基于单芯片编码器提高运动控制系统性能的研究

典型的标准封装编码器是许多运动控制应用的反馈设备，但是提供给最终用户的许多配置是有限制的。一个替代和面向应用的方法是利用更高集成度和智能化的传感器技术基于一个单芯片的编码器设计。这为需要微调编码器输出以提高总体系统性能的应用，提供了一种高度灵活和可配置的选择。

下文将对iC-Haus公司如何采用单芯片编码器方案提高运动控制系统性能进行详述。

提高运动控制应用的性能

在运动控制应用中，可以通过提高运动反馈回路的性能来增强系统性能。旋转和线性编码器提供这个反馈来实时报告速度和位置。例如，可以由下面的方式提高系统的运动控制性能：提高定位精度；较高的运行速度；提高系统效率；提高可靠性和可重复性。可以由下面的方法实现这样的性能指标：系统和部件装配校准；实时配置调整；减少机械公差；添加机械定位调整；预防性维修调整。

虽然执行很多这些方法对提高系统的性能可取，但对于新的设计或者现有的设计却不一定可行。而且实现这些变化会影响系统设计的复杂性、可制造性、外形尺寸、成本和上市时间。然而，提高运动控制的反馈有助于提高运动系统的性能。后面是一个可以减少这些因素或者完全消除它们的编码器设计资料。

单芯片编码器设计方法

考虑图1的标准电机配置。这是将一个标准封装编码器安装到一个无刷直流电机来提供运动控制应用的位置反馈。一旦此电机配置被连接到驱动应用系统，则会有机械和电子的调节局限。大部分情况下，这完全可以接受，但是对于那些需求较高性能的系统，则必须具有更多的编码器配置控制来满足设计目标。

图1:BLDC直流无刷电机连接独立封装编码器。

现在来介绍另一种单芯片编码器解决方案（如图2所示）。这个设计方法是使用一颗编码器芯片及现成的解决方案。由于这是一款高集成度的单芯片编码器芯片，只需要芯片本身再加上几个分立器件便可以达到所有的要求。此外，参考电路板设计和布局通常可以从编码器IC制造商处得到。

图2:直流无刷电机连接基于单芯片设计的编码器。

在图2中，独立封装编码器方案被单芯片编码器设计取代。这个例子用的是一个iC-MH磁编码器IC.采用这种类型设计，可以通过一个数字接口来调整编码器的配置。

如图中所示，编码器芯片感知电机轴旋转的方法是通过一个径向磁化的圆柱状磁铁来实现的。该磁铁安装到贯通的电机轴，允许直接检测电机的位置和速度。采用单芯片编码器设计有可能提供增量输出，正弦/余弦模拟输出，以及为配置和绝对位置数据读出的数字符串行接口。

单芯片编码器的类型和选项

图3所示为磁编码器和光学编码器。正确选择会对系统的性能产生重大影响。例如，选用磁编码器可以更好地适应恶劣环境，装配亦较简单。通常它的分辨率和精度低于可比的光学编码器。图4为单芯片编码器选型指南。通过比较每个编码器IC的多个特性，有助于为应用找到最佳解决方案。

图3:单芯片磁编码器IC与磁铁以及单芯片光学编码器IC与LED和码盘。

图4:单芯片编码器IC选型指南。

输出格式

如图5所示，iC-LNG等单芯片编码器具有许多不同的输出格式，并且有很多可以同时使用。

图5:iC-LNG绝对式光学编码器IC具有许多可用的编码器输出格式。

对于某些编码器器件（例如iC-MH8），有一个开源串行接口BiSS,允许高速串行接口读取配置和绝对位置（图6）。更多的BiSS信息可以在BiSS的网站上找到。

图6:BiSS串行接口（点对点连接）。

单芯片编码器提高性能的特性

如图7所示，其中一些特性包括模拟信号调理，数字正弦/余弦细分，错误监视，自动增益控制，多种编码器输出格式，BLDC电机换向信号输出，数字配置，线驱动能力以及在系统编程性。

图7:iC-MH8磁编码器IC方框图。

选择BLDC电机换向极性设置允许该编码器设备适用于各种BLDC电机。所有这些可调节的设置都存储在编码器芯片的内部RAM中，但是也将它们编程到片上非易失性PROM,以使这些设置在上电时能被读取使用。

这些配置可以通过串行接口编程。很多编码器IC都提供一个计算机图形用户界面工具（如图8所示），来对此器件进行简单和实时的交互编程。用一个计算机适配器来做电路板上的编码器IC的接口，然后将这个适配器通过USB连接到计算机。

图8:iC-MH磁编码器计算机配置图形用户界面。

除了可配置特性之外，考虑以下这些内容有助于提高运动控制应用的系统性能特性。

分辨率

回顾图1和图2所示的设计，如果这个编码器输出是100CPR（每转正交循环次数）或者400正交沿，将它改变到一个较高的值，例如1000CPR或者4000正交沿，分辨率将增加10倍。运动控制系统的角度分辨率从0.9度每转提高到0.09度每转。有一点需要注意的是运动控制器处理带宽和响应时间。当10倍以上的脉冲加到控制器或者嵌入式微处理器上，硬件和软件设计必须保证在中断和数据处理上能够响应这个增长。

在很多情况下，调节分辨率需要置换编码器器件本身，然而，很少几种可选的磁和光学编码器可以用数字方式调节分辨率，而不改变编码器IC或者源磁体/码盘。例如，iC-LNB光学编码器IC内建一个FlexCount模块，这个模块允许改变从1至65,536CPR任何分辨率而无需改变自身的码盘。

外形尺寸

单芯片编码器提供了一个非常小的外形尺寸。小封装尺寸使编码器的电路板非常紧凑，可以在狭小的空间使用。这就可能让一个编码器解决方案使用在以前不能使用到的地方。

编码器传感器输入

编码器输入的好坏决定它的输出，一个提高性能的简单方法是以改善编码器的输入来实现。对于磁编码器IC,它可能表现为选用更高质量的磁铁，减小磁铁到编码器芯片间的气隙和优化机械同心度设计。对于光学编码器IC,它可能表现为选用更高质量的LED,减小磁铁到编码器芯片间的气隙和优化机械同心度设计。由提高编码器反馈而提高控制系统性能。

精度校准

编码器的校准除了可以选择机械调整外，利用单芯片编码器通过串行接口配置其内部参数则提供了一种更为精确的校准方案。如图9所示，SinCosYzer是一个数据采集系统。通过输入编码器的正弦和余弦信号，许多不同的测量值（如Lissajous曲线，误差曲线以及以位和度表示的精度）将显示出来，帮助校准。由于这些设置是实时显示的，可以在运行时进行调整--通过图8所示的编码器芯片计算机图形用户界面即可完成。通过对编码器的正弦和余弦信号的幅度、偏置乃至相位进行内部信号调节，可以改变编码器的内部配置。

图9:SinCosYzer编码器校准工具。

编码器信号位置调整

数字调整编码器的零位信号提供了另一种提高系统性能的方法。如图10所示，iC-MH磁编码器的索引或Z位置可以以1.4度的步长进行数字调整。U脉冲的电机换向零位或者上升沿也可以以1.4度的步长进行调整。这是一个在应用中灵活定义原位的方法。不像霍尔传感器是在一个固定的地方感知BLDC电机磁极的位置，单芯片编码器可以产生这些电机换向信号，然后允许对其进行微调来增强驱动电机自身的性能。

图10:iC-MH ABZ和BLDC UVW电机换向信号。

本文小结

和标准封型编码器相比，单芯片编码器IC提供了一种高度灵活和高度可配置的编码器方案。此外，基于单芯片编码器的设计具备了通过一个数字接口调节编码器配置的能力，通过进一步增强运动控制反馈可以提高整个系统的性能。