編碼器多通道

本文格式為Word版，下載可任意編輯——編碼器多通道換向直流電機(jī)編碼器通道

在現(xiàn)今需要高強(qiáng)度伺服電機(jī)應(yīng)用的電腦數(shù)值操縱工具(數(shù)控機(jī)床)、電梯以及中到大型工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，對(duì)于電源效率、轉(zhuǎn)矩、軸向振動(dòng)和抗噪聲才能的要求已經(jīng)成為操縱系統(tǒng)和編碼器的主要設(shè)計(jì)考量。因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM，PermanentMagnetSynchronousMotors)，更加是無刷直流電機(jī)(BLDC，BrushlessDCmotors)的制造商，無不持續(xù)探索可以通過更高速度供給更佳精確度的編碼器解決方案，并且可以穩(wěn)健地在環(huán)境中運(yùn)行。

為了得志這一需求，對(duì)6通道換向編碼器舉行了提升，使之達(dá)成250kHz的頻率響應(yīng)、更生動(dòng)的極對(duì)數(shù)，并采用可處理軸向振動(dòng)問題的特殊錐形軸設(shè)計(jì)，以及帶來屏蔽接地以支持苛刻工作條件要求的額外電子電路。

無刷直流電機(jī)介紹

無刷直流電機(jī)由兩個(gè)主要片面組成，分別為轉(zhuǎn)子和定子。其中，轉(zhuǎn)子為永磁式磁鐵，定子那么由以120°電子角分開，纏繞在軟金屬的電樞繞組構(gòu)成。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路供給流經(jīng)定子繞組的相位電流，這個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生了可以推動(dòng)轉(zhuǎn)子的不同相位磁場(chǎng)，在本篇文章的議論中將把這些相位分別命名為U、V和W。典型的閉環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)如圖1所示。

增加轉(zhuǎn)子中的極對(duì)數(shù)可以提高電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，極對(duì)數(shù)的增加可以通過選擇正確的磁性材料或加大轉(zhuǎn)子的直徑達(dá)成。

對(duì)于直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)矩速度比務(wù)必平坦，要維持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，也就是把轉(zhuǎn)子的紋波保持在最低，轉(zhuǎn)子中的極對(duì)數(shù)務(wù)必夠高，因此，在實(shí)際應(yīng)用中通常使用8、10、20甚至高達(dá)30個(gè)極對(duì)數(shù)，這也逐步成為這類型電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的常見配置。

無刷直流電機(jī)的應(yīng)用要求

無刷直流電機(jī)在工業(yè)界中廣泛使用，高強(qiáng)度工業(yè)應(yīng)用，如研磨、搪磨和銑削過程的數(shù)值機(jī)床，就需要最小紋波的穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩；然而在中大型工業(yè)應(yīng)用中，如金屬和木材加工機(jī)械，轉(zhuǎn)矩操縱和負(fù)載剛度就成為關(guān)鍵的考量。另一方面，對(duì)于電梯用的牽引電動(dòng)機(jī)，穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩/速度比那么是主要的考慮因素。

假設(shè)需要更高的轉(zhuǎn)距和效率，或更穩(wěn)定平穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)，也就是降低轉(zhuǎn)矩紋波，無刷直流電機(jī)的極對(duì)數(shù)就務(wù)必隨著轉(zhuǎn)矩一同提高。通常，高轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)搭配強(qiáng)大的稀土磁體，像釹鐵硼(NdFe-B)，電動(dòng)機(jī)直徑較大，可以參與較多極對(duì)數(shù)以及相對(duì)短大量的極對(duì)長(zhǎng)度。作為例如，1m直徑和6英寸長(zhǎng)的極對(duì)就經(jīng)常應(yīng)用在電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

對(duì)于高強(qiáng)度應(yīng)用以及中到大型工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)距就成為考量的關(guān)鍵因素，通常，用來改善功率因數(shù)、效率和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大小的方法是提高轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)和定子的繞組。

對(duì)于傳統(tǒng)的三相無刷直流電機(jī)，需要3個(gè)霍爾傳感器來產(chǎn)生120°。根本上，由于霍爾傳感器為集電極開路器件，因此每個(gè)傳感器都需要上拉電阻，這些額外的組件、連接線和接點(diǎn)都可能會(huì)因連線和腐蝕而產(chǎn)生穩(wěn)當(dāng)性問題。為了制止這種處境，制造商通常借助強(qiáng)化傳感器和配套支持部件來制止受到惡劣環(huán)境的影響。

無刷直流電機(jī)中的霍爾傳感器作為操縱器的反應(yīng)系統(tǒng)來達(dá)成電動(dòng)機(jī)的換向程序，主要通過取得轉(zhuǎn)子目前相對(duì)定子繞組的位置，并利用取得的信息用來激發(fā)相對(duì)的電機(jī)繞組舉行轉(zhuǎn)動(dòng)。

由于霍爾傳感器在實(shí)體安置上務(wù)必以120°間隔分開，因此其在印刷電路板上的位置安置通常也會(huì)受到定位精確度的影響。

這樣的不切實(shí)問題會(huì)影響到無刷直流電機(jī)的性能，然而這個(gè)問題可以通過對(duì)傳感器信號(hào)的進(jìn)一步過濾來減輕。

在電磁兼容(EMC，ElectroMagneticCompatibility)測(cè)試的返回電流感應(yīng)中，當(dāng)極對(duì)數(shù)增加時(shí)，電流感應(yīng)的精確性和穩(wěn)當(dāng)度就成為挑戰(zhàn)。因此，光學(xué)編碼器在換向極對(duì)數(shù)增加時(shí)就在供給高精確性和穩(wěn)當(dāng)度上扮演了關(guān)鍵的角色。

典型的光學(xué)編碼器

如圖2所示，光學(xué)編碼器由三個(gè)主要片面組成：

1碼盤或碼尺-帶有圖案的碼盤或碼尺。

2發(fā)光器-通常使用發(fā)光二極管(LED)或紅外光(IR)。

3檢測(cè)器-感光分立光二極管或更先進(jìn)的光晶體管陣列集成電路，可以把機(jī)械動(dòng)作轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)。

光學(xué)編碼器系統(tǒng)由發(fā)光器發(fā)光通過碼盤，碼盤上的圖案操縱光的傳送和遮蓋，形成了落在光二極管上的序列光影變化，接著由光二極管檢出。編碼器的換向信號(hào)照舊保持高精確性和穩(wěn)當(dāng)度，不會(huì)受到極相位或相位數(shù)的影響。

圖2光學(xué)編碼器

由于光學(xué)編碼器受碼盤操縱，因此可以進(jìn)一步定制來得志更高極對(duì)數(shù)的要求，這在傳統(tǒng)的霍爾傳感器上并不成行。不過，最小的角度為0.33°(最大180個(gè)極對(duì)數(shù))，唯一的限制在光檢測(cè)器的設(shè)計(jì)。

通過表1可以看到，極對(duì)數(shù)越高，

如圖3所描述，無刷直流電機(jī)的一個(gè)極對(duì)可以產(chǎn)生6個(gè)狀態(tài)，在完整轉(zhuǎn)動(dòng)一圈中以60機(jī)械度分開。另一方面，圖4中的兩個(gè)極對(duì)數(shù)那么產(chǎn)生12個(gè)狀態(tài)，以30機(jī)械度分開。

提高極對(duì)數(shù)可以減低信號(hào)紋波，而信號(hào)紋波的裁減那么可以改善功率因數(shù)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)度，可見圖5。相反地，隨著極對(duì)數(shù)的增加，轉(zhuǎn)矩的平坦度也會(huì)提升。

隨著無刷直流電機(jī)對(duì)于轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定度的要求越來越高，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)和定子相位配置也隨著新繞線方法和使用的磁性材料而提升，要得志高轉(zhuǎn)矩速度的穩(wěn)定，編碼器的正確選擇分外關(guān)鍵。選擇編碼器時(shí)主要的考慮參數(shù)有：

1辨識(shí)率(CPR，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的脈沖數(shù))

2相對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的響應(yīng)頻率。(電動(dòng)機(jī)速度：每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)RPM=[頻率(kHz)×60]/CPR)