如何管理你的电机控制系统设计 选择“精度”还是“分辨率”？

想象一下您今早开车上班的路上：交通灯变绿，您立刻踩下油门，车在几秒钟内快速响应，继续驶向公司。这个过程看似简单，但实际上，车内却发生了一系列的复杂操作。让我们一起来看看吧。

当您踩下踏板时，电机将通过转轴向车子提供必要的扭矩，随后牵引电机驱动车辆前进。牵引电机（通常为三相同步电机）由复杂的电路控制，包括多个晶体管、电机驱动器，以及保护和反馈控制。反馈控制信号由电机位置传感器（见图1）以模拟角度输出信号的形式发出（注意，所有现实世界的信号都是模拟的）。借助于模拟-数字转换器（ADC），连续的模拟信号被转换成数字域。理想的情况下，您可以将连续的模拟信号分解成无限数量的数位步进，但在现实世界中，ADC的模拟信号量化是有限的数量步进，而由此导致的误差称为量化误差。这里便涉及到“精度”和“分辨率”这两个术语。

 

 

图1：车辆电机控制系统的典型系统框图

精度

以12位轴角数字转换器（RDC）为例。转轴转动一圈，转换器输出212 = 4096个数字码。在电机控制中，步长通常以弧分或弧秒来定义。一度60分钟，一转360度。因此，一圈上有360×60 = 21600个弧分。由于存在4096个数字码，所以每个分区以= 21600/4096，即5.27弧分为间隔。5.27弧分对应于一个最低有效位或1LSB。因此，即使输入角度（连续信号）是100％准确的，输出数字码在下一个代码前的移动也不能超过1LSB（或5.27弧分）。RDC在指定该精度值时会考虑偏移、增益和线性误差因素。作为参考，无刷旋转变压器的典型精度规格为10弧分。整个解析装置系统的典型误差，加上传感器和转换误差，大约为±15.273弧分（解析传感器为10弧分，而我的示例中为+5.273弧分）。这些数字将有助于我们为系统选择合适的传感器解决方案。

分辨率

那么，分辨率是什么？“12位”分辨率是指360度角旋中212个不同的输出码。 实际分辨率只是RDC输出端的可用位数；请注意，并不是所有位都是无噪声的。有效分辨率是指在考虑到信号噪声的情况下模拟数字转换中的真正“有用”位。这些是有效位数（ENOB）。 ENOB经常与产品数据表中所述的分辨率混淆。

1 LSB是什么意思？

到目前为止，我们已经讨论了精度和分辨率的定义。 现在，让我们将这些知识应用到一个系统中，在该系统中精度和分辨率通常以LSB为单位。您想知道系统环境中LSB的含义吗？首先，我们来看一下电机控制领域中1 LSB相对弧分和度数的转换值。 以下以12位和10位为例：

在12位中，1 LSB等于：

1LSB = 360 ÷ 212 = 0.087度= 5.27弧分= ±2.64弧分= ±0.04395度

同理，在10位中，1 LSB等于：

1LSB = 360 ÷ 210 = 0.351度= 21.09弧分= ±10.54弧分= ±0.1757度

结论

了解汽车操作背后的深层次原理是不是一件很有趣的事？精度和分辨率是为您的规格选择合适的传感解决方案的基础。 当精度优于分辨率时，转换器的转移函数可以通过分辨率位数实现精确控制。

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其他信息

阅读模拟应用期刊文章“电动车辆中轴角数字转换器的设计注意事项”。

要了解工业应用中解析器传感的更多信息，请阅读白皮书“工业解析器传感应用的电气设计注意事项”。

在本EDN文章系列的第一部分和第二部分了解更多关于电动汽车设计的信息。

借助TI设计-适用于安全应用的汽车类解析器转数字转换器参考设计（TIDA-00796），快速启动基于旋变器的旋转位置传感设计。

下载这些应用指南：

“PGA411-Q1 PCB设计指南”。

“PGA411-Q1故障排除指南”。

“PGA411-Q1软件开发人员指南”。

“PGA411-Q1使用任意主系统进行分步初始化”。