关于电机反馈回路传感器的选择分析

作者：Bill Schweber 贸泽电子

在很多电机控制应用系统中，随时监测电机转子或者负载的位置、速度设置包括加速度等参数是非常有必要的。根据应用和设计的要求，电机控制器需要精确的知道这些参数或者了解大概的参数信息。只有知道电机的情形和转子的状态，电机控制器才能够形成一个闭环控制系统，如图1所示。

图1：很多电机管理和控制应用中集成传感器并且提供转子位置和速度的实时信息是组成一个高效的闭环反馈系统非常必要的，这样才能保证可靠的系统性能。（来源：Bill Schweber）

当然，电机的速度、位置和加速度是紧密联系的。因为速度的位置的导数（随时间的变化率），加速度又是速度的导数，只要知道其中一个参数，我们就可以确定所有三个参数（注：速度是加速度的积分，位置又是速度的积分）。

然而在实际情况中，由于分辨率和噪声等因素这种确定相关参数的方法往往显得捉襟见肘。例如某个方案的参数设计可能完全不适合另一个应用场景所要求的分辨率要求。不同的应用对于分辨率和精确度的要求从粗糙到中等以及精确都是有可能的。比如数控机床就需要精确的转子信息，汽车电动窗控制器使用近似数据就可以了，洗衣机或者烘干机采用粗糙的数据就能实现功能。

闭环

为了感测转子的位置或者运动参数，最常见的方法就是旋转变压器、光电或者电容编码器、霍尔效应器件等，按照精度、分辨率和成本因素大致降序排列。这些传感器在物理设计、实现和电子接口方面存在很大的不同，所以对于使用者来讲必须清楚自己的需求，这样才能确定应用采用最好的选择，最终将传感器完美的接入到控制器的电路中。

增量编码器（用于采集相对位置参数以及控制成本）通常与交流感应电机搭配使用。相反的是绝对编码器（电机的每个位置都会给出不同的二进制数据，可以绝对的确定轴位置信息）通常与永磁无刷电机搭配使用，在伺服应用系统中广泛采用。当然这些应用是确定需要使用增量或者绝对参数信息的主要因素。

尽管大多数的电机控制采用数字控制回路，但是实际情况是如果传感器信号是模拟的那么需要转换为数字信号，又或者数字信号（如电压和其它属性）与标准的数字电路不兼容。反馈回路中的传感器一般能提供“原生”输出数据，我们可以进行自定义转换，有些还具备条件化的即插即用的数据输出，这与标准的I/O接口、格式和协议向兼容。

尽管更高的分辨率看似是好的，但是在实际应用中却不一定。分辨率太高可能会拖慢整个系统的性能，因为系统需要处理更多的数据信息，但是很多数据是不需要的或者是没任何用处的，所以说满足系统需求的最低分辨率对系统才是最好的选择。

“现在就提供几种解决方案…”

分解器是非常精确、可靠、绝对位置参数传感器。它是基于变压器的基本原则来设计，一个主绕组和两个二次绕组，互相正交放置（夹角90度），如图2所示。一次绕柱和二次绕组之间的有效匝数比和极性夹角是根据转轴的角度确定的。一次绕柱通过交流信号并且保持常量，信号频率范围从50/60Hz到几百KHz，二次绕组的输出会根据实际的放置位置有一定的移相。二次绕组的峰值电压随轴的转动而变化，并且与轴角度成正比。采用主绕组信号为参考来解调这些电压输出，分解器能够提供高分辨率的轴角度参数输出。

图2：分解器采用一个主绕组和一对二次绕组，正交放置；需要交流励磁和解调，但是非常精确、可靠，上电后能提供绝对位置数据信息（图片：ADI.inc）

分解器不仅很精确也很牢固可靠。主绕组和二次绕组之间没有直接的物理接触，除了电机本身设计之外没有单独的电刷和轴承，不会存在任何摩擦导致零件磨损，也不会有任何杂物（如油）干扰机器运行。分解器通常被用在极具挑战性的情况下，如军事枪炮的射击角度测量，因为它的机械设计非常牢固，性能很高。

然而相对于其他的选择，分解器一般体积较大而且成本比较高，功率消耗相对也比较大，对于一些低功耗应用是不能够接受的。而且为了生成和解调交流信号还需要复杂的电路设计，尽管我们可以使用一些IC芯片来简化电路但是效果还是有限的。上电后就能提供绝对位置参数数据，不需要其他操作来确定初始转轴角度，当然这个特性在一些应用中是必备的，而一些应用则可能完全不需要。

对位置进行编码，而不是数据

增量位置读取采用的光电编码器（这里“编码器”与数字数据编码无关）采用一个光源（LED）、两个正交的光电传感器和一个玻璃或者塑料材质的转盘，如图3所示。转盘上具有相对几何中心精细的刻度线，当它转动时传感器能识别到明暗的光线变化。

转盘上刻度线的数量和其它一些技术决定了光电编码器的分辨率，一般有1024,2048以及更高的4096。与变压器式的分解器不同的是，光学编码器不是被广泛使用的器件，直到长寿命的LED和高效传感器的出现。

图3：光学编码器采用一个光源、两个正交放置的光传感器和一个带有刻度线的转盘组成；体积小、功耗低，非常容易接入到电路中，提供的性能和功能也是非常强大的。（图片：国家技术提升计划，由印度政府出资开展的一个国家级项目）

传感器的摆放位置让编码器确定转动方向，两个传感器（A和B）输出的信号脉冲通过一个简单基本的电路进行转换生成一对比特流信号，分别表示动作和方向，如图4所示。

图4：A和B信号夹角成90度，光学编码器的输出与很多运动控制处理器的I/O接口兼容。（图片：Bill Schweber）

然而这个编码器是一个增量式编码器，而不是绝对的，仅表明运动信息。为了能够确定决定位置信息，大多数编码器增加了第三方传感和光电传感器，作为零参考位置指示。转轴的转动角度必须足够大，超过零参考位置才能输出这个信号，当然也有方法让光学编码器可以增加相对位置信息数据输出，但是这样会增加该单元电路的复杂度。

光学编码器能够提供非常好的分辨率，但是它们没有分解器那样坚固。灰尘会影响光线路径同时编码器的转盘也会布满污垢。但是它的性能完全能够满足很多应用的需求，而且尺寸小巧、重量轻、低功耗、方便接入并且成本相对较低。

电机和旋转应用采用的传统光学编码器与HEDS-9000和HEDS-9100很相似，这两款是Avago科技公司（Broadcom）推出的双通道模块单元。这些高性能、低成本的模块包括一个LED光源以及镜头和一个检测器IC，封装在一个小型C形状的塑料壳内，还设置了驱动和电子接口，如图5所示。它们具备精准的光源和光电检测器的放置，所以即使外面的安装偏差也不会太影响它的性能。

图5：Avago出品的HEDS-9000和HEDS-9100双通道模块，尺寸小巧，安装灵活；其中的刻度转盘可以根据实际应用的分辨率要求分别订购。（图片：Avago科技/Broadcom）

注意这个转盘，称为编码盘，可以独立订购，适用于HEDS-9000的分辨率有500CPR和1000CPR，HEDS-9100可以在96CPR和512CPR分辨率之间选择。这个模块能提供双通道TTL兼容的A和B数字信号输出，支持5V供电，如图6所示。

图6：Avago出品的HEDS-9000和HEDS-9100双通道模块，尺寸小巧，安装灵活；其中的刻度转盘可以根据实际应用的分辨率要求分别订购。（图片：Avago科技/Broadcom）

除了光学编码器还有一个选择方案，基于电容原理而不是采用光学原理，如下面我们展示的CUI AMT10系列，图7所示。这些编码器在牢固性、高精确度、增量和绝对检测模块化的单元都有很多选择，最高支持12位（4096个计数单元）的分辨率选择，通过四个DIP开关进行设置，共有16种设置选择。通过SPI协议接口可以接收A/B两路正交的CMOS兼容的输出信号。

图7：CUI AMT10系列电容编码器，外观上看似光学编码器，但是设计和使用原理是非常不同的。（图片：CUI.inc）

与光学编码器不同，CUI AMT系列器件在编码器的活动与固定部分都使用了重复性的可腐蚀的导体材料。当编码器旋转时，两部分之间的相对电容值会增加或者降低，这种变化在电容值上是非常敏感的，有些类似光学编码器中的光电晶体管的信号输出，灰尘和其它污垢不会造成任何不利影响。

当然我们要记住无论是分解器还是编码器都是机械设备，我们需要考虑安装以及电子接口要求。为了避免库存问题，CUI公司为AMT10系列提供了多种外壳、盖子和安装基座，如图8所示。因此同样的一个编码器可以应用到不同的转轴直径和安装应用场景中。

图8：在实际应用中，编码器需要能够适用不同的转轴和安装情形；CUI公司提供了全面的安装配件，采用不同颜色进行编码识别，这样单个编码器就能够在不同的应用场景中使用。（图片：CUI.inc）

分解器和编码器都能够提供基本的数据输出，分辨率可达每度的千分之一（每分钟转0.6弧度）或者更高，但是精确度和分辨率是不一样的（一些应用中可能更关心其中一个方面）。无论设计中采用的是分解器还是编码器，因为温度、跟踪速度的变化、意想不到的相移以及其它因素都会引起故障的产生，然而这些模块的供应商会提供很多方法来消除、避免或者弥补这些缺点，通常会采用IC器件来实现对传感器原始数据的处理，然后将过滤后的数据传输给系统控制器。