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Question！您的電機(jī)是否以預(yù)期速度旋轉(zhuǎn)？

閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)回答這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橹灰须姍C(jī)旋轉(zhuǎn)的地方就會(huì)實(shí)施閉環(huán)系統(tǒng)，這是一個(gè)趨勢(shì)。無(wú)論終端系統(tǒng)是汽車（采用電腦控制轉(zhuǎn)向的輔助平行泊車），是人造衛(wèi)星（調(diào)整衛(wèi)星角度以鎖定特定信號(hào)），還是工廠機(jī)械（取放機(jī)器），位置反饋傳感器都是總體電機(jī)控制系統(tǒng)中的固有元件。電機(jī)控制種類多種，本文將討論兩種圍繞位置傳感器實(shí)施模擬信號(hào)鏈的控制方案：Resolver和Encoder。

Resolver

在討論Resolver信號(hào)鏈解決方案之前，首先考慮它的基本工作原理（如圖1）。Resolver（這里是一個(gè)發(fā)送器單元）由三個(gè)不同的線圈繞組構(gòu)成，即參考、正弦 (SIN) 和余弦 (COS) 繞組。參考繞組是一次繞組，其可通過(guò)稱之為旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓器，由應(yīng)用于該變壓器 一次側(cè)的AC 電壓勵(lì)磁。旋轉(zhuǎn)變壓器隨后將電壓發(fā)送至變壓器的二次側(cè)，因此無(wú)需電刷或套環(huán)。這樣可提升Resolver的整體可靠性和穩(wěn)定性。

（圖1 Resolver發(fā)送器單元的簡(jiǎn)化機(jī)械原理圖）

感應(yīng)到的輸出電壓波形。圖中顯示了 SIN 和 COS 繞組除以參考電壓的規(guī)范化電壓輸出信號(hào)。傳 統(tǒng)參考電壓通常介于 1 至 26V 之間，而輸出頻率范圍 則是 800Hz 至 5 kHz。

現(xiàn)在可以確定對(duì)適當(dāng)信號(hào)鏈器件的要求。信號(hào)鏈必須 為雙極性，因?yàn)樾盘?hào)會(huì)擺動(dòng)至接地以下（圖2）。

（圖2 SIN和COS繞組的標(biāo)準(zhǔn)化輸出電壓）

它必須同時(shí)對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換高達(dá) 5kHz 的信 號(hào)，并針對(duì)Resolver為參考繞組提供 AC 電壓。最佳的解 決方案是為兩個(gè)通道各實(shí)施一個(gè) Δ-Σ 調(diào)制器。Δ-Σ 調(diào)制器可在極高頻率（在 10 至 20MHz 范圍）下進(jìn)行 采樣，因此經(jīng) Δ-Σ 調(diào)制后的輸出要進(jìn)行平衡和濾波 后才可獲得可接受的分辨率。

（圖3 Resolver控制環(huán)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖）

總之 ，Resolver是一款非常穩(wěn)定的控制系統(tǒng)位置傳感器，不僅支持高精度 ，而且還可提供很長(zhǎng)的使用壽 命 。Resolver的缺點(diǎn)是其最大旋轉(zhuǎn)速度 。由于Resolver信號(hào)頻率通常小于 5kHz ，因此電機(jī)速度需要小于5,000 轉(zhuǎn)每分鐘。

Encoder

與Resolver的情況類似，在討論信號(hào)鏈實(shí)施方案之前，首先要了解編碼器的物理及信號(hào)輸出特性。編碼器通 常有兩種：線性與旋轉(zhuǎn)。線性編碼器用于只按一個(gè)維 度或方向運(yùn)動(dòng)的方案 ，可將線性位置轉(zhuǎn)換為電子信 號(hào)，通常與致動(dòng)器配合使用。旋轉(zhuǎn)編碼器用于圍繞軸心運(yùn)動(dòng)的方案 ，可將旋轉(zhuǎn)位置或角度轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)。由于旋轉(zhuǎn)編碼器與電機(jī)一起使用（電機(jī)圍繞軸心 旋轉(zhuǎn)），因此本文不涉及線性編碼器。

常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)編碼器有三種：絕對(duì)位置值、增量 TTL 信號(hào)以及增量正弦信號(hào)。對(duì)于絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器而 言 ， 磁盤(pán)上的模式可根據(jù)其位置分成非常具體的模 式。例如，如果絕對(duì)位置編碼器具有 3 位輸出，那么它就將具有平均分布的八個(gè)不同模式（圖 4）。這是 在磁盤(pán)上而且是平均分布的，因此每個(gè)模式的間距是 360°/8 = 45°。現(xiàn)在，對(duì)于 3 位絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器而言，可以判斷 45° 范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)位置。

（圖4 位絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)例）

絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出已針對(duì)數(shù)字接口進(jìn)行了優(yōu)化，因此不需要模擬信號(hào)鏈。

對(duì)于增量 TTL 旋轉(zhuǎn)編碼器而言，磁盤(pán)上的模式輸出數(shù) 字高或數(shù)字低，即TTL信號(hào)。如圖 5 所示，TTL 輸出 磁盤(pán)的模式與絕對(duì)位置值旋轉(zhuǎn)編碼器相比比較簡(jiǎn)單， 因?yàn)樗恍璞憩F(xiàn)數(shù)字高或數(shù)字低。除了 TTL 信號(hào)外， 還有一個(gè)對(duì)于確定電機(jī)當(dāng)前旋轉(zhuǎn)位置很重要的參考標(biāo)記。可將參考標(biāo)記視作 0° 角度。因此，對(duì)數(shù)字脈沖 進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)即可確定電機(jī)的確切旋轉(zhuǎn)位置。

（圖5 增量TTL旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)例）

圖 5顯示了電機(jī)軸一次旋轉(zhuǎn)中的多個(gè)周期。編碼器制造商可提供每轉(zhuǎn) 50至5,000 個(gè)周期的增量 TTL 旋轉(zhuǎn) 編碼器（和增量正弦旋轉(zhuǎn)編碼器）。與絕對(duì)位置值旋 轉(zhuǎn)編碼器一樣，輸出已經(jīng)是數(shù)字格式，因此不需要模 擬信號(hào)鏈。

對(duì)于增量正弦旋轉(zhuǎn)編碼器而言 ， 輸出和磁盤(pán)模式與 TTL 信號(hào)編碼器非常相似。顧名思義，其輸出不是數(shù) 字輸出，而是正弦波輸出。實(shí)際上，它具有正弦及余 弦輸出以及參考標(biāo)記信號(hào)，如圖 6 所示。這些輸出都 是模擬信號(hào)，因此需要模擬信號(hào)鏈解決方案。

（圖6 增量正弦旋轉(zhuǎn)編碼器的建模輸出）

與增量 TTL 輸出類似，在一次旋轉(zhuǎn)中有多個(gè)信號(hào)周期。例如，選擇單次旋轉(zhuǎn)有 4,096 個(gè)周期的編碼器連接以 6,000 轉(zhuǎn)每分鐘的速度旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，所得的正弦 和余弦信號(hào)頻率計(jì)算如下。

本實(shí)例中的信號(hào)鏈解決方案需要具備至少410kHz的帶寬 。由于這是閉環(huán)控制系統(tǒng) ， 因此必須將時(shí)延控制在最小范圍內(nèi)或者完全消除。通常，編碼器輸出為1Vp-p，而且正弦和余弦輸出是差分信號(hào)。

對(duì)模擬信號(hào)鏈解決方案的典型要求是：

?   兩個(gè)同時(shí)采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADCs)：一個(gè)用于正弦波輸出，一個(gè)用于余弦波輸出。

?   無(wú)系統(tǒng)時(shí)延 ：需要400kHz以上的帶寬 ，因此ADC必須最少能處理每通道800kSPS的速率。

? 支持 1V 左右滿量程的 1-Vp-p 差分輸入可優(yōu)化 ADC 的滿量程范圍或 ADC 滿量程范圍的輸入信號(hào)放大。

?    一個(gè)參考標(biāo)記信號(hào)比較器。