如位置、速度和方向等電動機的旋轉信息必須是準確的,以便在各種新出現(xiàn)的應用中產(chǎn)生精確的驅動器和控制器--例如,在有限的印刷電路板區(qū)域安裝微型元件的點選機中。最近,電動機控制已經(jīng)小型化,使外科機器人醫(yī)療保健和無人機航天和國防的新應用。小型的電動機控制器也使工業(yè)和商業(yè)裝置有了新的應用.設計師面臨的挑戰(zhàn)是在高速應用中滿足位置反饋傳感器的高精度要求,同時將所有組件注入有限的PCB空間,以便安裝在微小的外殼內(nèi),如機器臂。
圖1閉環(huán)電機控制反饋系統(tǒng)。(來源:模擬設備公司)
汽車控制
如圖1所示,電動機控制環(huán)主要由一個電動機、一個控制器和一個位置反饋接口組成。電動機轉動旋轉軸,使機器的手臂相應地移動.電動機控制器告訴電動機何時施加力、停止或繼續(xù)旋轉.循環(huán)中的位置接口向控制器提供轉速和位置信息。這些數(shù)據(jù)對于組裝微小的表面貼裝電路板的選放機器的正確操作至關重要。所有這些應用都需要關于旋轉物體的精確位置測量信息.
位置傳感器的分辨率必須非常高--足夠精確地檢測電機軸的位置,正確地拾起一個微小的部件,并將其準確地放在板子上。此外,電動機轉速的提高也會導致環(huán)路帶寬的增加和延遲需求的降低。
位置反饋系統(tǒng)
在下端應用程序中,增量傳感器和比較器可能足以進行位置感知,而上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,其次是模擬前端信號調(diào)節(jié),類似數(shù)字轉換器(ADC)及其驅動程序,然后數(shù)據(jù)進入數(shù)字領域。
光學編碼器是最精確的位置傳感器之一。光學編碼器由發(fā)光二極管光源、與電機軸相連的標記盤和光電探測器組成。光盤的特點是隱藏的不透明和透明區(qū)域的圖案,掩蓋光線或允許光線通過。光電探測器感知所產(chǎn)生的光,并將開合燈信號轉換為電信號。
當光盤轉動時,光電探測器--結合光盤的圖案--產(chǎn)生小的正弦和余弦信號,在VV或VV水平。該系統(tǒng)是典型的絕對位置光學編碼器.這些信號被輸入模擬信號調(diào)節(jié)電路,通常由離散放大器或模擬可編程增益放大器(PGA)組成,以獲取最高為1V到峰值的信號-通常是為了適應最大動態(tài)范圍的ADC輸入電壓范圍。每一個放大的正弦和余弦信號然后獲得一個同步采樣ADC的驅動放大器。
ADC必須在其通道上同時進行采樣,以便正弦和余弦數(shù)據(jù)點在同一時間點上采集,因為該組合提供了軸的位置信息。將ADC轉換結果傳遞給應用專用集成電路(ASIC)或單片機。電動機控制器查詢編碼器的位置每一個脈沖寬度調(diào)制(PBM)周期,并使用這些數(shù)據(jù)根據(jù)它收到的指令驅動電動機。在過去,系統(tǒng)設計者必須用ADC速度或通道計數(shù)來適應限制板的足跡。
優(yōu)化位置反饋
不斷發(fā)展的技術需求導致了在需要高精度位置檢測的電動機控制應用方面的創(chuàng)新。這種光學編碼器的分辨率可以根據(jù)在一個光盤上刻有細光刻的槽數(shù),通常是成百上千個。
將這些正弦和余弦信號插入到高速、高性能的ADC將使我們能夠創(chuàng)建較高的分辨率編碼器,而無需系統(tǒng)改變編碼器光盤。例如,當編碼器正弦和余弦信號的采樣速度較慢時,信號的捕獲量較少,這也限制了位置帽的準確性。
當ADC以更快的速率采樣時,信號的詳細值就會被捕獲,并且確定了更高的精度位置。高速采樣率的ADC允許過采樣,進一步提高噪音性能,排除一些數(shù)字后處理需求。同時,它降低了來自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,從而簡化了數(shù)字接口。電動機位置反饋系統(tǒng)安裝在電動機總成中,在某些應用中可能很小。因此尺寸對于適應編碼器模塊有限的電路板面積至關重要。在一個單一的小包裝中出現(xiàn)的多通道組件最適合于節(jié)省空間。
光編碼器位置反饋設計示例
一個優(yōu)化光學編碼器位置反饋系統(tǒng)的例子。該電路可以接口到一種絕對類型的光學編碼器,在此電路中可以捕獲編碼器的微分正弦和余弦信號。我們使用?ADA4940-2 前端雙通道全微分放大器驅動ADC,在這種情況下?AD7380 ,雙通道,16位,完全差速器,4MSP,同時采樣合成孔徑雷達ADC,放置在一個小的3毫米x3毫米LFCSP包中。
芯片2.5V的參考將允許該電路的最低組件要求。ADC的VCC和VRD以及放大器驅動器的供應軌可以由LDO調(diào)節(jié)器提供動力,例如?LT3023 和?LT3032 .當這些參考設計是接口式的--例如,有一個1024口徑光學編碼器,在編碼器光盤的一次旋轉中產(chǎn)生了1024個正弦和余弦周期--每個編碼器的16位Ad7380樣本槽的216碼,總體上增加編碼器分辨率高達26位。
4MSP吞吐率確保詳細的正弦和余弦周期被捕獲和編碼器位置是最新的。高吞吐率使芯片上的采樣過多,這減少了為電機提供精確編碼器位置的數(shù)字ASIC或微控制器的時間限制。芯片上的過采樣允許額外的2比特分辨率,這可以使用一個芯片上的分辨率提升功能。分辨率提升可以進一步提高高達28位的精度.
電動機控制系統(tǒng)對高精度、高轉速和小型化的要求越來越高。光學編碼器用作電動機位置感知裝置。為此,光學編碼器信號鏈在測量電動機位置時必須具有高精度。高速、高吞吐量的ADC能夠準確地捕捉信息,并將電機位置數(shù)據(jù)輸入控制器,從而提高位置反饋系統(tǒng)的準確性和優(yōu)化性。
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