Artikel ini menangani cabaran umum yang dihadapi oleh pereka dalam bidang automasi perindustrian apabila membangunkan antara muka pengesanan kedudukan untuk kawalan motor - secara khusus, mengesan kedudukan dalam aplikasi yang memerlukan kelajuan yang lebih tinggi dan saiz yang lebih kecil. Menggunakan maklumat yang ditangkap dari pengekod untuk mengukur kedudukan motor dengan tepat adalah kritikal untuk operasi automasi dan jentera yang berjaya. Fast, tinggi - resolusi, dual - saluran penyegerakan saluran analog - ke - penukar digital (ADCs) adalah komponen penting sistem sedemikian.
Pengenalan
Maklumat putaran motor yang tepat seperti kedudukan, kelajuan, dan arah adalah penting untuk menghasilkan pemacu dan pengawal yang tepat untuk aplikasi baru muncul, seperti mesin pemasangan yang melancarkan komponen mikro - ke kawasan PCB dengan ruang yang terhad. Baru -baru ini, Kawalan Motor telah mula kecil, membolehkan aplikasi robotik pembedahan baru dalam industri penjagaan kesihatan dan aplikasi drone baru dalam aeroangkasa dan pertahanan. Pengawal motor yang lebih kecil juga memacu aplikasi baru dalam perhimpunan perindustrian dan komersial. Bagi pereka, cabaran terletak pada memenuhi keperluan ketepatan - yang tinggi dari sensor maklum balas kedudukan dalam aplikasi kelajuan tinggi - sambil mengintegrasikan semua komponen dalam ruang PCB terhad untuk pemasangan di dalam pakej kecil, seperti lengan robot.
Rajah 1. Ditutup - sistem maklum balas kawalan motor gelung
Kawalan Motor
Gelung kawalan motor (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1) terutamanya terdiri daripada motor, pengawal, dan antara muka maklum balas kedudukan. Motor berputar aci, memandu lengan robot untuk bergerak dengan sewajarnya. Pengawal motor menguruskan apabila motor menggunakan daya, apabila ia berhenti, atau apabila ia terus berputar. Antara muka kedudukan dalam gelung menyediakan pengawal dengan maklumat kelajuan dan kedudukan. Untuk mesin pemasangan pengendalian permukaan mini - PCB mount, data ini penting untuk operasi yang betul. Aplikasi ini semua memerlukan pengukuran kedudukan yang tepat bagi objek berputar.
Sensor kedudukan mesti mempunyai resolusi yang sangat tinggi untuk mengesan kedudukan aci motor dengan tepat, mengambil komponen mikro - yang sepadan, dan letakkannya di lokasi yang betul di papan. Di samping itu, kelajuan motor yang lebih tinggi menuntut lebar jalur gelung yang lebih besar dan latensi yang lebih rendah.
Sistem maklum balas kedudukan
Dalam aplikasi akhir - rendah, pengesanan kedudukan boleh dilaksanakan menggunakan sensor tambahan dan pembanding. Walau bagaimanapun, tinggi - Aplikasi akhir menuntut rantai isyarat yang lebih kompleks. Sistem maklum balas ini menggabungkan sensor kedudukan diikuti oleh pengaduan isyarat akhir analog -, ADC, dan pemandu ADC. Data melalui komponen ini sebelum memasuki domain digital. Sensor kedudukan yang paling tepat adalah pengekod optik. Pengekod optik terdiri daripada sumber cahaya LED, cakera bertanda yang dilampirkan pada aci motor, dan photodetector. Cakera ini mempunyai kawasan bertopeng yang jelas dan telus yang menyekat atau membolehkan cahaya lulus. Photodetector mengesan isyarat cahaya ini, menukar denyutan cahaya hidup/mati ke dalam isyarat elektronik.
Apabila cakera berputar, photodetector (disegerakkan dengan corak cakera) menghasilkan isyarat sinus kecil dan kosinus (pada tahap MV atau μV). Konfigurasi ini adalah tipikal untuk pengekod optik kedudukan mutlak. Isyarat ini memasuki litar penyaman isyarat analog (biasanya terdiri daripada penguat diskret atau PGA analog untuk mendapatkan isyarat sehingga 1 V puncak - hingga - julat puncak), biasanya sesuai dengan julat voltan input ADC ke julat dinamik maksimum. Setiap isyarat sinus dan kosin yang diperkuat kemudian ditangkap oleh penguat pemacu ADC persampelan segerak.
Setiap saluran ADC mesti menyokong persampelan segerak untuk memperoleh mata data Sine dan Cosine pada masa yang sama, kerana titik gabungan ini memberikan maklumat kedudukan Axis. Hasil penukaran ADC dihantar ke ASIC atau mikrokontroler. Pengawal motor mengundi kedudukan encoder semasa setiap kitaran PWM dan menggunakan data ini untuk memacu motor mengikut arahan yang diterima. Pada masa lalu, untuk mengintegrasikan ke dalam ruang lembaga yang terhad, pereka sistem terpaksa mengorbankan kelajuan ADC atau kiraan saluran.
Rajah 2. Sistem maklum balas kedudukan
Mengoptimumkan maklum balas kedudukan
Memandangkan teknologi terus maju, aplikasi kawalan motor yang memerlukan pengesanan kedudukan ketepatan - yang tinggi sentiasa berinovasi. Resolusi pengekod optik boleh ditentukan oleh bilangan slot fotolitografi yang halus pada cakera, biasanya dari ratusan hingga ribuan. Dengan memberi makan isyarat sinus dan kosinus ini ke kelajuan tinggi -, tinggi - ADC, pengekod dengan resolusi yang lebih tinggi boleh dibuat tanpa memerlukan perubahan sistem pada cakera pengekod. Sebagai contoh, pengambilan isyarat sinus dan kosinus encoder pada kadar yang lebih rendah hanya menangkap sejumlah nilai isyarat yang terhad, seperti yang digambarkan dalam Rajah 3; Ini mengehadkan ketepatan kapasitansi kedudukan. Dalam Rajah 3, persampelan pada kadar yang lebih tinggi dengan ADC membolehkan pengambilalihan nilai isyarat yang lebih terperinci, membolehkan penentuan kedudukan yang lebih tepat. Kadar pensampelan kelajuan tinggi - ADC menyokong oversampling, meningkatkan prestasi bunyi dan menghapuskan beberapa keperluan pemprosesan pos digital -. Pada masa yang sama, kadar data output ADC dapat dikurangkan, bermakna ia menyokong isyarat frekuensi bersiri yang lebih perlahan, dengan itu memudahkan antara muka digital. Sistem maklum balas kedudukan motor dipasang pada pemasangan motor, yang dalam beberapa aplikasi mungkin sangat padat. Oleh itu, saiz adalah kritikal untuk memasang modul encoder ke kawasan PCB terhad yang tersedia. Mengintegrasikan pelbagai komponen saluran dalam satu pakej miniatur tunggal menawarkan penjimatan ruang yang ketara.
Rajah 3. Kadar pensampelan
Contoh reka bentuk maklum balas kedudukan encoder optik
Rajah 4 menggambarkan contoh penyelesaian yang dioptimumkan yang sesuai untuk sistem maklum balas kedudukan encoder optik. Litar ini mudah dihubungkan dengan pengekod optik - mutlak, kemudian dengan mudah menangkap isyarat sinus dan kosinus dari pengekod. ADA4940 - 2 depan - amplifier end adalah saluran dual -, rendah -, penguat pembezaan sepenuhnya digunakan untuk memandu AD7380. Yang terakhir adalah saluran dual -, 16 - bit, perbezaan sepenuhnya, 4 MSPs Segrronous Sampling SAR ADC ditempatkan dalam pakej LFCSP 3 mm × 3 mm padat. ON - Chip 2.5 V Sumber voltan rujukan membolehkan litar ini dilaksanakan dengan bilangan komponen yang minimum. VCC dan VDRIVE ADC, bersama dengan rel bekalan pemandu penguat, boleh dikuasakan oleh pengawal selia LDO seperti LT3023 dan LT3032. Apabila reka bentuk rujukan ini saling berkaitan (misalnya, menggunakan pengekod optik slot 1024 - yang menghasilkan 1024 sine dan cosine siklus per revolusi cakera encoder), sampel AD7380 16-bit setiap slot encoder di seluruh 216 kod, meningkatkan resolusi keseluruhan pengekod kepada 26 bits. Kadar melalui 4 MSPS memastikan penangkapan maklumat kitaran sinus dan kosinus terperinci bersama dengan data kedudukan pengekod terkini. Output yang tinggi ini membolehkan pelaksanaan oversampling on-cip, mengurangkan kelewatan masa apabila ASIC digital atau mikrokontroler memberi maklum balas kedudukan pengekod yang tepat kepada motor. Satu lagi manfaat daripada oversampling on-cip AD7380 adalah potensi untuk menambah 2 bit resolusi tambahan, yang boleh digabungkan dengan ciri peningkatan resolusi dalam cip. Peningkatan resolusi ini terus meningkatkan ketepatan, mencapai sehingga 28 bit. Nota Permohonan AN-2003 memberikan maklumat terperinci mengenai keupayaan peningkatan oversampling dan resolusi AD7380.
Rajah 4. Reka bentuk sistem maklum balas yang dioptimumkan
Kesimpulan
Sistem kawalan motor menuntut ketepatan yang lebih tinggi, kelajuan lebih cepat, dan pengurangan yang lebih besar. Pengekod optik berfungsi sebagai peranti pengesanan kedudukan motor. Oleh itu, rantaian isyarat pengekod optik mesti memberikan ketepatan yang tinggi apabila mengukur kedudukan motor. Tinggi - kelajuan, tinggi - melalui ADCs dengan tepat menangkap maklumat dan menghantar data kedudukan motor ke pengawal. Kelajuan AD7380, ketumpatan, dan prestasi memenuhi keperluan industri sambil membolehkan ketepatan yang lebih tinggi dalam sistem maklum balas kedudukan dan mengoptimumkan pelaksanaan sistem.
Pengarang
Jonathan Colao