Denne artikel omhandler almindelige udfordringer, som designere inden for industriel automatisering står over for, når de udvikler grænseflader til positionsdetektering til motorstyring,-specifikt ved registrering af position i applikationer, der kræver højere hastigheder og mindre størrelser. Udnyttelse af information fra indkodere til præcist at måle motorposition er afgørende for en vellykket drift af automatisering og maskineri. Hurtige, høj-opløsnings-, dobbelt-kanals synkron sampling analog-til-digitalkonvertere (ADC'er) er væsentlige komponenter i sådanne systemer.
Indledning
Nøjagtige oplysninger om motorrotation såsom position, hastighed og retning er afgørende for at producere præcise drev og controllere til nye applikationer, såsom montagemaskiner, der monterer mikro-komponenter på PCB-områder med begrænset plads. For nylig er motorstyring begyndt at miniaturisere, hvilket muliggør nye kirurgiske robotapplikationer i sundhedssektoren og nye droneapplikationer inden for rumfart og forsvar. Mindre motorstyringer driver også nye applikationer inden for industriel og kommerciel montage. For designere ligger udfordringen i at opfylde de høje-præcisionskrav til positionsfeedback-sensorer i høj-applikationer, mens alle komponenter integreres inden for begrænset PCB-plads til installation i miniaturepakker, såsom robotarme.
Figur 1. Tilbagemeldingssystem for lukket-sløjfemotorstyring
Motorstyring
Motorkontrolsløjfen (som vist i figur 1) består primært af en motor, en controller og en positionsfeedback-grænseflade. Motoren roterer akslen og driver robotarmen til at bevæge sig tilsvarende. Motorstyringen styrer, hvornår motoren påfører kraft, når den stopper, eller når den fortsætter med at rotere. Positionsgrænsefladen i sløjfen giver controlleren hastigheds- og positionsinformation. For samlemaskiner, der håndterer miniature--overflademonterede PCB'er, er disse data afgørende for korrekt drift. Disse applikationer kræver alle nøjagtig positionsmåling af roterende genstande.
Positionssensorer skal have en ekstrem høj opløsning for præcist at detektere motorakslens position, opfange tilsvarende mikro-komponenter og placere dem på de rigtige steder på brættet. Derudover kræver højere motorhastigheder større sløjfebåndbredde og lavere latenstid.
Positionsfeedback-systemer
I low{0}}applikationer kan positionsdetektering implementeres ved hjælp af inkrementelle sensorer og komparatorer. High-applikationer kræver dog mere komplekse signalkæder. Disse feedbacksystemer inkorporerer positionssensorer efterfulgt af analog front-signalbehandling, en ADC og en ADC-driver. Data passerer gennem disse komponenter, før de kommer ind i det digitale domæne. Den mest præcise positionssensor er den optiske encoder. En optisk encoder består af en LED-lyskilde, en markeret disk fastgjort til motorakslen og en fotodetektor. Disken har uigennemsigtige og gennemsigtige maskerede områder, der blokerer eller tillader lys at passere. Fotodetektoren registrerer disse lyssignaler og konverterer tænd/sluk lysimpulserne til elektroniske signaler.
Når disken roterer, genererer fotodetektoren (synkroniseret med diskens mønster) små sinus- og cosinussignaler (på mV- eller µV-niveau). Denne konfiguration er typisk for optiske indkodere med absolut position. Disse signaler går ind i analoge signalbehandlingskredsløb (normalt bestående af diskrete forstærkere eller analoge PGA'er for at opnå signaler op til 1 V peak-til-peak-område), typisk for at matche ADC-indgangsspændingsområdet til det maksimale dynamiske område. Hvert forstærket sinus- og cosinussignal fanges derefter af drivforstærkeren på en synkron sampling-ADC.
Hver kanal i ADC'en skal understøtte synkron sampling for at opnå sinus- og cosinusdatapunkter samtidigt, da disse kombinerede punkter giver information om aksepositionen. ADC-konverteringsresultaterne sendes til en ASIC eller mikrocontroller. Motorstyringen poller encoderpositionen under hver PWM-cyklus og bruger disse data til at drive motoren i overensstemmelse med modtagne kommandoer. Tidligere måtte systemdesignere for at integrere i begrænset bordplads ofre enten ADC-hastighed eller kanalantal.
Figur 2. Positionsfeedback-system
Optimer positionsfeedback
I takt med at teknologien fortsætter med at udvikle sig, er motorstyringsapplikationer, der kræver høj-positionsdetektion, konstant innovative. Opløsningen af optiske indkodere kan bestemmes af antallet af fint fotolitografiske slots på disken, typisk i området fra hundreder til tusinder. Ved at føde disse sinus- og cosinussignaler til ADC'er med høj-hastighed og høj-ydelse kan indkodere med højere opløsning oprettes uden at kræve systemændringer på indkoderdisken. For eksempel indfanger sampling af indkoderens sinus- og cosinussignaler ved en lavere hastighed kun et begrænset antal signalværdier, som illustreret i figur 3; dette begrænser nøjagtigheden af positionskapacitansen. I figur 3 tillader sampling med en højere hastighed med ADC'en optagelse af mere detaljerede signalværdier, hvilket muliggør mere præcis positionsbestemmelse. ADC's højhastighedssampling{10}understøtter oversampling, hvilket forbedrer støjydelsen yderligere og eliminerer nogle krav til digital efterbehandling. Samtidig kan ADC'ens outputdatahastighed reduceres, hvilket betyder, at den understøtter langsommere serielle frekvenssignaler, og derved forenkler den digitale grænseflade. Motorposition feedback-systemer er monteret på motorenheden, som i nogle applikationer kan være ekstremt kompakt. Derfor er størrelsen afgørende for montering af encoder-modulet i det begrænsede PCB-område, der er til rådighed. Integrering af flere kanalkomponenter i en enkelt miniaturepakke giver betydelige pladsbesparelser.
Figur 3. Sampling Rate
Designeksempel på optisk encoderpositionsfeedback
Figur 4 illustrerer et eksempel på en optimeret løsning, der er egnet til optiske indkoderpositionsfeedbacksystemer. Dette kredsløb har let grænseflader med optiske indkodere af absolut-type og fanger derefter let de differentielle sinus- og cosinussignaler fra indkoderen. ADA4940-2 front-forstærkeren er en dobbelt-kanal, lav-støj, fuldt differentiel forstærker, der bruges til at drive AD7380. Sidstnævnte er en dobbelt-kanal, 16-bit, fuldt differentiel, 4 MSPS synkron sampling SAR ADC, der er anbragt i en kompakt 3 mm × 3 mm LFCSP-pakke. På-chippen 2,5 V referencespændingskilden gør det muligt at implementere dette kredsløb med et minimalt antal komponenter. ADC's VCC og VDRIVE kan sammen med forstærkerdriverens forsyningsskinner drives af LDO-regulatorer såsom LT3023 og LT3032. Når disse referencedesigns er forbundet med hinanden (f.eks. ved at bruge en 1024-slot optisk indkoder, der genererer 1024 sinus- og cosinuscyklusser pr. koderdiskomdrejning), sampler 16-bit AD7380 hver indkoderslot på tværs af 216 koder, hvilket øger koderens samlede opløsning til 26 bit. Gennemløbshastigheden på 4 MSPS sikrer indfangning af detaljeret sinus- og cosinuscyklusinformation sammen med de seneste encoderpositionsdata. Denne høje gennemstrømning muliggør implementering af oversampling på chip, hvilket reducerer tidsforsinkelsen, når den digitale ASIC eller mikrocontroller leverer præcis encoderpositionsfeedback til motoren. En anden fordel ved AD7380's on-chip oversampling er potentialet for at tilføje yderligere 2 bits opløsning, som kan kombineres med on-chip opløsningsforbedringsfunktionen. Denne opløsningsforbedring forbedrer yderligere nøjagtigheden og opnår op til 28 bits. Applikationsnote AN-2003 giver detaljerede oplysninger om AD7380's oversampling- og opløsningsforbedringsmuligheder.
Figur 4. Design af optimeret feedbacksystem
Konklusion
Motorstyringssystemer kræver højere præcision, hurtigere hastigheder og større miniaturisering. Optiske indkodere tjener som enheder til registrering af motorposition. Derfor skal den optiske encoder-signalkæde levere høj nøjagtighed ved måling af motorposition. Høj-hastighed, høj-gennemstrømnings-ADC'er fanger nøjagtigt information og sender motorpositionsdata til controlleren. AD7380's hastighed, tæthed og ydeevne opfylder industriens krav, samtidig med at den muliggør højere præcision i positionsfeedbacksystemer og optimerer systemimplementering.
Forfatter
Jonathan Colao