【導讀】位置、速度和方向等電機旋轉(zhuǎn)信息必須準確,以便在各種新興應用中生產(chǎn)的驅(qū)動器和控制器——例如,在有限的印刷電路板上安裝微型元件的拾放機(印刷電路板)面積。近,電機控制已經(jīng)小型化,從而在用于醫(yī)療保健的手術(shù)機器人和用于航空航天和國防的無人機中實現(xiàn)了新的應用。
位置、速度和方向等電機旋轉(zhuǎn)信息必須準確,以便在各種新興應用中生產(chǎn)的驅(qū)動器和控制器——例如,在有限的印刷電路板上安裝微型元件的拾放機(印刷電路板)面積。近,電機控制已經(jīng)小型化,從而在用于醫(yī)療保健的手術(shù)機器人和用于航空航天和國防的無人機中實現(xiàn)了新的應用。更小的電機控制器還支持工業(yè)和商業(yè)設(shè)施中的新應用。設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是滿足高速應用中位置反饋傳感器的高精度要求,同時將所有組件集成到有限的 PCB 空間中以安裝在微型外殼內(nèi),例如機械臂。
圖 1. 閉環(huán)電機控制反饋系統(tǒng)。(:Analog Devices, Inc.)
電機控制
如圖 1 所示,電機控制回路主要由電機、控制器和位置反饋接口組成。電機轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸,使機器的手臂相應地移動。電機控制器告訴電機何時施加力、停止或繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。回路中的位置接口向控制器提供轉(zhuǎn)速和位置信息。該數(shù)據(jù)對于用于組裝微型表面貼裝 PCB 的貼片機的正確操作至關(guān)重要。所有這些應用都需要關(guān)于旋轉(zhuǎn)物體的準確位置測量信息。
位置傳感器的分辨率必須非常高——足以準確檢測電機軸位置,正確拾取微小元件,并將其準確放置在電路板上。此外,更高的電機轉(zhuǎn)速會導致更高的環(huán)路帶寬和更低的延遲要求。
位置反饋系統(tǒng)
在低端應用中,增量傳感器和比較器可能足以進行位置感測,而高端應用則需要更復雜的信號鏈。這些反饋系統(tǒng)包括位置傳感器、模擬前端信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 及其驅(qū)動器,然后數(shù)據(jù)進入數(shù)字域。
的位置傳感器之一是光學編碼器。光學編碼器由發(fā)光二極管 (LED) 光源、附在電機軸上的標記盤和光電探測器組成。該圓盤具有不透明和透明區(qū)域的蒙版圖案,可以遮擋光線或允許光線通過。光電探測器感測產(chǎn)生的光,并將開/關(guān)光信號轉(zhuǎn)換為電信號。
當圓盤轉(zhuǎn)動時,光電探測器連同圓盤的圖案會產(chǎn)生 mV 或 μV 級別的小正弦和余弦信號。該系統(tǒng)在位置光學編碼器中很典型。這些信號被饋送到模擬信號調(diào)理電路,通常由分立放大器或模擬可編程增益放大器 (PGA) 組成,以將信號增益至 1 V 峰峰值范圍——通常適合 ADC 輸入電壓范圍動態(tài)范圍。然后,同步采樣 ADC 的驅(qū)動放大器會采集每個放大的正弦和余弦信號。
ADC 必須在其通道上進行同步采樣,以便在完全相同的時間點獲取正弦和余弦數(shù)據(jù)點,因為該組合提供了軸位置信息。ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果被傳遞到專用集成電路 (ASIC) 或微控制器。電機控制器在每個脈寬調(diào)制 (PWM) 周期查詢編碼器位置,并根據(jù)收到的指令使用此數(shù)據(jù)驅(qū)動電機。過去,系統(tǒng)設(shè)計人員必須權(quán)衡 ADC 速度或通道數(shù)以適應受限的電路板占位面積。
圖 2. 位置反饋系統(tǒng)。(:Analog Devices, Inc.)
優(yōu)化位置反饋
不斷發(fā)展的技術(shù)需求導致了需要高精度位置檢測的電機控制應用的創(chuàng)新。光學編碼器的分辨率可以基于光盤上刻有精細光刻的槽的數(shù)量,通常是數(shù)百或數(shù)千。
將這些正弦和余弦信號插值到高速、高性能 ADC 將使我們能夠創(chuàng)建更高分辨率的編碼器,而無需對編碼器盤進行系統(tǒng)更改。例如,當以較慢的速率對編碼器正弦和余弦信號進行采樣時,捕獲的信號值較少,如圖 3 所示;這也限制了頭寸上限的準確性。
圖 3. 采樣率。(:Analog Devices, Inc.)
在圖 3 中,當 ADC 以更快的速率采樣時,會捕獲更詳細的信號值,并確定更高精度的位置。ADC 的高速采樣率允許過采樣,進一步提高噪聲性能,消除一些數(shù)字后處理需求。同時,它降低了 ADC 的輸出數(shù)據(jù)速率;也就是說,允許較慢的串行頻率信號,從而簡化數(shù)字接口。電機位置反饋系統(tǒng)安裝在電機組件中,在某些應用中可能非常小。因此,尺寸對于適合編碼器模塊的有限 PCB 區(qū)域至關(guān)重要。在單個微型封裝中出現(xiàn)的多通道組件適合節(jié)省空間。
光學編碼器位置反饋設(shè)計實例
圖 4 顯示了優(yōu)化的光學編碼器位置反饋系統(tǒng)的示例。該電路可以連接到類型的光學編碼器,其中來自編碼器的差分正弦和余弦信號可以由電路捕獲。圖 4 顯示了驅(qū)動 ADC的 ADA4940-2 前端、雙通道、全差分放大器,在本例中為 AD7380,這是一款雙通道、16 位、全差分、4 MSPS、同步采樣 SAR ADC,封裝在小型 3 mm × 3 mm LFCSP 封裝。
圖 4. 優(yōu)化的反饋系統(tǒng)設(shè)計。(:Analog Devices, Inc.)
片上 2.5 V 基準將允許該電路的組件要求。ADC 的 VCC 和 VDRIVE 以及放大器驅(qū)動器的電源軌可以由 LDO 穩(wěn)壓器供電,例如LT3023和LT3032。當連接這些參考設(shè)計時——例如,使用一個 1024 槽光學編碼器,在編碼器盤旋轉(zhuǎn)一圈時產(chǎn)生 1024 個周期的正弦和余弦——16 位 AD7380 以 216 個代碼對每個編碼器槽進行采樣,整體增加了編碼器分辨率高達 26 位。
4 MSPS 吞吐率可確保捕獲詳細的正弦和余弦周期,并確保編碼器位置是的。高吞吐率可實現(xiàn)片上過采樣,從而減少數(shù)字 ASIC 或微控制器向電機提供編碼器位置的時間損失。片上過采樣允許額外的 2 位分辨率,可與片上分辨率提升功能一起使用。分辨率提升可以進一步提高高達 28 位的精度。
電機控制系統(tǒng)對更高精度、更高速度和小型化的要求越來越高。光學編碼器用作電機位置傳感設(shè)備。為此,光學編碼器信號鏈在測量電機位置時必須具有高精度。高速、高吞吐量的 ADC 可準確捕獲信息并將電機位置數(shù)據(jù)饋送到控制器,從而在位置反饋系統(tǒng)中實現(xiàn)更高水平的精度和優(yōu)化。
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