為小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)快速反應(yīng)反饋系統(tǒng)
發(fā)布日期:2023-03-14
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位置、速度和方向等電機(jī)旋轉(zhuǎn)信息必須準(zhǔn)確，以便在各種新興應(yīng)用中生產(chǎn)的驅(qū)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(jī)（印刷電路板）面積。近，電機(jī)控制已經(jīng)小型化，從而在用于醫(yī)療保健的手術(shù)機(jī)器人和用于航空航天和國(guó)防的無(wú)人機(jī)中實(shí)現(xiàn)了新的應(yīng)用。更小的電機(jī)控制器還支持工業(yè)和商業(yè)設(shè)施中的新應(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)將所有組件集成到有限的 PCB 空間中以安裝在微型外殼內(nèi)，例如機(jī)械臂。
圖 1. 閉環(huán)電機(jī)控制反饋系統(tǒng)。（：Analog Devices, Inc.）
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)器的手臂相應(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。該數(shù)據(jù)對(duì)于用于組裝微型表面貼裝 PCB 的貼片機(jī)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)物體的準(zhǔn)確位置測(cè)量信息。
位置傳感器的分辨率必須非常高——足以準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)軸位置，正確拾取微小元件，并將其準(zhǔn)確放置在電路板上。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，增量傳感器和比較器可能足以進(jìn)行位置感測(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、模擬前端信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 及其驅(qū)動(dòng)器，然后數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)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(jī)軸上的標(biāo)記盤(pán)和光電探測(cè)器組成。該圓盤(pán)具有不透明和透明區(qū)域的蒙版圖案，可以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(kāi)/關(guān)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
當(dāng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電探測(cè)器連同圓盤(pán)的圖案會(huì)產(chǎn)生 mV 或 μV 級(jí)別的小正弦和余弦信號(hào)。該系統(tǒng)在位置光學(xué)編碼器中很典型。這些信號(hào)被饋送到模擬信號(hào)調(diào)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(hào)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(qū)動(dòng)放大器會(huì)采集每個(gè)放大的正弦和余弦信號(hào)。
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(shù)據(jù)點(diǎn)，因?yàn)樵摻M合提供了軸位置信息。ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果被傳遞到專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 或微控制器。電機(jī)控制器在每個(gè)脈寬調(diào)制 (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)人員必須權(quán)衡 ADC 速度或通道數(shù)以適應(yīng)受限的電路板占位面積。
圖 2. 位置反饋系統(tǒng)。（：Analog Devices, Inc.）
優(yōu)化位置反饋
不斷發(fā)展的技術(shù)需求導(dǎo)致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(pán)上刻有精細(xì)光刻的槽的數(shù)量，通常是數(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 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(pán)進(jìn)行系統(tǒng)更改。例如，當(dāng)以較慢的速率對(duì)編碼器正弦和余弦信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，捕獲的信號(hào)值較少，如圖 3 所示；這也限制了頭寸上限的準(zhǔn)確性。
圖 3. 采樣率。（：Analog Devices, Inc.）
在圖 3 中，當(dāng) ADC 以更快的速率采樣時(shí)，會(huì)捕獲更詳細(xì)的信號(hào)值，并確定更高精度的位置。ADC 的高速采樣率允許過(guò)采樣，進(jìn)一步提高噪聲性能，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)于適合編碼器模塊的有限 PCB 區(qū)域至關(guān)重要。在單個(gè)微型封裝中出現(xiàn)的多通道組件適合節(jié)省空間。
光學(xué)編碼器位置反饋設(shè)計(jì)實(shí)例
圖 4 顯示了優(yōu)化的光學(xué)編碼器位置反饋系統(tǒng)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(hào)可以由電路捕獲。圖 4 顯示了驅(qū)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(tǒng)設(shè)計(jì)。（：Analog Devices, Inc.）
片上 2.5 V 基準(zhǔn)將允許該電路的組件要求。ADC 的 VCC 和 VDRIVE 以及放大器驅(qū)動(dòng)器的電源軌可以由 LDO 穩(wěn)壓器供電，例如LT3023和LT3032。當(dāng)連接這些參考設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(duì)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(dá) 26 位。
4 MSPS 吞吐率可確保捕獲詳細(xì)的正弦和余弦周期，并確保編碼器位置是的。高吞吐率可實(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)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(dá) 28 位的精度。
電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)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(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、高吞吐量的 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，從而在位置反饋系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高水平的精度和優(yōu)化。
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