选择电机反馈传感器时有很多选择

在许多运动控制应用中，有必要知道电机转子或其负载的位置、速度甚至加速度。根据应用和设计细节，电机控制器可能需要精确、近似或根本不需要知道这些参数。通过了解电机情况和转子状态，电机控制器具有闭环场景（图1）。

当然，电机的速度、位置和加速度是密切相关的。因为速度是位置的导数（时间变化率），加速度是速度的导数，所以可以确定所有三个因素，即使只知道其中一个因素（也请注意补码：速度是加速度的积分和位置是速度的积分）。

然而，在实践中，由于分辨率和噪声的原因，这种确定相关参数的方法通常（但并非总是）不足。例如，知道转子已完成另一次旋转会告诉您所有三个变量，但分辨率非常低且通常不可接受。根据应用的不同，所需的分辨率和精度可以从粗略到中等到精确不等。数控机床需要精确的转子信息，汽车电动车窗控制器可以接受近似数据，洗衣机或烘干机只能满足粗略的信息。

关闭循环

对于感应转子位置或运动，最常见的选择是旋转变压器、光学或电容编码器和霍尔效应器件，大致按精度、分辨率和成本的降序排列。这些传感器在物理设计、实现和电气接口方面非常不同，因此用户必须了解需要什么，在给定应用中最佳选择是什么，以及如何将传感器连接到控制器的电路。

增量编码器——仅在需要相对位置或成本问题时使用——通常与交流感应电机一起使用。相比之下，绝对编码器 - 在每个位置提供不同的二进制输出，因此轴位置是绝对确定的 - 通常与伺服应用中的永磁无刷电机配对。当然，应用程序是决定需要增量信息还是绝对信息的主要因素。

尽管现在大多数电机控制都是通过数字控制回路完成的，但传感器信号本身要么是全模拟的，需要数字化，要么是数字信号，但具有使其与标准数字电路不兼容的电压和其他属性。尽管一些反馈传感器提供了可根据需要进行定制的原始输出，但许多反馈传感器还具有与标准 I/O 端口、格式和协议兼容的经过调节的、即用接口的输出。

尽管更高的分辨率似乎是一个好主意，但在实践中可能并非如此。太多表面上的好东西——分辨率——会因为需要额外处理不需要或无用的信息而减慢系统速度，因此将分辨率限制在所需的最低限度是个好主意。

解析器

旋转变压器是极其精确、坚固的绝对位置传感器。它们基于基本的变压器原理，一个初级绕组加上两个次级绕组，它们相互之间呈正交 (90°) 方向（图 2）。初级和次级绕组之间的有效匝数比和极性因轴的角度而异。初级由恒定频率的参考交流波形激励，频率范围从 50 Hz/60 Hz 到数百 kHz，次级绕组的输出由于其物理位置而异相。次级的峰值电压会随着轴的旋转而变化，并且与轴的角度成正比。通过使用初级信号作为参考解调这些输出，旋转变压器电路可以提供轴角的高分辨率读数。

旋转变压器不仅准确，而且坚固耐用。旋转变压器在初级和次级侧之间没有物理接触，除了电机本身的那些之外没有单独的电刷或轴承，没有会导致零件磨损的摩擦点，也没有污染物（如油）干扰的机会操作。旋转变压器因其机械坚固性和性能而被广泛用于极具挑战性的情况，例如军用枪支的角度测量。

然而，与替代方案相比，旋转变压器往往较大且成本相对较高，并且需要相对较大的功率，这在低功率应用中通常是不可接受的。它们还需要相对复杂的电路来生成和解调 AC 波形，尽管这对于现代 IC 来说并不是一个障碍。它们在通电时提供绝对位置指示，并且不需要任何运动来索引或确定初始角度。此功能在某些情况下是必须具备的，而在其他情况下则不需要。

位置编码，而非数据编码

增量位置读数中的光学编码器（此处的术语编码器与数字数据的编码无关）使用一个光源 (LED)、两个正交光电传感器以及它们之间的玻璃或塑料圆盘（图 3）。圆盘有从其中心向外辐射的精细蚀刻线，当它旋转时，传感器会看到明暗模式。

磁盘上的线数和其他一些技术决定了分辨率，通常为每转 1,024、2,048 甚至高达 4,096 计数。与类似变压器的旋转变压器不同，光学编码器直到开发出长寿命 LED 和高效光电传感器才成为大众市场设备。

传感器的物理布置使编码器可以确定旋转方向。一个基本电路将来自两个传感器的脉冲序列（称为 A/B 输出）转换为一对指示运动和方向的比特流（图 4）。

编码器是一种增量而非绝对的运动指示器。为了确定绝对位置，大多数编码器添加了第三个轨道和光电传感器作为指示器零参考轨道；轴必须旋转到足以通过零参考位置才能发出信号。可以将真实的相对位置读数添加到光学编码器中，但这会增加单元的复杂性。

光学编码器提供非常好的分辨率，但不如旋转变压器坚固耐用。污垢会干扰光路，并且编码器盘会变脏。然而，它们的性能对于许多应用来说绰绰有余，而且它们体积小、重量轻、功耗低、易于接口且成本低。

用于电机和旋转应用的典型光学编码器是 Avago Technologies (Broadcom) 的类似 HEDS-9000 和 HEDS-9100 双通道模块。这些高性能、低成本的模块包括一个带透镜的 LED 光源和一个封装在小型 C 形塑料封装中的检测器集成电路，以及驱动和接口电子设备（图 5）。它们具有高度准直的光源和特殊的光电探测器物理布置，因此它们非常容忍安装错位。 （磁盘，称为码盘，单独购买，HEDS-9000 的分辨率为 500 CPR 和 1,000 CPR，HEDS-9100 的分辨率在 96 CPR 和 512 CPR 之间。模块提供 TTL 兼容 A 和B 数字输出，需要单个 5V 电源。）

CUI AMT10 系列是光学编码器的替代品，基于电容原理而不是光学原理（图 6）。这些编码器提供一系列坚固、高精度、模块化单元，提供增量和绝对版本，用户可通过四位双输入从 16 个值中选择高达 12 位（4,096 计数）的分辨率。线路封装（DIP）开关。这些单元的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 兼容的 A/B 正交输出通过标准串行外设接口 (SPI) 报告。

与光学编码器不同，CUI AMT 设备在编码器的移动和非移动部件上使用重复的蚀刻导体图案。随着编码器的旋转，两个部分之间的相对电容会增加和减少，并且会感应到电容的这种变化，这有点类似于光学编码器中光电晶体管的输出。污垢和其他污染物在这里几乎没有不利影响。

请记住，旋转变压器或编码器也是具有安装考虑和电气兼容性要求的机械设备。为了最大限度地减少库存和库存问题，CUI 为 AMT10 系列提供各种套筒、盖板和安装底座，因此相同的基本编码器可用于各种轴径和安装。

解析器和编码器可以产生分辨率高达 1/100 度（0.6 弧分）或更高的基本读数，但精度与分辨率不同（同样，某些应用程序更关注其中一个而不是另一个） .无论设计使用旋转变压器还是编码器，都会因温度、变化跟踪速度、不希望的相移和其他因素而出现误差源。然而，这些单元的供应商已经设计了一些方法来消除、消除或补偿许多这些缺点，通常是在原始传感器输出和进入系统控制器的调节输出之间使用基于 IC 的电路。

霍尔效应器件强势来袭

另一类编码或传感器设备也基于久经考验的原则，要求现代半导体电子产品和封装变得广泛负担得起、可用且有效。此外，可以利用微小电压并将其轻松连接到系统的关键接口电路现在可在芯片上使用，进一步简化了该技术的使用。霍尔效应器件可用于感应流过作为传感器一部分的导体的电流，或附近是否存在磁场。

我们所知的霍尔效应是由 Edwin Hall 在 1879 年发现的。一个电势差——霍尔电压——产生于与导体中的电流成直角的电导体和垂直于电流的磁场（图 7）。

一些霍尔效应传感器远远超出了仅包含传感器元件本身的范围。 Melexis MLX90367 三轴位置传感器是一款单片绝对传感器 IC，对垂直和平行于 IC 表面施加的通量密度敏感。它对磁通密度的三个分量很敏感，这使得 MLX90367（具有正确的磁路）能够解码任何移动磁体的绝对位置（例如从 0 到 360° 的旋转位置）。

在内部，这个 12 位分辨率的设备包括片上信号处理，带有微控制器和 DSP（图 8），因此它可以执行所需的计算以及对固有非线性的校正等（图 9）。它还支持广泛的用户可选功能、特性和各种输出格式，包括一种具有内置纠错功能的高级格式，称为 SENT (SAE J2716-2010)，广泛用于汽车应用。

大多数霍尔效应磁性编码器使用连接到电机轴的轮子，并且轮子的周边有一组磁化的北极和南极；它是光学编码器开槽轮的磁性类比。车轮通常由嵌入极阵列的注塑铁氧体制成。一个典型的轮子被磁化成 32 个磁极（16 个北极和 16 个南极），因此分辨率远低于光学编码器或旋转变压器，但在许多情况下通常已经足够了。一个典型的安装有三个霍尔效应传感器，电气间隔 120°，以感测车轮的换向。

总结

必须感测电机位置、速度或加速度的设计人员有多种选择，涵盖许多关键参数和性能属性。旋转变压器、光学和电容式编码器以及霍尔效应器件都拥有长期且久经考验的业绩记录，并通过应用知识获得广泛支持。

选择可以由一个最重要的因素驱动 - 例如坚固性或低功耗 - 或在给定情况下的传统和习惯使用。一旦确定了要使用的基本技术，就会有许多可行的供应商和每个供应商的零件可用，因此对特定设备的决定可能需要进行一些研究以更好地了解权衡。

本文由 Bill Schweber 为位于德克萨斯州曼斯菲尔德的 Mouser Electronics 撰写。如需更多信息，请访问此处 .