典型的標(biāo)準(zhǔn)封裝編碼器是許多運(yùn)動控制應(yīng)用的反饋設(shè)備辟拷，但是提供給最終用戶的許多配置是有限制的撞羽。一個替代和面向應(yīng)用的方法是利用更高集成度和智能化的傳感器技術(shù)基于一個單芯片的編碼器設(shè)計。這為需要微調(diào)編碼器輸出以提高總體系統(tǒng)性能的應(yīng)用，提供了一種高度靈活和可配置的選擇蚀攘。

下文將對iC-Haus公司如何采用單芯片編碼器方案提高運(yùn)動控制系統(tǒng)性能進(jìn)行詳述怕枣。

提高運(yùn)動控制應(yīng)用的性能

在運(yùn)動控制應(yīng)用中，可以通過提高運(yùn)動反饋回路的性能來增強(qiáng)系統(tǒng)性能嘴略。旋轉(zhuǎn)和線性編碼器提供這個反饋來實時報告速度和位置庸既。例如，可以由下面的方式提高系統(tǒng)的運(yùn)動控制性能：提高定位精度卑蚓；較高的運(yùn)行速度技熊；提高系統(tǒng)效率；提高可靠性和可重復(fù)性屉争〈妇啵可以由下面的方法實現(xiàn)這樣的性能指標(biāo)：系統(tǒng)和部件裝配校準(zhǔn)；實時配置調(diào)整檩讯；減少機(jī)械公差；添加機(jī)械定位調(diào)整菌劲；預(yù)防性維修調(diào)整干跛。

雖然執(zhí)行很多這些方法對提高系統(tǒng)的性能可取，但對于新的設(shè)計或者現(xiàn)有的設(shè)計卻不一定可行祟绊。而且實現(xiàn)這些變化會影響系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性楼入、可制造性、外形尺寸牧抽、成本和上市時間嘉熊。然而，提高運(yùn)動控制的反饋有助于提高運(yùn)動系統(tǒng)的性能扬舒。后面是一個可以減少這些因素或者完全消除它們的編碼器設(shè)計資料阐肤。

單芯片編碼器設(shè)計方法

考慮圖1的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)配置。這是將一個標(biāo)準(zhǔn)封裝編碼器安裝到一個無刷直流電機(jī)來提供運(yùn)動控制應(yīng)用的位置反饋讲坎。一旦此電機(jī)配置被連接到驅(qū)動應(yīng)用系統(tǒng)孕惜，則會有機(jī)械和電子的調(diào)節(jié)局限。大部分情況下晨炕，這完全可以接受衫画，但是對于那些需求較高性能的系統(tǒng)，則必須具有更多的編碼器配置控制來滿足設(shè)計目標(biāo)瓮栗。

圖1:BLDC直流無刷電機(jī)連接獨(dú)立封裝編碼器树季。

現(xiàn)在來介紹另一種單芯片編碼器解決方案（如圖2所示）。這個設(shè)計方法是使用一顆編碼器芯片及現(xiàn)成的解決方案番链。由于這是一款高集成度的單芯片編碼器芯片令叉，只需要芯片本身再加上幾個分立器件便可以達(dá)到所有的要求。此外，參考電路板設(shè)計和布局通臣欤可以從編碼器IC制造商處得到启孔。

圖2:直流無刷電機(jī)連接基于單芯片設(shè)計的編碼器。

在圖2中薪尉，獨(dú)立封裝編碼器方案被單芯片編碼器設(shè)計取代键羡。這個例子用的是一個iC-MH磁編碼器IC.采用這種類型設(shè)計，可以通過一個數(shù)字接口來調(diào)整編碼器的配置凡加。

如圖中所示慰奉，編碼器芯片感知電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的方法是通過一個徑向磁化的圓柱狀磁鐵來實現(xiàn)的。該磁鐵安裝到貫通的電機(jī)軸氧胳，允許直接檢測電機(jī)的位置和速度证森。采用單芯片編碼器設(shè)計有可能提供增量輸出，正弦/余弦模擬輸出伴鳖，以及為配置和絕對位置數(shù)據(jù)讀出的數(shù)字符串行接口节值。

單芯片編碼器的類型和選項

圖3所示為磁編碼器和光學(xué)編碼器。正確選擇會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響榜聂。例如搞疗，選用磁編碼器可以更好地適應(yīng)惡劣環(huán)境，裝配亦較簡單须肆。通常它的分辨率和精度低于可比的光學(xué)編碼器匿乃。圖4為單芯片編碼器選型指南。通過比較每個編碼器IC的多個特性豌汇，有助于為應(yīng)用找到最佳解決方案幢炸。

圖3:單芯片磁編碼器IC與磁鐵以及單芯片光學(xué)編碼器IC與LED和碼盤。

圖4:單芯片編碼器IC選型指南拒贱。

輸出格式

如圖5所示宛徊，iC-LNG等單芯片編碼器具有許多不同的輸出格式，并且有很多可以同時使用柜思。

圖5:iC-LNG絕對式光學(xué)編碼器IC具有許多可用的編碼器輸出格式岩调。

對于某些編碼器器件（例如iC-MH8），有一個開源串行接口BiSS,允許高速串行接口讀取配置和絕對位置（圖6）触擎。更多的BiSS信息可以在BiSS的網(wǎng)站上找到沛狱。

圖6:BiSS串行接口（點對點連接）。

單芯片編碼器提高性能的特性

如圖7所示博旬，其中一些特性包括模擬信號調(diào)理尤乎，數(shù)字正弦/余弦細(xì)分，錯誤監(jiān)視剪妥，自動增益控制波寓，多種編碼器輸出格式缘嗦，BLDC電機(jī)換向信號輸出，數(shù)字配置报逛，線驅(qū)動能力以及在系統(tǒng)編程性烦草。

圖7:iC-MH8磁編碼器IC方框圖。

選擇BLDC電機(jī)換向極性設(shè)置允許該編碼器設(shè)備適用于各種BLDC電機(jī)任疤。所有這些可調(diào)節(jié)的設(shè)置都存儲在編碼器芯片的內(nèi)部RAM中幽摔，但是也將它們編程到片上非易失性PROM,以使這些設(shè)置在上電時能被讀取使用。

這些配置可以通過串行接口編程丙图。很多編碼器IC都提供一個計算機(jī)圖形用戶界面工具（如圖8所示）刮便，來對此器件進(jìn)行簡單和實時的交互編程。用一個計算機(jī)適配器來做電路板上的編碼器IC的接口绽慈，然后將這個適配器通過USB連接到計算機(jī)恨旱。

圖8:iC-MH磁編碼器計算機(jī)配置圖形用戶界面。

分辨率

回顧圖1和圖2所示的設(shè)計坝疼，如果這個編碼器輸出是100CPR（每轉(zhuǎn)正交循環(huán)次數(shù)）或者400正交沿搜贤，將它改變到一個較高的值，例如1000CPR或者4000正交沿裙士，分辨率將增加10倍入客。運(yùn)動控制系統(tǒng)的角度分辨率從0.9度每轉(zhuǎn)提高到0.09度每轉(zhuǎn)。有一點需要注意的是運(yùn)動控制器處理帶寬和響應(yīng)時間腿椎。當(dāng)10倍以上的脈沖加到控制器或者嵌入式微處理器上，硬件和軟件設(shè)計必須保證在中斷和數(shù)據(jù)處理上能夠響應(yīng)這個增長夭咬。

在很多情況下啃炸，調(diào)節(jié)分辨率需要置換編碼器器件本身，然而卓舵，很少幾種可選的磁和光學(xué)編碼器可以用數(shù)字方式調(diào)節(jié)分辨率南用，而不改變編碼器IC或者源磁體/碼盤。例如秫废，iC-LNB光學(xué)編碼器IC內(nèi)建一個FlexCount模塊末径，這個模塊允許改變從1至65,536CPR任何分辨率而無需改變自身的碼盤。

外形尺寸

單芯片編碼器提供了一個非常小的外形尺寸情丛。小封裝尺寸使編碼器的電路板非常緊湊肉棕，可以在狹小的空間使用。這就可能讓一個編碼器解決方案使用在以前不能使用到的地方暂铭。

編碼器傳感器輸入

編碼器輸入的好壞決定它的輸出披腻，一個提高性能的簡單方法是以改善編碼器的輸入來實現(xiàn)。對于磁編碼器IC,它可能表現(xiàn)為選用更高質(zhì)量的磁鐵底咳，減小磁鐵到編碼器芯片間的氣隙和優(yōu)化機(jī)械同心度設(shè)計唱撩。對于光學(xué)編碼器IC,它可能表現(xiàn)為選用更高質(zhì)量的LED,減小磁鐵到編碼器芯片間的氣隙和優(yōu)化機(jī)械同心度設(shè)計肩堡。由提高編碼器反饋而提高控制系統(tǒng)性能。

精度校準(zhǔn)

編碼器的校準(zhǔn)除了可以選擇機(jī)械調(diào)整外殃倒，利用單芯片編碼器通過串行接口配置其內(nèi)部參數(shù)則提供了一種更為精確的校準(zhǔn)方案都璃。如圖9所示，SinCosYzer是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)梁泞。通過輸入編碼器的正弦和余弦信號以舒，許多不同的測量值（如Lissajous曲線，誤差曲線以及以位和度表示的精度）將顯示出來搪泳，幫助校準(zhǔn)稀轨。由于這些設(shè)置是實時顯示的，可以在運(yùn)行時進(jìn)行調(diào)整－－通過圖8所示的編碼器芯片計算機(jī)圖形用戶界面即可完成岸军。通過對編碼器的正弦和余弦信號的幅度奋刽、偏置乃至相位進(jìn)行內(nèi)部信號調(diào)節(jié)，可以改變編碼器的內(nèi)部配置艰赞。

圖9:SinCosYzer編碼器校準(zhǔn)工具佣谐。

編碼器信號位置調(diào)整

數(shù)字調(diào)整編碼器的零位信號提供了另一種提高系統(tǒng)性能的方法。如圖10所示方妖，iC-MH磁編碼器的索引或Z位置可以以1.4度的步長進(jìn)行數(shù)字調(diào)整狭魂。U脈沖的電機(jī)換向零位或者上升沿也可以以1.4度的步長進(jìn)行調(diào)整。這是一個在應(yīng)用中靈活定義原位的方法党觅。不像霍爾傳感器是在一個固定的地方感知BLDC電機(jī)磁極的位置雌澄，單芯片編碼器可以產(chǎn)生這些電機(jī)換向信號，然后允許對其進(jìn)行微調(diào)來增強(qiáng)驅(qū)動電機(jī)自身的性能杯瞻。

圖10:iC-MH ABZ和BLDC UVW電機(jī)換向信號略雪。

本文小結(jié)

和標(biāo)準(zhǔn)封型編碼器相比，單芯片編碼器IC提供了一種高度靈活和高度可配置的編碼器方案渴肿。此外摩赎，基于單芯片編碼器的設(shè)計具備了通過一個數(shù)字接口調(diào)節(jié)編碼器配置的能力，通過進(jìn)一步增強(qiáng)運(yùn)動控制反饋可以提高整個系統(tǒng)的性能肥爵。

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