如位置、速度和方向等電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)信息必須是準(zhǔn)確的,以便在各種新出現(xiàn)的應(yīng)用中產(chǎn)生精確的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)選機(jī)中。最近,電動(dòng)機(jī)控制已經(jīng)小型化,使外科機(jī)器人醫(yī)療保健和無人機(jī)航天和國防的新應(yīng)用。小型的電動(dòng)機(jī)控制器也使工業(yè)和商業(yè)裝置有了新的應(yīng)用.設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是在高速應(yīng)用中滿足位置反饋傳感器的高精度要求,同時(shí)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(jī)器臂。

圖1閉環(huán)電機(jī)控制反饋系統(tǒng)。(來源:模擬設(shè)備公司)

汽車控制

如圖1所示,電動(dòng)機(jī)控制環(huán)主要由一個(gè)電動(dòng)機(jī)、一個(gè)控制器和一個(gè)位置反饋接口組成。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸,使機(jī)器的手臂相應(yīng)地移動(dòng).電動(dòng)機(jī)控制器告訴電動(dòng)機(jī)何時(shí)施加力、停止或繼續(xù)旋轉(zhuǎn).循環(huán)中的位置接口向控制器提供轉(zhuǎn)速和位置信息。這些數(shù)據(jù)對(duì)于組裝微小的表面貼裝電路板的選放機(jī)器的正確操作至關(guān)重要。所有這些應(yīng)用都需要關(guān)于旋轉(zhuǎn)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(jī)軸的位置,正確地拾起一個(gè)微小的部件,并將其準(zhǔn)確地放在板子上。此外,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高也會(huì)導(dǎo)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(yīng)用程序中,增量傳感器和比較器可能足以進(jìn)行位置感知,而上端應(yīng)用則需要更復(fù)雜的信號(hào)鏈。這些反饋系統(tǒng)包括位置傳感器,其次是模擬前端信號(hào)調(diào)節(jié),類似數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)及其驅(qū)動(dòng)程序,然后數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)字領(lǐng)域。

光學(xué)編碼器是最精確的位置傳感器之一。光學(xué)編碼器由發(fā)光二極管光源、與電機(jī)軸相連的標(biāo)記盤和光電探測器組成。光盤的特點(diǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

當(dāng)光盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),光電探測器--結(jié)合光盤的圖案--產(chǎn)生小的正弦和余弦信號(hào),在VV或VV水平。該系統(tǒng)是典型的絕對(duì)位置光學(xué)編碼器.這些信號(hào)被輸入模擬信號(hào)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(hào)-通常是為了適應(yīng)最大動(dòng)態(tài)范圍的ADC輸入電壓范圍。每一個(gè)放大的正弦和余弦信號(hào)然后獲得一個(gè)同步采樣ADC的驅(qū)動(dòng)放大器。

ADC必須在其通道上同時(shí)進(jìn)行采樣,以便正弦和余弦數(shù)據(jù)點(diǎn)在同一時(shí)間點(diǎn)上采集,因?yàn)樵摻M合提供了軸的位置信息。將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果傳遞給應(yīng)用專用集成電路(ASIC)或單片機(jī)。電動(dòng)機(jī)控制器查詢編碼器的位置每一個(gè)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(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。在過去,系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須用ADC速度或通道計(jì)數(shù)來適應(yīng)限制板的足跡。

優(yōu)化位置反饋

不斷發(fā)展的技術(shù)需求導(dǎo)致了在需要高精度位置檢測的電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用方面的創(chuàng)新。這種光學(xué)編碼器的分辨率可以根據(jù)在一個(gè)光盤上刻有細(xì)光刻的槽數(shù),通常是成百上千個(gè)。

將這些正弦和余弦信號(hào)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(dāng)編碼器正弦和余弦信號(hào)的采樣速度較慢時(shí),信號(hào)的捕獲量較少,這也限制了位置帽的準(zhǔn)確性。

當(dāng)ADC以更快的速率采樣時(shí),信號(hào)的詳細(xì)值就會(huì)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(jìn)一步提高噪音性能,排除一些數(shù)字后處理需求。同時(shí),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(hào),從而簡化了數(shù)字接口。電動(dòng)機(jī)位置反饋系統(tǒng)安裝在電動(dòng)機(jī)總成中,在某些應(yīng)用中可能很小。因此尺寸對(duì)于適應(yīng)編碼器模塊有限的電路板面積至關(guān)重要。在一個(gè)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(shè)計(jì)示例

一個(gè)優(yōu)化光學(xué)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(duì)類型的光學(xué)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(hào)。我們使用?ADA4940-2 前端雙通道全微分放大器驅(qū)動(dòng)ADC,在這種情況下?AD7380 ,雙通道,16位,完全差速器,4MSP,同時(shí)采樣合成孔徑雷達(dá)ADC,放置在一個(gè)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(qū)動(dòng)器的供應(yīng)軌可以由LDO調(diào)節(jié)器提供動(dòng)力,例如?LT3023 和?LT3032 .當(dāng)這些參考設(shè)計(jì)是接口式的--例如,有一個(gè)1024口徑光學(xué)編碼器,在編碼器光盤的一次旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生了1024個(gè)正弦和余弦周期--每個(gè)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(dá)26位。

4MSP吞吐率確保詳細(xì)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(jī)提供精確編碼器位置的數(shù)字ASIC或微控制器的時(shí)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(gè)芯片上的分辨率提升功能。分辨率提升可以進(jìn)一步提高高達(dá)28位的精度.

電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)高精度、高轉(zhuǎn)速和小型化的要求越來越高。光學(xué)編碼器用作電動(dòng)機(jī)位置感知裝置。為此,光學(xué)編碼器信號(hào)鏈在測量電動(dòng)機(jī)位置時(shí)必須具有高精度。高速、高吞吐量的ADC能夠準(zhǔn)確地捕捉信息,并將電機(jī)位置數(shù)據(jù)輸入控制器,從而提高位置反饋系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和優(yōu)化性。