【導讀】位置、速度和方向等電機旋轉信息必須準確，以便在各種新興應用中生產(chǎn)的驅動(dòng)器和控制器——例如，在有限的印刷電路板上安裝微型元件的拾放機（印刷電路板）面積。近，電機控制已經(jīng)小型化，從而在用于醫療保健的手術(shù)機器人和用于航空航天和國防的無(wú)人機中實(shí)現了新的應用。
位置、速度和方向等電機旋轉信息必須準確，以便在各種新興應用中生產(chǎn)的驅動(dòng)器和控制器——例如，在有限的印刷電路板上安裝微型元件的拾放機（印刷電路板）面積。近，電機控制已經(jīng)小型化，從而在用于醫療保健的手術(shù)機器人和用于航空航天和國防的無(wú)人機中實(shí)現了新的應用。更小的電機控制器還支持工業(yè)和商業(yè)設施中的新應用。設計人員面臨的挑戰是滿(mǎn)足高速應用中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 空間中以安裝在微型外殼內，例如機械臂。
圖 1. 閉環(huán)電機控制反饋系統。（：Analog Devices, Inc.）
電機控制
如圖 1 所示，電機控制回路主要由電機、控制器和位置反饋接口組成。電機轉動(dòng)旋轉軸，使機器的手臂相應地移動(dòng)。電機控制器告訴電機何時(shí)施加力、停止或繼續旋轉?；芈分械奈恢媒涌谙蚩刂破魈峁┺D速和位置信息。該數據對于用于組裝微型表面貼裝 PCB 的貼片機的正確操作至關(guān)重要。所有這些應用都需要關(guān)于旋轉物體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位置，正確拾取微小元件，并將其準確放置在電路板上。此外，更高的電機轉速會(huì )導致更高的環(huán)路帶寬和更低的延遲要求。
位置反饋系統
在低端應用中，增量傳感器和比較器可能足以進(jìn)行位置感測，而高端應用則需要更復雜的信號鏈。這些反饋系統包括位置傳感器、模擬前端信號調理、模數轉換器 (ADC) 及其驅動(dòng)器，然后數據進(jìn)入數字域。
的位置傳感器之一是光學(xué)編碼器。光學(xué)編碼器由發(fā)光二極管 (LED) 光源、附在電機軸上的標記盤(pán)和光電探測器組成。該圓盤(pán)具有不透明和透明區域的蒙版圖案，可以遮擋光線(xiàn)或允許光線(xiàn)通過(guò)。光電探測器感測產(chǎn)生的光，并將開(kāi)/關(guān)光信號轉換為電信號。
當圓盤(pán)轉動(dòng)時(shí)，光電探測器連同圓盤(pán)的圖案會(huì )產(chǎn)生 mV 或 μV 級別的小正弦和余弦信號。該系統在位置光學(xué)編碼器中很典型。這些信號被饋送到模擬信號調理電路，通常由分立放大器或模擬可編程增益放大器 (PGA) 組成，以將信號增益至 1 V 峰峰值范圍——通常適合 ADC 輸入電壓范圍動(dòng)態(tài)范圍。然后，同步采樣 ADC 的驅動(dòng)放大器會(huì )采集每個(gè)放大的正弦和余弦信號。
ADC 必須在其通道上進(jìn)行同步采樣，以便在完全相同的時(shí)間點(diǎn)獲取正弦和余弦數據點(diǎn)，因為該組合提供了軸位置信息。ADC 轉換結果被傳遞到專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 或微控制器。電機控制器在每個(gè)脈寬調制 (PWM) 周期查詢(xún)編碼器位置，并根據收到的指令使用此數據驅動(dòng)電機。過(guò)去，系統設計人員必須權衡 ADC 速度或通道數以適應受限的電路板占位面積。
圖 2. 位置反饋系統。（：Analog Devices, Inc.）
優(yōu)化位置反饋
不斷發(fā)展的技術(shù)需求導致了需要高精度位置檢測的電機控制應用的創(chuàng )新。光學(xué)編碼器的分辨率可以基于光盤(pán)上刻有精細光刻的槽的數量，通常是數百或數千。
將這些正弦和余弦信號插值到高速、高性能 ADC 將使我們能夠創(chuàng )建更高分辨率的編碼器，而無(wú)需對編碼器盤(pán)進(jìn)行系統更改。例如，當以較慢的速率對編碼器正弦和余弦信號進(jìn)行采樣時(shí)，捕獲的信號值較少，如圖 3 所示；這也限制了頭寸上限的準確性。
圖 3. 采樣率。（：Analog Devices, Inc.）
在圖 3 中，當 ADC 以更快的速率采樣時(shí)，會(huì )捕獲更詳細的信號值，并確定更高精度的位置。ADC 的高速采樣率允許過(guò)采樣，進(jìn)一步提高噪聲性能，消除一些數字后處理需求。同時(shí)，它降低了 ADC 的輸出數據速率；也就是說(shuō)，允許較慢的串行頻率信號，從而簡(jiǎn)化數字接口。電機位置反饋系統安裝在電機組件中，在某些應用中可能非常小。因此，尺寸對于適合編碼器模塊的有限 PCB 區域至關(guān)重要。在單個(gè)微型封裝中出現的多通道組件適合節省空間。
光學(xué)編碼器位置反饋設計實(shí)例
圖 4 顯示了優(yōu)化的光學(xué)編碼器位置反饋系統的示例。該電路可以連接到類(lèi)型的光學(xué)編碼器，其中來(lái)自編碼器的差分正弦和余弦信號可以由電路捕獲。圖 4 顯示了驅動(dòng) ADC的 ADA4940-2 前端、雙通道、全差分放大器，在本例中為 AD7380，這是一款雙通道、16 位、全差分、4 MSPS、同步采樣 SAR ADC，封裝在小型 3 mm × 3 mm LFCSP 封裝。
圖 4. 優(yōu)化的反饋系統設計。（：Analog Devices, Inc.）
片上 2.5 V 基準將允許該電路的組件要求。ADC 的 VCC 和 VDRIVE 以及放大器驅動(dòng)器的電源軌可以由 LDO 穩壓器供電，例如LT3023和LT3032。當連接這些參考設計時(shí)——例如，使用一個(gè) 1024 槽光學(xué)編碼器，在編碼器盤(pán)旋轉一圈時(shí)產(chǎn)生 1024 個(gè)周期的正弦和余弦——16 位 AD7380 以 216 個(gè)代碼對每個(gè)編碼器槽進(jìn)行采樣，整體增加了編碼器分辨率高達 26 位。
4 MSPS 吞吐率可確保捕獲詳細的正弦和余弦周期，并確保編碼器位置是的。高吞吐率可實(shí)現片上過(guò)采樣，從而減少數字 ASIC 或微控制器向電機提供編碼器位置的時(shí)間損失。片上過(guò)采樣允許額外的 2 位分辨率，可與片上分辨率提升功能一起使用。分辨率提升可以進(jìn)一步提高高達 28 位的精度。
電機控制系統對更高精度、更高速度和小型化的要求越來(lái)越高。光學(xué)編碼器用作電機位置傳感設備。為此，光學(xué)編碼器信號鏈在測量電機位置時(shí)必須具有高精度。高速、高吞吐量的 ADC 可準確捕獲信息并將電機位置數據饋送到控制器，從而在位置反饋系統中實(shí)現更高水平的精度和優(yōu)化。
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