適用于微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的快速反應(yīng)、光學(xué)編碼器反饋系統(tǒng)

摘要

本文介紹工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)用于電機(jī)控制的位置檢測(cè)接口時(shí)面臨的常見(jiàn)問(wèn)題，即：能在速度更快、尺寸更小的應(yīng)用中檢測(cè)位置。利用從編碼器捕獲的信息以便精確測(cè)量電機(jī)位置對(duì)于自動(dòng)化和機(jī)器設(shè)備的成功運(yùn)行很重要。快速、高分辨率、雙通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是此系統(tǒng)的重要組件。

簡(jiǎn)介

位置、速度和方向之類(lèi)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)信息必須準(zhǔn)確，以為各種新興應(yīng)用生產(chǎn)精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)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(jī)器。近來(lái)，電機(jī)控制開(kāi)始走向微型化，使得醫(yī)療健康行業(yè)出現(xiàn)新的外科手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用，航空航天和防務(wù)領(lǐng)域出現(xiàn)新無(wú)人機(jī)應(yīng)用。體積更小的電機(jī)控制器還導(dǎo)致工業(yè)和商業(yè)裝配領(lǐng)域涌現(xiàn)新的應(yīng)用。對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，挑戰(zhàn)在于：滿(mǎn)足高速應(yīng)用中的位置反饋傳感器的高精度要求，同時(shí)將所有組件集成到有限的PCB區(qū)域內(nèi)，以安裝到微型封裝內(nèi)部，例如機(jī)械手臂。

圖1.閉環(huán)電機(jī)控制反饋系統(tǒng)

電機(jī)控制

電機(jī)控制環(huán)路（如圖1所示）主要由電機(jī)、控制器和位置反饋接口組成。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸，帶動(dòng)機(jī)械手臂跟著移動(dòng)。電機(jī)控制器管控電機(jī)何時(shí)施加力道、何時(shí)停止，或者繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。環(huán)路中的位置接口向控制器提供轉(zhuǎn)速和位置信息。對(duì)于裝配微型表貼PCB的裝配機(jī)器來(lái)說(shuō)，這些數(shù)據(jù)是其正常運(yùn)行的關(guān)鍵。這些應(yīng)用都需要獲取關(guān)于旋轉(zhuǎn)對(duì)象的準(zhǔn)確位置測(cè)量信息。

位置傳感器的分辨率必須非常高，足以準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)軸的位置，拿取對(duì)應(yīng)的微型組件，并將組件放置到板上的對(duì)應(yīng)位置。此外，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，所需的環(huán)路帶寬越高，延遲越低。

位置反饋系統(tǒng)

在低端應(yīng)用中，使用增量傳感器和比較器可能就能夠?qū)嵤┪恢脵z測(cè)，但在高端應(yīng)用中，則需要更加復(fù)雜的信號(hào)鏈。這些反饋系統(tǒng)包含位置傳感器，之后是模擬前端信號(hào)調(diào)理、ADC，以及ADC驅(qū)動(dòng)器，數(shù)據(jù)先經(jīng)過(guò)它們，之后再進(jìn)入數(shù)字域。其中最精確的位置傳感器就是光學(xué)編碼器。光學(xué)編碼器由LED光源、連接到電機(jī)軸的標(biāo)記圓盤(pán)和光電探測(cè)器組成。圓盤(pán)包含不透明和透明的掩碼區(qū)域，可以阻隔光線(xiàn)或讓光線(xiàn)通過(guò)。光電探測(cè)器檢測(cè)這些光線(xiàn)，開(kāi)/關(guān)光信號(hào)則轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。

隨著圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，光電探測(cè)器（與圓盤(pán)的模式配合）生成小的正弦和余弦信號(hào)（mV或μV等級(jí)）。這種系統(tǒng)是絕對(duì)位置光學(xué)編碼器采用的典型系統(tǒng)。這些信號(hào)進(jìn)入模擬信號(hào)調(diào)理電路（一般由分立式放大器或模擬PGA組成，用于獲取高達(dá)1 V峰峰值范圍的信號(hào)），通常是為了讓ADC輸入電壓范圍匹配最大動(dòng)態(tài)范圍。每個(gè)放大的正弦和余弦信號(hào)之后都被同步采樣ADC的驅(qū)動(dòng)放大器捕捉。

ADC的每個(gè)通道都必須支持同步采樣，以便同時(shí)獲取正弦和余弦數(shù)據(jù)點(diǎn)，由這些數(shù)據(jù)點(diǎn)組合提供軸的位置信息。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)發(fā)送給ASIC或微控制器。電機(jī)控制器在每個(gè)PWM周期中查詢(xún)編碼器位置，然后根據(jù)接收的指令使用該數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。過(guò)去，為了集成到有限的板空間中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須犧牲ADC速度或通道數(shù)。

圖2.位置反饋系統(tǒng)

優(yōu)化位置反饋

隨著技術(shù)不斷發(fā)展，導(dǎo)致需要實(shí)施高精度位置檢測(cè)的電機(jī)控制應(yīng)用不斷創(chuàng)新。光學(xué)編碼器的分辨率可能由圓盤(pán)上精細(xì)光刻的槽數(shù)決定，通常有幾百或幾千個(gè)。將這些正弦和余弦信號(hào)插入到高速、高性能ADC中之后，無(wú)需對(duì)編碼器圓盤(pán)實(shí)施系統(tǒng)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(duì)編碼器的正弦和余弦信號(hào)采樣時(shí)，只會(huì)捕捉到少數(shù)信號(hào)值，具體如圖3所示；這會(huì)限制位置電容的精度。在圖3中，當(dāng)ADC以更快速率采樣時(shí)，可以獲取更詳細(xì)的信號(hào)值，從而更精準(zhǔn)地確定位置。ADC的高速采樣速率支持過(guò)采樣，進(jìn)一步改善噪聲性能，消除了一些數(shù)字后處理需求。與此同時(shí)，可以降低ADC的輸出數(shù)據(jù)速率；也就是說(shuō)，支持較慢的串行頻率信號(hào)，因此簡(jiǎn)化了數(shù)字接口。電機(jī)位置反饋系統(tǒng)安裝在電機(jī)總成上，在某些應(yīng)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(guān)鍵。在單個(gè)微型封裝中集成多個(gè)通道組件非常有利于節(jié)省空間。

圖3.采樣速率

光學(xué)編碼器位置反饋設(shè)計(jì)示例

圖4所示為適合光學(xué)編碼器位置反饋系統(tǒng)的優(yōu)化解決方案示例。此電路很容易和絕對(duì)類(lèi)型的光學(xué)編碼器連接，然后電路很容易捕捉來(lái)自編碼器的差分正弦和余弦信號(hào)。ADA4940-2前端放大器屬于雙通道、低噪聲全差分放大器，用于驅(qū)動(dòng)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(nèi)2.5 V基準(zhǔn)電壓源允許此電路采用最少數(shù)量的組件。ADC的VCC和VDRIVE，以及放大器驅(qū)動(dòng)器的電源軌道可由LDO穩(wěn)壓器供電，例如LT3023 和LT3032。當(dāng)這些參考設(shè)計(jì)相互連接時(shí)(例如，使用一個(gè)1024槽光學(xué)編碼器，在一個(gè)編碼器圓盤(pán)周期中生成1024個(gè)正弦和余弦周期)，16位AD7380在216個(gè)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(xì)信息，以及最新的編碼器位置信息。高吞吐速率支持實(shí)施片內(nèi)過(guò)采樣，從而縮短數(shù)字ASIC或微控制器將精確的編碼器位置反饋給電機(jī)時(shí)的時(shí)間延遲。AD7380片內(nèi)過(guò)采樣的另一個(gè)好處是：可以額外增加2位分辨率，可以和片內(nèi)分辨率增強(qiáng)功能配合使用。分辨率增強(qiáng)功能可以進(jìn)一步提升精度，最高可以達(dá)到28位。應(yīng)用筆記AN-2003詳細(xì)介紹了AD7380的這個(gè)過(guò)采樣和分辨率增強(qiáng)功能。

圖4.經(jīng)過(guò)優(yōu)化的反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)論

電機(jī)控制系統(tǒng)需要更高的精度、更高的速度，以及更高程度的微型化。光學(xué)編碼器被用作電機(jī)位置檢測(cè)器件。所以，在測(cè)量電機(jī)位置時(shí)，光學(xué)編碼器信號(hào)鏈必須具備高精度。高速度、高吞吐速率ADC準(zhǔn)確捕捉信息，然后將電機(jī)位置數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器。AD7380的速度、密度和性能可以滿(mǎn)足行業(yè)要求，同時(shí)在位置反饋系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的精度，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)施優(yōu)化。

作者

Jonathan Colao

Jonathan Colao是ADI公司精密轉(zhuǎn)換器技術(shù)部的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他于2006年加入ADI公司擔(dān)任產(chǎn)品工程師，工作地點(diǎn)位于菲律賓甲米地。他畢業(yè)于菲律賓卡加延德奧羅澤維爾大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。