采用单芯片编码器提高运动控制应用的性能  

   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的和智能化的传感器技术基于一个单芯片的编码器设计。这些提供了一个高度灵活的和可配置的选择,对于那些需要能够微调编码器输出而提高总体系统性能。

 下面的白皮书描述了采用单芯片编码器方案提高运动控制系统的性能。

目录：

1） 提高运动控制应用的性能       P.3

2） 单芯片编码器设计方法       P.4

3） 单芯片编码器的类型和选项     P.6

4） 单芯片编码器提高性能的特性     P.8

5） 摘要               P.13

1）   提高运动控制应用的性能

在运动控制应用中，可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

例如，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

  虽然执行很多上面这些方法来提高系统的性能是可取的，但对于新的设计或者现有的设计不总是有可能的。而且，实现这些改变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系运动系统的性能，让我们详述一个编码器设计，可以减少这些因素或者完全消除它们

2）单芯片编码器设计方法

  考虑图1的标准电机配置。这是一个标准封装编码器被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，会有机械和电子的调节局限。大部分情况下，这是可完全接受的，但是对那些需求较高性能的系统，必须要求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

注意：Comm 是换向信号，ABZ是增量输出信号，ABS是绝对位置输出

  现在来介绍另一种单芯片编码器解决方案如图2所示。使用这个设计方法，一颗编码器芯片，使用一个现成的外壳解决方案。由于这个高集成度单芯片编码器芯片，只需要这个芯片本身再加上几个分立元件便达到所有的要求。此外，参考电路板设计和布局通常可从编码器IC制造商处得到。

如图2所示，独立封装编码器方案被单芯片编码器设计取代，这个例子是一个iC-MH磁编码器IC。采用此类型设计可通过一个数字接口来调整编码器的配置。

图2：直流无刷电机连接基于单芯片设计的编码器

注意：：Comm 是换向信号，ABZ是增量输出信号，ABS是绝对位置输出

Sin/Cos是模拟正弦和余弦输出，Config是编码器配置

  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。此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^[4]，以及为配置和绝对位置数据读出的数字串行接口。

3）单芯片编码器的类型和选项

  磁编码器和光学编码器如图3所示。正确选择其中之一会严重影响系统的性能。例如，选用磁编码器可以更好的适应恶劣环境，以及装配较简单，通常它的分辨率和精度低于可比的光学编码器。考虑图4的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，这将有助于为应用找到最佳的解决方案。

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：单芯片编码器选型指南

输出格式：如图5所示，单芯片编码器如IC-LNG提供不同输出格式并且有很多是可以同时使用的

图5：iC-LNG光学绝对编码器IC展示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，有一个源码开放的串行接口BiSS，它允许高速串行接口读取配置和绝对位置。有关更多的BiSS信息在BiSS的网站上可以找到。^[1]

4）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 

      这些配置可以通过串行接口编程，很多编码器IC提供一个计算机图形用户界面工具允许简单和实时的交互编程此器件。一个计算机适配器用来做电路板上的编码器IC的接口，然后这个适配器通过USB连接到计算机。这个计算机图形用户界面如图8所示。

      选择BLDC电机换向极性设置允许此编码器设备适用于各种BLDC电机。所有的这些可调节设置存储到编码器芯片内部RAM，也可编程到片上非易失性PROM，允许这些设置在上电时读取使用。

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，让我们考虑以下这些会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100 CPR(每旋转正交循环次数)或者400正交沿，将其改变到一个较高的值如1000 CPR 或者4000正交沿，分辨率增加10倍。运动控制系统的角度分辨率从0.9度每旋转提高到0.09度每旋转。有一点需要注意的是运动控制器处理带宽和响应时间^[3]。当10倍以上的脉冲加到控制器或者嵌入式微处理器，硬件和软件设计必须保证在中断和数据处理能响应这个增长。

在很多情况下，调节分辨率需要置换编码器器件本身，然而，没有几个可选的磁和光学编码器可以用数字方式调节分辨率而无需改变编码器IC或者源磁铁/码盘。例如，iC-LNB光学编码器IC内建一个FlexCount模块，这个模块允许改变分辨率到任何要求的CPR，从1至65,536 CPR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。小的封装尺寸允许编码器的电路板非常紧凑，可以在狭小的空间使用。这就可能允许一个编码器解决方案使用到之前一个不能使用到的地方。

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改善编码器的输入来实现。对于磁编码器IC，这个可能是选择更高质量的某种形式的磁铁，减小磁铁到编码器芯片之间的气隙以及优化机械同心度设计。对于光学编码器IC,这可能是选择更高质量的某种形式的LED，同样的也要减小气隙和优化机械设计。通过这样做来提高编码器反馈来提高控制系统性能。

精度校准

  虽然机械调整是一个可选方法之外，利用单芯片编码器通过一个串行接口配置它的内部参数提供了一个更为精确的编码器校准方案。

  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，许多不同的测量值被显示用来帮助校准。李育莎曲线，误差曲线以及以位和度表示的精度。由于这些设置是实时显示的，可无休止的调整，只需要通过编码器芯片计算机图形用户界面来完成，如图8所示，通过内部信号幅度调理，偏置调理乃至相位调理编码器的正弦和余弦信号的方法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

  调整编码器的零位信号提供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位置可以数字化的在1.4度的步长内调整。U脉冲的电机换向零位置或者上升沿也可以在1.4度的步长内调整。这提供了一个在应用中灵活定义原位置的方法。不像霍尔传感器感知BLDC电机磁极的位置是在一个固定的地方,单芯片编码器可以产生这些电机换向信号然后允许微调它们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

5）摘要

和标准封型编码器相比，单芯片编码器IC提供了一个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来提高整个系统的性能。