如位置、速度和方向等电动机的旋转信息必须是准确的,以便在各种新出现的应用中产生精确的驱动器和控制器--例如,在有限的印刷电路板区域安装微型元件的点选机中。最近,电动机控制已经小型化,使外科机器人医疗保健和无人机航天和国防的新应用。小型的电动机控制器也使工业和商业装置有了新的应用.设计师面临的挑战是在高速应用中满足位置反馈传感器的高精度要求,同时将所有组件注入有限的PCB空间,以便安装在微小的外壳内,如机器臂。
图1闭环电机控制反馈系统。(来源:模拟设备公司)
汽车控制
如图1所示,电动机控制环主要由一个电动机、一个控制器和一个位置反馈接口组成。电动机转动旋转轴,使机器的手臂相应地移动.电动机控制器告诉电动机何时施加力、停止或继续旋转.循环中的位置接口向控制器提供转速和位置信息。这些数据对于组装微小的表面贴装电路板的选放机器的正确操作至关重要。所有这些应用都需要关于旋转物体的精确位置测量信息.
位置传感器的分辨率必须非常高--足够精确地检测电机轴的位置,正确地拾起一个微小的部件,并将其准确地放在板子上。此外,电动机转速的提高也会导致环路带宽的增加和延迟需求的降低。
位置反馈系统
在下端应用程序中,增量传感器和比较器可能足以进行位置感知,而上端应用则需要更复杂的信号链。这些反馈系统包括位置传感器,其次是模拟前端信号调节,类似数字转换器(ADC)及其驱动程序,然后数据进入数字领域。
光学编码器是最精确的位置传感器之一。光学编码器由发光二极管光源、与电机轴相连的标记盘和光电探测器组成。光盘的特点是隐藏的不透明和透明区域的图案,掩盖光线或允许光线通过。光电探测器感知所产生的光,并将开合灯信号转换为电信号。
当光盘转动时,光电探测器--结合光盘的图案--产生小的正弦和余弦信号,在VV或VV水平。该系统是典型的绝对位置光学编码器.这些信号被输入模拟信号调节电路,通常由离散放大器或模拟可编程增益放大器(PGA)组成,以获取最高为1V到峰值的信号-通常是为了适应最大动态范围的ADC输入电压范围。每一个放大的正弦和余弦信号然后获得一个同步采样ADC的驱动放大器。
ADC必须在其通道上同时进行采样,以便正弦和余弦数据点在同一时间点上采集,因为该组合提供了轴的位置信息。将ADC转换结果传递给应用专用集成电路(ASIC)或单片机。电动机控制器查询编码器的位置每一个脉冲宽度调制(PBM)周期,并使用这些数据根据它收到的指令驱动电动机。在过去,系统设计者必须用ADC速度或通道计数来适应限制板的足迹。
优化位置反馈
不断发展的技术需求导致了在需要高精度位置检测的电动机控制应用方面的创新。这种光学编码器的分辨率可以根据在一个光盘上刻有细光刻的槽数,通常是成百上千个。
将这些正弦和余弦信号插入到高速、高性能的ADC将使我们能够创建较高的分辨率编码器,而无需系统改变编码器光盘。例如,当编码器正弦和余弦信号的采样速度较慢时,信号的捕获量较少,这也限制了位置帽的准确性。
当ADC以更快的速率采样时,信号的详细值就会被捕获,并且确定了更高的精度位置。高速采样率的ADC允许过采样,进一步提高噪音性能,排除一些数字后处理需求。同时,它降低了来自ADC的输出数据速率,也就是说,允许较慢的串行频率信号,从而简化了数字接口。电动机位置反馈系统安装在电动机总成中,在某些应用中可能很小。因此尺寸对于适应编码器模块有限的电路板面积至关重要。在一个单一的小包装中出现的多通道组件最适合于节省空间。
光编码器位置反馈设计示例
一个优化光学编码器位置反馈系统的例子。该电路可以接口到一种绝对类型的光学编码器,在此电路中可以捕获编码器的微分正弦和余弦信号。我们使用 ADA4940-2 前端双通道全微分放大器驱动ADC,在这种情况下 AD7380 ,双通道,16位,完全差速器,4MSP,同时采样合成孔径雷达ADC,放置在一个小的3毫米x3毫米LFCSP包中。
芯片2.5V的参考将允许该电路的最低组件要求。ADC的VCC和VRD以及放大器驱动器的供应轨可以由LDO调节器提供动力,例如 LT3023 和 LT3032 .当这些参考设计是接口式的--例如,有一个1024口径光学编码器,在编码器光盘的一次旋转中产生了1024个正弦和余弦周期--每个编码器的16位Ad7380样本槽的216码,总体上增加编码器分辨率高达26位。
4MSP吞吐率确保详细的正弦和余弦周期被捕获和编码器位置是最新的。高吞吐率使芯片上的采样过多,这减少了为电机提供精确编码器位置的数字ASIC或微控制器的时间限制。芯片上的过采样允许额外的2比特分辨率,这可以使用一个芯片上的分辨率提升功能。分辨率提升可以进一步提高高达28位的精度.
电动机控制系统对高精度、高转速和小型化的要求越来越高。光学编码器用作电动机位置感知装置。为此,光学编码器信号链在测量电动机位置时必须具有高精度。高速、高吞吐量的ADC能够准确地捕捉信息,并将电机位置数据输入控制器,从而提高位置反馈系统的准确性和优化性。
