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)

本文深入探討了工業(yè)自動(dòng)化中電機(jī)控制位置傳感接口設(shè)計(jì)人員面臨的常見(jiàn)問(wèn)題，即能夠在更快、更小尺寸的應(yīng)用中感測(cè)位置。從編碼器捕獲信息以準(zhǔn)確測(cè)量電機(jī)位置對(duì)于自動(dòng)化和機(jī)器人設(shè)備的成功運(yùn)行非常重要?？焖?、高分辨率、雙通道、同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是該系統(tǒng)的重要組成部分。

介紹

電機(jī)旋轉(zhuǎn)信息（如位置、速度和方向）必須準(zhǔn)確，以便在各種新興應(yīng)用中產(chǎn)生精確的驅(qū)動(dòng)器和控制器，例如，在有限的PCB區(qū)域內(nèi)安裝微型元件的拾取和放置機(jī)器中。最近，電機(jī)控制已經(jīng)小型化，在醫(yī)療保健的手術(shù)機(jī)器人以及航空航天和國(guó)防的無(wú)人機(jī)中實(shí)現(xiàn)了新的應(yīng)用。較小的電機(jī)控制器還支持工業(yè)和商業(yè)安裝中的新應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是滿足高速應(yīng)用中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，以安裝在微型外殼（如機(jī)械臂）中。

圖1.閉環(huán)電機(jī)控制反饋系統(tǒng)。

電機(jī)控制

如圖1所示，電機(jī)控制回路主要由電機(jī)、控制器和位置反饋接口組成。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸，使機(jī)器的臂相應(yīng)地移動(dòng)。電機(jī)控制器告訴電機(jī)何時(shí)施加力、停止或繼續(xù)旋轉(zhuǎn)?；芈分械奈恢媒涌谙蚩刂破魈峁┺D(zhuǎn)速和位置信息。這些數(shù)據(jù)對(duì)于用于組裝微型表面貼裝 PCB 的拾取和放置機(jī)器的正常運(yùn)行至關(guān)重要。所有這些應(yīng)用都需要有關(guān)旋轉(zhuǎn)物體的精確位置測(cè)量信息。

位置傳感器分辨率必須非常高，足以準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)軸位置，正確拾取微小組件，并將其精確地放置在電路板上。此外，更高的電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致更高的環(huán)路帶寬和更低的延遲要求。

位置反饋系統(tǒng)

在低端應(yīng)用中，增量式傳感器和比較器可能足以進(jìn)行位置檢測(cè)，而高端應(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，然后是模擬前端信號(hào)調(diào)理、ADC及其驅(qū)動(dòng)器，然后數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)字域。最精確的位置傳感器之一是光學(xué)編碼器。光學(xué)編碼器由LED光源、附在電機(jī)軸上的標(biāo)記盤和光電探測(cè)器組成。圓盤具有不透明和透明區(qū)域的遮罩圖案，可遮擋光線或允許光線通過(guò)。光電探測(cè)器感測(cè)產(chǎn)生的光，并將開/關(guān)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電探測(cè)器與圓盤的圖案相結(jié)合，產(chǎn)生mV或μV級(jí)的小正弦和余弦信號(hào)。該系統(tǒng)是絕對(duì)位置光學(xué)編碼器的典型系統(tǒng)。這些信號(hào)被饋送到模擬信號(hào)調(diào)理電路，該電路通常由分立放大器或模擬PGA組成，以獲得高達(dá)1 V p-p范圍的信號(hào)，通常適合ADC輸入電壓范圍以獲得最大動(dòng)態(tài)范圍。然后，每個(gè)放大的正弦和余弦信號(hào)由同步采樣ADC的驅(qū)動(dòng)放大器采集。

ADC必須在其通道上同時(shí)采樣，以便在完全相同的時(shí)間點(diǎn)獲取正弦和余弦數(shù)據(jù)點(diǎn)，因?yàn)樵摻M合可提供軸位置信息。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果被傳遞到ASIC或微控制器。電機(jī)控制器在每個(gè)PWM周期查詢編碼器位置，并根據(jù)收到的指令使用此數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。過(guò)去，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須犧牲ADC速度或通道數(shù)，以適應(yīng)限制性電路板尺寸。

圖2.位置反饋系統(tǒng)。

優(yōu)化位置反饋

不斷發(fā)展的技術(shù)需求催生了需要高精度位置檢測(cè)的電機(jī)控制應(yīng)用的創(chuàng)新。光學(xué)編碼器的分辨率可以基于光盤中精細(xì)光刻刻的插槽數(shù)量，通常為數(shù)百或數(shù)千。將這些正弦和余弦信號(hào)插值到高速、高性能ADC中，將使我們能夠創(chuàng)建更高分辨率的編碼器，而無(wú)需對(duì)編碼器盤進(jìn)行系統(tǒng)更改。例如，當(dāng)編碼器正弦和余弦信號(hào)以較慢的速率采樣時(shí)，捕獲的信號(hào)值較少，如圖3所示;這也限制了倉(cāng)位上限的準(zhǔn)確性。在圖3中，當(dāng)ADC以更快的速率采樣時(shí)，捕獲更詳細(xì)的信號(hào)值，并確定更高精度的位置。ADC的高速采樣速率允許過(guò)采樣，進(jìn)一步改善噪聲性能，消除一些數(shù)字后處理需求。同時(shí)，它降低了ADC的輸出數(shù)據(jù)速率;也就是說(shuō)，允許較慢的串行頻率信號(hào)，從而簡(jiǎn)化數(shù)字接口。電機(jī)位置反饋系統(tǒng)安裝在電機(jī)組件中，在某些應(yīng)用中可能非常小。因此，尺寸對(duì)于適應(yīng)編碼器模塊的有限PCB區(qū)域至關(guān)重要。在單個(gè)微型封裝中出現(xiàn)多個(gè)通道組件最適合節(jié)省空間。

圖3.采樣率。

光學(xué)編碼器位置反饋設(shè)計(jì)示例

光學(xué)編碼器位置反饋系統(tǒng)的優(yōu)化解決方案示例如圖4所示。該電路可以很容易地連接到絕對(duì)型光學(xué)編碼器，其中來(lái)自編碼器的差分正弦和余弦信號(hào)可以很容易地被電路捕獲。ADA4940-2前端放大器是一款雙通道、低噪聲、全差分放大器，用于驅(qū)動(dòng)雙通道、16位、全差分、4 MSPS同步采樣SAR ADC，采用3 mm×3 mm LFCSP小型封裝。片內(nèi)2.5 V基準(zhǔn)電壓源可滿足該電路的最低元件要求。五世抄送和 V駕駛的 ADC 和放大器驅(qū)動(dòng)器的電源軌可由一個(gè) LDO 穩(wěn)壓器（例如 LT3023 和 LT3032）供電。當(dāng)這些參考設(shè)計(jì)與1024槽光學(xué)編碼器接口時(shí)，該編碼器在編碼器盤的一圈內(nèi)產(chǎn)生1024個(gè)正弦和余弦周期，16位AD7380對(duì)每個(gè)編碼器槽的采樣頻率為216代碼，總體上將編碼器分辨率提高到 26 位。4 MSPS吞吐速率可確保捕獲詳細(xì)的正弦和余弦周期，并確保編碼器位置是最新的。高吞吐速率可實(shí)現(xiàn)片上過(guò)采樣，從而減少數(shù)字ASIC或微控制器向電機(jī)饋送精確編碼器位置的時(shí)間損失。AD7380片內(nèi)過(guò)采樣的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它允許額外的2位分辨率，可輕松與片內(nèi)分辨率提升功能一起使用。分辨率提升可以進(jìn)一步提高精度，最高可達(dá)28位。應(yīng)用筆記AN-2003詳細(xì)介紹了AD7380的過(guò)采樣和分辨率提升特性。

圖4.優(yōu)化反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

結(jié)論

電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)更高精度、更高速度和小型化的需求正在增加。光學(xué)編碼器用作電機(jī)位置傳感設(shè)備。為此，光學(xué)編碼器信號(hào)鏈在測(cè)量電機(jī)位置時(shí)必須具有高精度。高速、高吞吐量ADC可準(zhǔn)確捕獲信息并將電機(jī)位置數(shù)據(jù)饋送到控制器。AD7380的速度、密度和性能可滿足行業(yè)需求，同時(shí)在位置反饋系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高水平的精度和優(yōu)化。

審核編輯：郭婷