www.649net
www.649net
绝对值编码器设想:是选磁编码器仍是光学编码器?

绝对值编码器设想:是选磁编码器仍是光学编码器?

  磁位置编码器的角度分辨率和精确度与径向的磁铁扫描霍尔传感器的中心有关,受限于可行的插补细分深度和有用的磁场质量。经由过程每扭转扫描多个正弦周期,光学位置编码器具有更高的分辨率。假如利用磁码盘,这种方法也适用于磁编码器体系,可是哪个体系更好?

  本文形貌磁和光学单芯片编码器的枢纽参数,衡量两种解决方案和比力两种编码器的机能来到达挑选设计方案的目标。        

           目次

  1. 引见

  2. 两种传感器,两种系统

  3. 线性使用

  4. 比力两种扭转编码器使用体系

4.1)装配公役和抵偿特性

4.2)能够的偏差滥觞

5. 结论:哪个更好?

                                          2338.com 

1)引见

 

  现在的绝对位置传感器的制造需求与丈量精度以及尺寸巨细均和本钱有关,并且常常及其多样化。好的挑选是找到仅有的一个得当的体系解决方案来顺应手头的使命。所要处理的问题是耗时的,因为不仅是传感器的机器构造,并且每一个没有表现在元件规格书里的的参数也要思索出去。另外,开辟集成传感器芯片必需基于一个给定的丈量安装,大概供给适宜能够的婚配。

  光学扫描器凡是利用零丁封装,便利对光电二极管阵列停止几何修正。但是,关于磁的霍尔编码器不具有可比的有用选项,为此不得不供给一个适宜的传感器阵列在芯片内部,大概接纳其他办法,由芯片规划决议磁铁的目标。小的外形尺寸和最好机能凡是是这两种解决方案都具有挑战性的设想目的。本文比力一个16管脚DFN封装的18位磁单芯片霍尔编码器iC-MU和一个optoQFN封装的18位光学编码器iC-LNB。

2)两种传感器两种系统

  多通道光电子扫描器iC-LNB捕捉绝对位置数据用于线性位移丈量体系大概扭转编码器(图1)。同步扫描一个10位二进制码,附加一个模仿的旌旗灯号轨道用来评价及时的插补细分,利用一个小的编码量来到达高的角度分辨率。希冀获得的绝对值位置和增量位置分辨率利用内部的“FlexCount”算法得出,供给1至65536范围内随便脉冲数目的分辨率供挑选.

图1.光扫描器iC-LNB

  编码窗口宽度仅5.2mm,撑持利用较小的码盘大概较大直径的空心轴。伴随着节能的iC-SN85 LED来担任一个松散的光源和iC-LNB的监视器,以及掌握照度的级别。枢纽的逻辑处置也由iC-LNB内部施行,而更庞大的使命也可由一个内部的微控制器施行。

  偏置和幅度抵偿功用已被集成到芯片内部,用于改正模仿轨道旌旗灯号,这些旌旗灯号也由差分的1024个周期的正弦和余弦旌旗灯号经由过程四个输出端口输出。由旌旗灯号改正电路来低落插补细分的偏差并得到更高的位置数据精度。

 

位置数据输出能够是并行的(高达16位)大概是串行的(利用一个快速移位寄存器)。时钟速率高达16MHz,许可轮回读出工夫小于1us。3.3V兼容的SPI端口撑持器件设置和用来扫描位置数据以及诊断动静(比方,当奇偶校验位翻开,存储监督标记一个毛病)。最大许可速度依赖于分辨率;当17位分辨率时可获得6000rpm(表1)。

                    

表1:元件电气参数

  霍尔编码器iC-MU是一个选集成的单芯片器件,是幻想的磁码盘、磁鼓和磁带扫描器,适用于运控掌握使用。典范使用包罗绝对位置编码器、增量编码器以及用于无刷机电的换向编码器(图2)。位置数据被及时捕捉并由串行接口(BiSS,SSI以及SPI)和一个增量接口两同时输出。随便数目的分辨率脉冲数能够利用内部“FlexCount”算法再次挑选。

 

  接纳适宜的磁丈量机构,设有两个增量轨道,极广大约1.28mm,每一个磁极对是差分的,由另一个磁极对穿插穿过丈量距离。两个同步的正弦-数字转换器用来数字化霍尔传感器旌旗灯号;这些矢量跟随转换器跟随磁场变革率达8 MSPS,无延时。

 

  由两个轨道旌旗灯号之间的相位差,集成的掩膜-已编程旌旗灯号处理器计较绝对位置基于游标道理。利用这个道理,运动掌握不必要得到绝对位置。在扭转使用中,可获得一个19位的分辨率(相当于2.5弧度秒),当利用磁码盘 MU2S 30-32时,以及撑持的速度高达12000 rpm。

 

  经由过程摆设磁极对在一个高分子磁铁上面的一个扁平码盘,可成立一个松散的体系,它能够幻想的间接安装到机电的法兰上。扫描事情间隔于芯片平面约莫0.4mm。

 

  设想于一个16脚的DFN封装,iC-MU集成局部的所需编码器功用在最小能够的空间,仅5*5mm。偏疼大概偏轴安排撑持空心轴用于高分辨率的磁绝对值编码器。合适的磁码盘直径为30mm,撑持空心轴直径高达10mm。

                                 

图2:磁传感器芯片和磁码盘

 

  经由过程设置细分因数从1到65536,数字角度位置能够从ABZ接口以任何分辨率输出。因为内部的“FlexCount”算法,全部范畴的分辨率参数仅利用一只传感器就能够满意。这许可一个设想合适各类编码器分辨率而无需改动丈量安装。完整安装好编码器的位置当前也能够编程,以起码的工夫托付上市。并且,zero位置旌旗灯号也能够在装配好当前再编程。

 

  iC-MU能够发生3个换向旌旗灯号(U、V和W)来运转无刷直流电机,合适机电极对从1到16。因为准确的电子调理UVW旌旗灯号能够根据转子的位置改动而供给了一个枢纽的优势,使得不再需求凡是利用的霍尔开关体系。

 

  因为能够撑持空心轴使用,能够利用一个兼容的装配交换扭转变压器。作为全部体系的一部分,这将招致一个更自制的扭转变压器交换解决方案发生,跟着它的高分辨率,撑持更准确的机电掌握。

 

  SPI接口能够直接连接到一个微控制器,BiSS用于双向通信和CRC校验的超长间隔通讯,以及SSI是一个尺度的编码器接口。所有的接口许可时钟频次高达10MHz。

 

  关于数据输入,iC-MU在BiSS和谈下撑持多从机使用链式毗连,利用同步时钟毗连多个编码器来捕捉数据。假如一个相干编码器已毗连并设置和开端事情,绝对精度有可能在最高速度时记载、评价以及由一个微控制器校订,这个微控制器可许可在体系中担任一个交互的输出接口。

3)线性使用

  iC-MU撑持40,80,大概160mm间隔的绝对线性丈量,位置分辨率约莫160nm。两个器件可被级联用于更大的间隔,使得最大能够的丈量绝对间隔耽误,由2到64的一个因数肯定(图3)。这使得绝对间隔丈量体系能够到达数米,丈量速度高达16m/s。

                      

图3:元件级联用于线性丈量体系和大空心轴使用

 

  比方,决议图3的多圈设想绝对位置丈量来自于中央轨道的1024个轮回和上面轨道的1023个轮回。相位差由高出全部2.6米的丈量长度决议。上面的这颗iC-MU(1)在中央轨道的1024个轮回和上面轨道的992个轮回之间计较相位差。此安装因而反复发生32次位置数据,高出全部丈量长度。 多圈数据来自于iC-MU(2),用来辨别这32个段。

 

  另外,级联两个iC-MU霍尔编码器,其他多圈传感器(齿轮箱)也能够用来供给它的多圈数据给iC-MU。一旦供应电源,多圈数据主动读取,而且在计量模式时期周期性查抄。

4)比力两种扭转编码器使用体系

 

  两种编码器的传感器构造曾经肯定,撑持小尺寸和本钱敏感的产物而没有捐躯任何丈量精度(图4)。虽然这两种器件接纳差别的电路设计办法,它们同享相似的机能特性(表1);撑持随便可编程脉冲数的及时高绝对值和增量旌旗灯号分辨率。

 


图4:装配道理和尺寸比力

  当挑选根本的体系规划时其他决议身分也必需思索出来,比方应用领域和丈量精度要求。表2比力了次要的传感器规格参数。

 


表2:光和磁传感器的特性比力

  跟着完善的电子处置丈量体系,磁码盘的磁极间距偏差是绝对测量误差的闪现滥觞。比方,一个典范的磁精度是15um,而光学码盘的线精度是300nm,不同是不言而喻的。借助于扫描半径(表3),这个值能够被转换成角度偏差;在理论上,磁编码器体系约莫为0.07°(252弧度秒)以及光编码器体系约莫为0.0018°(6.4弧度秒)。光学系统其它的次要偏差滥觞总计为0.011°(40弧度秒)。

 

  用户挑选一个特定的体系主要依据这个体系的长处和缺陷。比方,磁编码器体系具有多种优势的情况免疫力,诸如,尘埃、油污以及水汽。它也许可一个宽的事情间隔,许可轴向间隙和安装公役较大而简单装配。因为磁编码器体系无需LED和光学器件,一个扁平的编码器设想成为能够,

 

  关于芯片设计者,当开辟电路时传感器的旌旗灯号饰演着一个次要的脚色。光学传感器读取轴角由光学码盘发生的光散布和强度决议。好的旌旗灯号对比度必需制止成像毛病。为了打败这个,特别的编码器LED供给平均性的平行光,iC-SN85是一个适宜的LED。它撑持约莫200nA的光电流发生,在传输阻抗为1MΩ时发生的旌旗灯号电压为200mV。

 

  关于磁传感器,磁场重量垂直于芯片是无益的。霍尔效应间接供给一个典范的mV级电压,依赖于磁场强度重量Z。因为单个霍尔元件仅能感知到磁铁的间隔,而接纳多个霍尔元件在差别位置记载磁场的Z重量以便角度信息可由各个部分的磁场突变得出评价。霍尔元件必需真实地“感知”这个蜿蜒的近场磁力线。因为霍尔电压的极性跟从磁场的标的目的,磁铁的北极可区分于南极,使得利用一个极对来肯定绝对角度成为能够。

 

  霍尔元件最多仅能从磁码盘的磁场发生10mV的电压。为了到达光学编码器体系的分辨率,旌旗灯号的带宽必需被限定。为了到达旌旗灯号调度的目标,霍尔元件利用一个牢固的扫描频次和滤波来评价。这个霍尔传感器饰演了一个模仿低通脚色,截止频率约莫20kHz。但是,实际上,较长的旌旗灯号传输延时是不相关的。

 

4.1)装配公役和抵偿特性

  两个体系都利用快速及时插补细分电路由向量追踪转换器利用arc tangent停止转换。关于偏置、幅度婚配、相位精度和谐波,此转换器依赖于模仿的正弦/余弦传感器旌旗灯号。但是,与幻想的装配位置的偏向惹起的旌旗灯号偏差会减小插补细分的精度。为了确保丈量精度,两个体系都许可静态校准由装配惹起的旌旗灯号偏差和经由过程集成的D/A转换器校订调理几个模仿旌旗灯号途径。

 

  电子旌旗灯号校准会增大机器活动限定度(表3)。iC-MU也许可正弦/余弦相移校准,这也能抵偿径向瞄准偏差。一旦设置和校准,所挑选的事情点由主动功用来保持。关于光学编码器,集成的LED功率掌握抵偿由温度上升惹起的LED服从丧失。霍尔编码器有一个增益掌握用来抵偿当磁码盘与芯片间隔的变革时惹起的场强改动。

 


表3:机器数据和装配公役

 

4.2)能够的偏差滥觞

  原则上,偏差该当被全盘思索出来。在这里,已对基本情况停止了考查,拿霍尔编码器作为一个例子。假如丈量用磁铁的相干几何尺寸已被思索出来,这些考查成果也一样合用于光学编码器体系。

 

  假如霍尔编码器在扫描半径对齐不幻想,将会惹起正弦旌旗灯号失真。假如有一个半径位移(ΔR),霍尔元件不能探测到磁体大概探测到分段的磁极不在准确的位置(图5B)。正弦和余弦旌旗灯号就会有一个牢固的位移偏差在随后的扫描中呈现。但是,这也能够经由过程利用集成的旌旗灯号校订电路获得抵偿。

表达式1:因为径向瞄准惹起的测量误差

 

  表达式1给出了传感器旌旗灯号电子相位偏差,D为扫描直径,ΔR为扫描位移。比方,参考电子正弦周期旌旗灯号,一个霍尔编码器径向0.1mm位移会发生0.35°的相移在扫描直径为26mmm时。假如计较每扭转的机器角度偏差,成果必需除以极对数。一个尺度磁码盘有32个极对,相当于机器角度偏差为0.01°。

  另一方面,器件在切线标的目的的位移(ΔX)对两个轨道旌旗灯号电子角度相移的影响或大或小是不异的(图5A)。这个间距改动和相位差别仅细微地影响计较绝对位置值,实际上险些不会改动。

但是,偏疼装配偏差(ΔE)会惹起装备颤动(图5C)。直径越小,丈量目的的改动越大。一个长波偏差呈现会减小绝对丈量精度。

                                             

表达式2:由偏疼率惹起的测量误差

 偏疼率偏差来自于丈量器件的位移ΔE,这个偏差来自于旋转轴和丈量磁铁的极宽p。因而,一个偏疼率10um的偏差招致相位偏差为1.4°(参考正弦周期),大概角度偏差0.05°(参考机器扭转),有关尺寸巨细,见表3,扫描直径26mm,极宽1.28mm,32极对。关于起决定性感化的相位差游标计较,偏疼率偏差饰演着一个较小的影响,因为两个旌旗灯号轨道的偏疼率是不异的。

在一个完好的机器扭转360°,角度精确度优于+/-0.1°。这个精度受磁化体系的限定。假如个体的磁极变革,细微的位移影响在约莫45°和90°,如图6所示。毗连参考编码器的机器轴也发生一个轴心偏差,它能够经由过程在同一个标的目的扭转的一个长波偏离观察到。

图6:iC-MU磁体系角度精度

图6展现了iC-MU磁体系的角度丈量精度,利用磁码盘 MU2S 30-32,周期角度为11.25°

在这里,数学和图形功用在BiSS读出软件里能简单的比力丈量数据。

 

5)结论:哪个更好?

  磁传感器手艺有许多长处可说:优良的可靠性、对打击和振动的高抵抗性、不易碎、对尘埃和水蒸气不敏感。单芯片霍尔编码器iC-MU许可利用空心轴以及可实现仅有光编码器才气做到的位置分辨率。但是,关于高丈量精度的使用,光学传感器,诸如iC-LNB等有优势,可是需求更高贵的装配本钱。可是,考虑到它们具有小的optoQFN和optoBGA封装,单芯片编码器是一个可行的挑选。基于这些枢纽点,决议挑选哪一个计划该当由使用自己的需求来决议。

   

2338.com
上传工夫:2013-07-16
上葡京网址
澳门新葡京网址投注