Тази статия разглежда често срещани предизвикателства, пред които са изправени дизайнерите в областта на индустриалната автоматизация, когато разработват интерфейси за откриване на позиция за управление на мотора-, по-специално откриване на позиция в приложения, изискващи по-високи скорости и по-малки размери. Използването на информация, уловена от енкодерите, за прецизно измерване на позицията на двигателя е от решаващо значение за успешната работа на автоматизацията и машините. Бързи, с висока{3}}резолюция, дву-канални аналогови-в-цифрови преобразуватели (ADC) за синхронно вземане на проби са основни компоненти на такива системи.
Въведение
Точната информация за въртене на двигателя, като позиция, скорост и посока, е от съществено значение за производството на прецизни задвижвания и контролери за нововъзникващи приложения, като машини за сглобяване, които монтират микро-компоненти върху печатни платки с ограничено пространство. Напоследък управлението на двигателя започна да се миниатюризира, позволявайки нови хирургически роботизирани приложения в здравната индустрия и нови приложения на дронове в космическото пространство и отбраната. По-малките моторни контролери също стимулират нови приложения в индустриалния и търговския монтаж. За дизайнерите предизвикателството се крие в постигането на изискванията за висока-прецизност на сензорите за обратна връзка за позицията във високо-скоростни приложения, като същевременно интегрират всички компоненти в ограничено пространство на печатни платки за инсталиране в миниатюрни пакети, като например роботизирани ръце.
Фигура 1. Система за обратна връзка за управление на двигателя със затворен{1}}контур
Управление на двигателя
Веригата за управление на двигателя (както е показано на фигура 1) се състои основно от двигател, контролер и интерфейс за обратна връзка за позицията. Моторът върти вала, задвижвайки роботизираната ръка да се движи съответно. Контролерът на двигателя управлява кога двигателят прилага сила, когато спира или когато продължава да се върти. Интерфейсът за позиция в контура предоставя на контролера информация за скоростта и позицията. За машини за сглобяване, работещи с миниатюрни PCB-за повърхностен монтаж, тези данни са от решаващо значение за правилната работа. Всички тези приложения изискват точно измерване на позицията на въртящи се обекти.
Сензорите за позиция трябва да притежават изключително висока разделителна способност, за да открият прецизно позицията на вала на двигателя, да улавят съответните микро-компоненти и да ги поставят на правилните места на платката. Освен това по-високите скорости на двигателя изискват по-голяма честотна лента на веригата и по-ниска латентност.
Системи за обратна връзка за позицията
В-приложения от нисък клас откриването на позицията може да се реализира с помощта на инкрементални сензори и компаратори. Приложенията от висок{2}}клас обаче изискват по-сложни сигнални вериги. Тези системи за обратна връзка включват сензори за позиция, последвани от аналогово кондициониране на преден-сигнал, ADC и ADC драйвер. Данните преминават през тези компоненти, преди да влязат в цифровия домейн. Най-прецизният сензор за позиция е оптичният енкодер. Оптичният енкодер се състои от LED източник на светлина, маркиран диск, прикрепен към вала на двигателя, и фотодетектор. Дискът включва непрозрачни и прозрачни маскирани области, които блокират или позволяват на светлината да преминава. Фотодетекторът открива тези светлинни сигнали, преобразувайки светлинните импулси за включване/изключване в електронни сигнали.
Докато дискът се върти, фотодетекторът (синхронизиран с модела на диска) генерира малки синусовидни и косинусови сигнали (на ниво mV или µV). Тази конфигурация е типична за оптични енкодери за абсолютна позиция. Тези сигнали влизат в аналогови схеми за кондициониране на сигнала (обикновено съставени от дискретни усилватели или аналогови PGA за получаване на сигнали до 1 V пиков диапазон-до-пик), обикновено за да съответстват на диапазона на входното напрежение на ADC към максималния динамичен диапазон. Всеки усилен синусоидален и косинусовиден сигнал след това се улавя от задвижващия усилвател на ADC за синхронно вземане на проби.
Всеки канал на ADC трябва да поддържа синхронно вземане на проби за едновременно получаване на точки от данни за синус и косинус, тъй като тези комбинирани точки предоставят информация за позицията на оста. Резултатите от преобразуването на ADC се изпращат до ASIC или микроконтролер. Контролерът на двигателя проверява позицията на енкодера по време на всеки цикъл на ШИМ и използва тези данни, за да управлява двигателя според получените команди. В миналото, за да се интегрират в ограничено пространство на платката, системните дизайнери трябваше да жертват или скоростта на ADC, или броя на каналите.
Фигура 2. Система за обратна връзка за позицията
Оптимизирайте обратната връзка за позицията
Тъй като технологията продължава да напредва, приложенията за управление на мотори, изискващи високо{0}}прецизно откриване на позиция, постоянно се обновяват. Разделителната способност на оптичните енкодери може да се определя от броя на фино фотолитографираните слотове на диска, обикновено вариращи от стотици до хиляди. Чрез подаването на тези синусови и косинусови сигнали към високо-скоростни, високо-производителни ADC, могат да бъдат създадени енкодери с по-висока разделителна способност, без да се изискват системни промени в диска на енкодера. Например, вземането на проби от синусовидни и косинусови сигнали на енкодера при по-ниска скорост улавя само ограничен брой стойности на сигнала, както е показано на фигура 3; това ограничава точността на позиционния капацитет. На Фигура 3 вземането на проби с по-висока честота с ADC позволява получаване на по-подробни стойности на сигнала, което позволява по-прецизно определяне на позицията. Високата -честота на семплиране на ADC поддържа свръхсемплиране, като допълнително подобрява ефективността на шума и елиминира някои изисквания за цифрова пост{11}}обработка. Едновременно с това скоростта на изходните данни на ADC може да бъде намалена, което означава, че той поддържа сигнали с по-бавна серийна честота, като по този начин опростява цифровия интерфейс. Системите за обратна връзка за позицията на двигателя са монтирани върху модула на двигателя, който в някои приложения може да бъде изключително компактен. Следователно размерът е от решаващо значение за поставянето на модула на енкодера в ограничената налична площ на печатни платки. Интегрирането на множество канални компоненти в рамките на един миниатюрен пакет предлага значително спестяване на пространство.
Фигура 3. Честота на дискретизация
Пример за проектиране на обратна връзка за позицията на оптичния енкодер
Фигура 4 илюстрира пример за оптимизирано решение, подходящо за системи за обратна връзка за позицията на оптичен енкодер. Тази схема лесно се свързва с оптични енкодери от абсолютен-тип, след което лесно улавя диференциалните синусовидни и косинусови сигнали от енкодера. Предният-усилвател ADA4940{5}}2 е двуканален-канален, напълно диференциален усилвател с нисък{9}}шум, използван за управление на AD7380. Последният е дву-канален, 16-битов, напълно диференциален, 4 MSPS синхронен дискретизиращ SAR ADC, поместен в компактна LFCSP кутия с размери 3 mm × 3 mm. В-чиповият източник на референтно напрежение от 2,5 V позволява тази схема да бъде реализирана с минимален брой компоненти. VCC и VDRIVE на ADC, заедно със захранващите шини на драйвера на усилвателя, могат да се захранват от LDO регулатори като LT3023 и LT3032. Когато тези референтни дизайни са свързани помежду си (напр. използвайки оптичен енкодер с 1024-слота, генериращ 1024 синусови и косинусови цикъла на оборот на диска на енкодера), 16-битовият AD7380 взема проби от всеки слот на енкодера в 216 кода, увеличавайки общата разделителна способност на енкодера до 26 бита. Скоростта на пропускателна способност от 4 MSPS гарантира улавяне на подробна информация за синусови и косинусови цикли заедно с най-новите данни за позицията на енкодера. Тази висока производителност позволява внедряване на свръхсемплиране в чипа, намалявайки забавянето във времето, когато цифровата ASIC или микроконтролерът подава прецизна обратна връзка за позицията на енкодера към двигателя. Друго предимство на свръхсемплирането на AD7380 в чипа е потенциалът за добавяне на допълнителни 2 бита разделителна способност, които могат да се комбинират с функцията за подобряване на резолюцията в чипа. Това подобрение на разделителната способност допълнително подобрява точността, постигайки до 28 бита. Бележка за приложението AN-2003 предоставя подробна информация за свръхсемплирането и възможностите за подобряване на резолюцията на AD7380.
Фигура 4. Оптимизиран дизайн на системата за обратна връзка
Заключение
Системите за управление на мотора изискват по-висока точност, по-високи скорости и по-голяма миниатюризация. Оптичните енкодери служат като устройства за откриване на позицията на двигателя. Поради това сигналната верига на оптичния енкодер трябва да осигурява висока точност при измерване на позицията на двигателя. Високо{3}}скоростните, високо{4}}пропускателни ADC прецизно улавят информация и предават данни за позицията на двигателя към контролера. Скоростта, плътността и производителността на AD7380 отговарят на индустриалните изисквания, като същевременно позволяват по-висока прецизност в системите за обратна връзка за позицията и оптимизират внедряването на системата.
Автор
Джонатан Колао