簡介

 

位置、速度和方向之類的電機旋轉信息必須準確，以為各種新興應用生產精準的驅動器和控制器，例如，將微型組件裝配到空間有限的PCB區(qū)域中的裝配機器。近來，電機控制開始走向微型化，使得醫(yī)療健康行業(yè)出現新的外科手術機器人應用，航空航天和防務領域出現新無人機應用。體積更小的電機控制器還導致工業(yè)和商業(yè)裝配領域涌現新的應用。對設計人員而言，挑戰(zhàn)在于：滿足高速應用中的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區(qū)域內，以安裝到微型封裝內部，例如機械手臂。

 

圖1.閉環(huán)電機控制反饋系統。

 

電機控制

 

電機控制環(huán)路（如圖1所示）主要由電機、控制器和位置反饋接口組成。電機轉動旋轉軸，帶動機械手臂跟著移動。電機控制器管控電機何時施加力道、何時停止，或者繼續(xù)轉動。環(huán)路中的位置接口向控制器提供轉速和位置信息。對于裝配微型表貼PCB的裝配機器來說，這些數據是其正常運行的關鍵。所有這些應用都需要獲取關于旋轉對象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的位置，拿取對應的微型組件，并將組件放置到板上的對應位置。此外，電機轉速越高，所需的環(huán)路帶寬越高，延遲越低。

 

位置反饋系統

 

在低端應用中，使用增量傳感器和比較器可能就能夠實施位置檢測，但在高端應用中，則需要更加復雜的信號鏈。這些反饋系統包含位置傳感器，之后是模擬前端信號調理、ADC，以及ADC驅動器，數據先經過它們，之后再進入數字域。其中最精確的位置傳感器就是光學編碼器。光學編碼器由LED光源、連接到電機軸的標記圓盤和光電探測器組成。圓盤包含不透明和透明的掩碼區(qū)域，可以阻隔光線或讓光線通過。光電探測器檢測這些光線，開/關光信號則轉換為電子信號。

 

隨著圓盤轉動，光電探測器（與圓盤的模式配合）生成小的正弦和余弦信號（mV或µV等級）。這種系統是絕對位置光學編碼器采用的典型系統。這些信號進入模擬信號調理電路（一般由分立式放大器或模擬PGA組成，用于獲取高達1 V峰峰值范圍的信號），通常是為了讓ADC輸入電壓范圍匹配最大動態(tài)范圍。每個放大的正弦和余弦信號之后都被同步采樣ADC的驅動放大器捕捉。

 

ADC的每個通道都必須支持同步采樣，以便同時獲取正弦和余弦數據點，由這些數據點組合提供軸的位置信息。ADC轉換結果會發(fā)送給ASIC或微控制器。電機控制器在每個PWM周期中查詢編碼器位置，然后根據接收的指令使用該數據來驅動電機。過去，為了集成到有限的板空間中，系統設計人員必須犧牲ADC速度或通道數。

 

圖2.位置反饋系統。

 

優(yōu)化位置反饋

 

隨著技術不斷發(fā)展，導致需要實施高精度位置檢測的電機控制應用不斷創(chuàng)新。光學編碼器的分辨率可能由圓盤上精細光刻的槽數決定，通常有幾百或幾千個。將這些正弦和余弦信號插入到高速、高性能ADC中之后，無需對編碼器圓盤實施系統變更，即可創(chuàng)建出分辨率更高的編碼器。例如，以更低的速率對編碼器的正弦和余弦信號采樣時，只會捕捉到少數信號值，具體如圖3所示；這會限制位置電容的精度。在圖3中，當ADC以更快速率采樣時，可以獲取更詳細的信號值，從而更精準地確定位置。ADC的高速采樣速率支持過采樣，進一步改善噪聲性能，消除了一些數字后處理需求。與此同時，可以降低ADC的輸出數據速率；也就是說，支持較慢的串行頻率信號，因此簡化了數字接口。電機位置反饋系統安裝在電機總成上，在某些應用中，總成可能非常小巧。所以，能否裝入編碼器模塊面積有限的PCB區(qū)域中，尺寸大小是關鍵。在單個微型封裝中集成多個通道組件非常有利于節(jié)省空間。

 

圖3.采樣速率。

 

光學編碼器位置反饋設計示例

 

圖4所示為適合光學編碼器位置反饋系統的優(yōu)化解決方案示例。此電路很容易和絕對類型的光學編碼器連接，然后電路很容易捕捉來自編碼器的差分正弦和余弦信號。ADA4940-2前端放大器屬于雙通道、低噪聲全差分放大器，用于驅動AD7380,后者屬于雙通道、16位全差分4 MSPS同步采樣SAR ADC，采用3 mm × 3 mm小型LFCSP封裝。片內2.5 V基準電壓源允許此電路采用最少數量的組件。ADC的VCC和VDRIVE，以及放大器驅動器的電源軌道可由LDO穩(wěn)壓器供電，例如LT3023 和LT3032。當這些參考設計相互連接時（例如，使用一個1024槽光學編碼器，在一個編碼器圓盤周期中生成1024個正弦和余弦周期），16位AD7380在216個代碼的各編碼器槽中采樣，將編碼器的整體分辨率提高到26位。4 MSPS吞吐速率確保捕捉到正弦和余弦周期的詳細信息，以及最新的編碼器位置信息。高吞吐速率支持實施片內過采樣，從而縮短數字ASIC或微控制器將精確的編碼器位置反饋給電機時的時間延遲。AD7380片內過采樣的另一個好處是：可以額外增加2位分辨率，可以和片內分辨率增強功能配合使用。分辨率增強功能可以進一步提升精度，最高可以達到28位。應用筆記AN-2003詳細介紹了AD7380的這個過采樣和分辨率增強功能。

 

圖4.經過優(yōu)化的反饋系統設計。

 

結論

 

電機控制系統需要更高的精度、更高的速度，以及更高程度的微型化。光學編碼器被用作電機位置檢測器件。所以，在測量電機位置時，光學編碼器信號鏈必須具備高精度。高速度、高吞吐速率ADC準確捕捉信息，然后將電機位置數據發(fā)送給控制器。AD7380的速度、密度和性能可以滿足行業(yè)要求，同時在位置反饋系統中實現更高的精度，并對系統實施優(yōu)化。

 

 

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