFIBUS, Modbus-RTU

- CAN: CanOpen, DeviceNET

- 10/100MB Ethernet

- Industrial Ethernet, EtherCAT, Ethernet IP,…

- Hybrid: EnDat2.1 or HIPERFACE

所需关键模拟器件

ADC: ADS704x

Hall: DRV5055,

ADC:ADS704x,

AFE: PGA411


AMP: THS4531A

         THS4567*

         OPA836

         OPAx320

ADC: ADSxx54

           ADS9224/34*

         ADS7056

           ADC36xx*

CMP: TLV320x

         TLV70x1

AMP: THS4531A

         THS4567*

         OPA836

         OPAx320

ADC: ADSxx54

           ADS9224/34*

         ADS7056

           ADC36xx*

CMP: TLV320x

         TLV70x1

应用场合

低成本舵机等

消费类电机、舵机等

机器人及工作环境恶劣场合

变频器、伺服驱动、数控机床等

伺服驱动、数控机床、机器人等


                                                               表一:各检测方案对比



回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

  • 论坛活动 E手掌握

    扫码关注
    EEWORLD 官方微信

  • EE福利  唾手可得

    扫码关注
    EE福利 唾手可得

Archiver|手机版|小黑屋|电子工程世界 ( 京ICP证 060456 )

GMT+8, 2019-4-19 22:15 , Processed in 0.081876 second(s), 15 queries , Gzip On, MemCache On.

快速回复 返回顶部 返回列表