位置传感器的应用原理一（霍尔、编码器、旋转变压器）

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本文讨论的内容有以下几个方面:

1.电机驱动器上的编码器和霍尔是如何一起使用的？

2.关于光电编码器和旋转变压器应用

论坛回复

1  rengrangan

小弟才疏学浅，做无刷电机驱动做了有大半年时间了，有个问题想请教一下大家。就据我所知，一般来讲，无论是霍尔还是编码器，他们的作用都是用来确定电机转子位置，进而获得电角度，转速等信息的，不管是通过哪一种方式，获得的信息都可以直接使用，但是我看到一些比较成熟的伺服驱动器产品上，经常会有同时使用编码器和霍尔的情况，我想知道这两种方式他们是如何一起协同工作的？因为我觉得无论用哪一种，只要编码器线数足够高，或者说电机极对数够高，这两种方式所测得的数据都是比较准确的，所以我想知道那些比较成熟的驱动器产品上，他们是如何同时使用这两种传感器的

2老顽童

他们的功能是不同的。编码器读头检测的是A/B信号；霍尔一般检测的是U/V/W或者Z信号，各有各的用途

3 rengrangan

    回复2 老顽童

4老顽童

回复3 rengrangan

关于这个问题我也很难给你说得清楚，不过可以给你提两点建议：

1、首先了解驱动器的工作原理，要想把一台电机控制好他至少需要哪些条件(比如：运转方向、运转速度、怎么换向等等）？这些条件由谁来提供？——(针对你的问题）当然是编码器来提供完成。

5 EMotorMan

我的理解是这样的，电机的Hall信号和编码器信号的作用是不一样的，电机里面的Hall信号在安装的时候是有定位要求的，可以理解为绝对位置探测器，当然通常电机里面会安装3个Hall传感器，他的定位精度肯定没有编码器高；编码器的主要问题是编码器通常不能从编码器的脉冲数直接得到转子的位置，每次驱动器上电后必须有个初始化校准的过程，才能后续计算出转子的位置，但是从驱动器的角度讲，当驱动器厂家把驱动器提供给客户使用时，并不知道客户会如何安装编码器，因此只使用编码器作为位置探测必然涉及到一个上电初始化校准的问题，商业驱动器一般hall信号、编码器都使用，是考虑到如果编码器脉冲掉了或者受到信号干扰，可以使用hall信号进行校正，因为hall信号是绝对准确的（如果hall信号不准确，那是电机设计有问题）；最后，如果用方波控制发驱动电机，只需要Hall，不需要编码器；FOC控制时，只使用Hall信号，商业驱动器可以通过hall信号估算模拟一个正弦波驱动，但那个是估算模拟的，并不十分准确，尤其在速度不稳定的情况；只使用编码器，上电需要初始化校准，编码器脉冲不能掉，如果掉了或者增多，那么驱动器运行时间一长，计算的转子位置就偏的很厉害啦；同时使用两者，则非常安全，即使编码器脉冲偶尔有掉了之类的现象，可以通过hall信号判断纠正过来；最后说一下，上面说的编码器校准是转子的绝对位置校准，有一种ABZ信号输出的编码器，Z信号是编码器的绝对零点，但它不一定是转子的绝对零点，所以仍然需要校准，有Z信号的编码器安全机制更高一些（需要配合软件）

6  shanhua

7 cne53102

光电编码器会对灰尘很敏感，进一点油污或灰尘就会出问题。

线数越高的光电编码器就越脆弱，有些码盘还是玻璃的，可能会碎，而旋变可靠性就高一些。旋变不一定分辨率比光电的低，光电的是多少线就多少线，这个定死了，而旋变是正弦信号的，它的分辨率完全看电路部分，ADC分辨率高，它就高，而且为了追求速度，可以动态的调整分辨率，在成本不变的情况下牺牲一些精度以达到更高的响应速度。

如果以牺牲速度为代价获取精度的话，旋变的分辨率可以轻松超越光电编码器

8 Edwin_Sun

按照我的经验，高精度伺服领域 光电编码器的应用是很普遍的，现在我知道的高一些的可以达到32bit，常见23bit左右，主要问题是温升和抗震性吧

旋变对制造工艺要求很高，但可以承受的温升和振动较大，现常用于电动汽车上，其它低端的伺服也有些应用，常见的精度如多摩川的配合其自己的R2D之后一般在10bit到16bit，再高的我没见过。

9  shanhua

回复  7 cne53102

谢谢你的回答。

其实也就是说，在电机振动比较小的情况下。可靠性是阻止光电编码器在高精度场合的应用主要原因。

你说的倒提醒我了，我对旋变有一点不理解的是速度跟旋变的精度有什么关系？

10  shanhua

回复  8 Edwin_Sun

谢谢你的回答。

我可以理解为位数Bit即决定了精度？

我还有一个问题是关于旋变文献中提到双通道旋转变压器精度很高，用于航空航天等等场合。既然光电可以做这么高为什么不用光电而用旋变呢？

11 cne53102

回复  9 shanhua

最主要的区别在于可靠性，至于精度，其实大多数地方用不到那么高的精度。

光电编码器的精度受限于码盘，速度受限于光电元件。

旋变精度受限于其自身结构和电子器件的精度。旋变的话信号是正弦的，读它就像示波器那样，所以你电路给力的话，分辨率和速度都可以高。

电路是可变的，我可以在低速时使用24位对它的信号采样，这样分辨率非常高，但是一般的分辨率ADC速度较慢。如需要高速，又不想成本太高，那可以用8位的ADC，这样采样速度飞快。实现动态的变位数也是可以的，高速模式用低分辨率的，低速模式用高分辨率的。位数决定分辨率，而不是精度。精度与分辨率是不一样的。像24位的，可以表达2^24次方，16777216个位置，这是不是比光电高得多呢？航空航天场合很重要，总不能码盘上落个灰，飞机就掉下来吧？旋变的话不会的。

12  Edwin_Sun

回复11  cne53102

老大，不管光电编码器还是旋变，用的时候一般都有壳子的，都有防护等级要求的，到IP68两者都是没问题的。。。什么叫落灰。。。

市面上常用的就是多摩川的旋变，精度一般在12位，不知道兄台能否推荐个厂家的旋变+RDC芯片能达到你算的24位精度？我可以联系下厂家，这个我们产品里用的蛮多的。

低精度8位的AD，没用过，采过来要算两个乘法，再做比较，不知道里面的积累误差多少。。。兄台有没有和12位的AD比较过误差？

13  Edwin_Sun

位数决定了精度

你看的文献是南航写的吧。。。南航的特点就是什么什么电机，适合用于航空航天；什么什么电力电子，适用于航空航天；什么什么控制，适用于航空航天。。。

14  cne53102

回复  12  Edwin_Sun

不要依赖那个壳子，有些场合出了问题就惨了，旋变本身是抗污的，编码器不是，落灰指的是码盘。

达不到24位的精度，位数决定分辨率，而不是精度。精度与分辨率是不一样的。旋变本身精度是多少，你最高也就只可能达到多少。这就像一把分辨率0.02的卡尺，误差±0.1一样，这是两回事。8位AD确实会导致整体误差增大，这是为了获取更高速度的代价，此时追求的是速度，精度是不考虑的，鱼和熊掌不可兼得呀（受限的情况下）。

15  baton400

光电编码器除了码盘里面还有一些芯片处理信号的，所以耐高低温性能差，一般也就-20度---90度或110度，航空航天的话轻松就零下60了，零上150度貌似也有可能，所以光电编码器就不行了。旋变比较抗造。

16  Edwin_Sun

回复  11 cne53102

不知道兄弟对旋变解码器里面一个参数settling time有没有研究？这个对实际系统有什么影响？感觉这个时间会限制你的最高转速，不知道对不对？

17  cne53102

回复16  Edwin_Sun

ADI对在其旋变解码器即RDC中“settlingtime”“建立时间”或“稳定时间”的定义是：特定分辨率下针对179°步进变化（阶跃）的转换器响应时间。

另外，在系统启动或重启时，输出位置也需要一段建立时间，是不能立即得到位置信息的。

我认为可以简单理解为一个延迟，或者是解码器的响应速度，是评价解码器性能的一个参数。这个参数会影响最高转速，但实际上限制最高转速的应该是解码器中跟踪环路的性能。我的理解是，有点延迟不要紧，也许还可以通过软件修正，但位置跟丢了，那完蛋了。

解码芯片的速度还是很快的，就一般的应用范围内而言，应该不至于受到这一参数的限制。

18  Edwin_Sun

回复17  cne53102

那一个settlingtime 5ms的RDC，加上一个1对极的旋变，最高转速可以理解为必须小于0.5r/5ms=100rps=6000rpm么？或者超过6000rpm，延迟会很大，必须做补偿？有点搞不明白啊，书本里讲的也比较少。

19 cne53102

回复18  Edwin_Sun

仅个人理解，没有做过这样的实验。

我的理解是，在那个5ms内，位置变化超出一个（应该说半个？）“周期”的话，会丢失位置，如果没超过的话，最终停下来的位置是正确的，但在这之前，它在到达我们期望位置的路上是没有精度可言的。

如果说补偿，也只能是在很有限的情况下进行补偿，或者说是根据速度在旋变没有报告正确位置之前猜测此时的位置。

说“很有限”是因为这个解码器它不是模拟电路，它数字电路是有时钟的，所以不只是延迟的问题，它看不到过快的变化。

过快的拉动（大幅度敲动）数显游标卡尺可以很方便的看到类似的问题，它跟踪的位置丢失之后，输出的数据总是错开一个或多个栅距。

所以我认为要提高速度，就要牺牲分辨率，或者说，在高速情况下牺牲分辨率，而这样的设计，就不能使用已有的那些RDC芯片，多个ADC+FPGA或CPLD应该是个好选择，之前本要做这个东西的，但现在卡在电机本体设计上，这个一直放置着没有搞。

20  Edwin_Sun

回复19  cne53102

我们关于settlingtime的理解差不多，只是我要说服别人，就需要拿出一些专业的文章或者书籍里的东西，特别是一些实测数据，暂时还没找到呢。

多摩川的专利里，与你的想法相同，也是速度与分别率是相左的，速度高了，分辨率就要下来。

21 盛茂

光电编码器在伺服电机行业很广的。旋转变压器也有应用，比如ABB伺服。确实光电弱些，很多恶劣场合还是用旋转变压器；但也得看电机整体防护等级。

22  sunday_qh

23  leebai2006

编码器的Z脉冲值与转子电角度没有必然联系。这本来就是两个东西，编码器安装在转子的转轴上，编码器的零点(Z的上升沿)与转子的电角度零点是随机的，也就是说Z的上升沿时刻可以在转子电角度(θe)0~360之间，现定义该值θz。 θz的物理含义是：Z脉冲的上升沿距离转子电角度零点的差值。该差值是物理存在的，在矢量控制之前必须要学到。

回归到永磁同步电机的矢量控制上，ID=0的控制方式需要转子电角度。Z脉冲的作用是用来校当前电角度值的，即Z脉冲上升沿来时，需要把对应的电角度值θe=θz.

24  sunday_qh

25  leebai2006

编码器一旦安装完成，θz为所控制电机固有的，在矢量控制时，校正零点用。

光知道这个θz还不可以，因为上电时转子的位置是随机的，可能离Z脉冲的上升沿还很远。不知道当前的转子位置无法进行闭环矢量控制，教科书式的方法是采用先开环运行，将电机直流定位到电角度为0的位置，然后再闭环运行系统，当系统运行到Z来时刻，将θe=θz。

对于采用带U,V,W磁极信号的编码器来说,引入一个与电机磁极对数有关的位置信号。这有个好处是，采用这个编码器能够把一个电角度周期分成6个区间。当系统上电时，检测U,V,W三相的状态能够知道当前在哪个区间（0~5）,从而得到θe=θz+n*60+30.

看看编码器的数据手册会发现Z的上升沿与U的上升沿有点小偏差，基本一致，每隔极对数个数后，Z的上升沿都会基本和U的上升沿一致，就这么点关系。

学习θz的方法很简单了，找到Z上升沿发生时刻的那个电角度周期，计算一下Z上升沿距离该电角度起点的角度即可。

26  sunday_qh

两个零点的关系，你在前面提到过，这两个零点是随机的，编码器的零点就是Z脉冲的上升沿，但是转子磁极的零点在哪里呢，是怎样定义的呢？谢谢

27  xiaolinfa1987

回复   25  leebai2006

当系统上电时，检测U,V,W三相的状态能够知道当前在哪个区间（0~5）,从而得到θe=θz+n*60+30.

请教一下，这个公式的30怎么理解？

28  leebai2006

29   yunqian09

30  shushanming0501

回复  23  leebai2006

当Z信号来的时候，θz是直接赋给θe，还是其他什么方法，请介绍下。

31   leebai2006

32  shushanming0501

那只有A,B,Z信号的增量式编码器怎么进行磁极位置定位，初始位置定位？

33   leebai2006

34   zdc1122

35   交响曲

回复  23  leebai2006

36   leebai2006

37   沙葱

你好，我做PMSM控制时，也出现了类似的问题，电机初始定位后，转速闭环启动时转两三圈就停了，或者开始来回正反转，这是偏移角不对的原因吗？

还想请教一下，编码器安装好以后每次都是在固定的位置发脉冲吗？还是必须转够一圈才发？实验中遇到第一圈检测不到脉冲的问题，是不是编码器的问题？@leebai2006

38   leebai2006

39   elovechy

大神，我做永磁同步电机DSP2812矢量控制，但是现在电机一直答答响，不进入高速运转，临近毕业，实在是没有解决的办法，能帮我看下我的程序吗，必有重谢！@leebai2006

40   leebai2006

41   shxsxlh

你好@leebai2006，这句话我不太明白，“当系统上电时，检测U,V,W三相的状态能够知道当前在哪个区间（0~5）,从而得到θe=θz+n*60+30”，

我的理解是当系统上电时，转子电角度应该是θe=n*60+30，θz是当转子转起来后，z信号上升沿到来时，当前的转子电角度校正为θz。

我画了一幅图，请惠阅。图中的u信号上升沿对齐到转子 -30°电角度位置，即u信号上升沿与转子线电压由负到正过零点对齐。

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