Den här artikeln tar upp vanliga utmaningar som designers inom industriell automation står inför när de utvecklar gränssnitt för positionsdetektering för motorstyrning-specifikt, detektering av position i applikationer som kräver högre hastigheter och mindre storlekar. Att använda information som fångas från kodare för att exakt mäta motorpositionen är avgörande för framgångsrik drift av automation och maskiner. Snabba,-högupplösta, dubbel-kanals synkron sampling analog-till-digitalomvandlare (ADC) är viktiga komponenter i sådana system.
Introduktion
Exakt motorrotationsinformation som position, hastighet och riktning är avgörande för att producera exakta enheter och styrenheter för nya applikationer, som monteringsmaskiner som monterar mikro-komponenter på PCB-områden med begränsat utrymme. Nyligen har motorstyrning börjat miniatyriseras, vilket möjliggör nya kirurgiska robotapplikationer inom sjukvårdsindustrin och nya drönarapplikationer inom flyg- och försvarsindustrin. Mindre motorstyrenheter driver också nya applikationer inom industriell och kommersiell montering. För designers ligger utmaningen i att möta de höga-precisionskraven för positionsåterkopplingssensorer i höghastighetsapplikationer samtidigt som alla komponenter integreras inom begränsat PCB-utrymme för installation i miniatyrpaket, som robotarmar.
Figur 1. Återkopplingssystem för sluten-slingamotorstyrning
Motorstyrning
Motorstyrslingan (som visas i figur 1) består i första hand av en motor, en styrenhet och ett lägesåterkopplingsgränssnitt. Motorn roterar axeln och driver robotarmen att röra sig därefter. Motorstyrningen hanterar när motorn applicerar kraft, när den stannar eller när den fortsätter att rotera. Positionsgränssnittet i slingan förser styrenheten med hastighets- och positionsinformation. För monteringsmaskiner som hanterar ytmonterade-miniatyrkort är dessa data avgörande för korrekt funktion. Alla dessa applikationer kräver noggrann positionsmätning av roterande föremål.
Positionssensorer måste ha extremt hög upplösning för att exakt detektera motoraxelns position, plocka upp motsvarande mikro-komponenter och placera dem på rätt ställen på kortet. Dessutom kräver högre motorhastigheter större loopbandbredd och lägre latens.
Positionsfeedbacksystem
I low{0}}applikationer kan positionsdetektering implementeras med hjälp av inkrementella sensorer och komparatorer. High-applikationer kräver dock mer komplexa signalkedjor. Dessa återkopplingssystem innehåller positionssensorer följt av analog front-signalbehandling, en ADC och en ADC-drivrutin. Data passerar genom dessa komponenter innan de går in i den digitala domänen. Den mest exakta positionssensorn är den optiska kodaren. En optisk kodare består av en LED-ljuskälla, en markerad skiva fäst på motoraxeln och en fotodetektor. Skivan har ogenomskinliga och transparenta maskerade områden som blockerar eller låter ljus passera. Fotodetektorn detekterar dessa ljussignaler och omvandlar på/av ljuspulserna till elektroniska signaler.
När skivan roterar genererar fotodetektorn (synkroniserad med skivans mönster) små sinus- och cosinussignaler (på mV- eller µV-nivån). Denna konfiguration är typisk för optiska kodare med absolut position. Dessa signaler går in i analoga signalkonditioneringskretsar (vanligtvis bestående av diskreta förstärkare eller analoga PGA:er för att erhålla signaler upp till 1 V topp-till-toppområde), vanligtvis för att matcha ADC-ingångsspänningsområdet med det maximala dynamiska området. Varje förstärkt sinus- och cosinussignal fångas sedan av drivförstärkaren hos en synkron samplings-ADC.
Varje kanal i ADC:n måste stödja synkron sampling för att erhålla sinus- och cosinusdatapunkter samtidigt, eftersom dessa kombinerade punkter tillhandahåller information om axelpositionen. ADC-konverteringsresultaten skickas till en ASIC eller mikrokontroller. Motorstyrenheten avfrågar kodarens position under varje PWM-cykel och använder dessa data för att driva motorn enligt mottagna kommandon. Tidigare, för att integreras i begränsat kortutrymme, var systemdesigners tvungna att offra antingen ADC-hastighet eller kanalantal.
Figur 2. System för positionsåterkoppling
Optimera positionsfeedback
I takt med att tekniken fortsätter att utvecklas, är motorstyrningsapplikationer som kräver hög-positionsdetektering ständigt innovativa. Upplösningen hos optiska kodare kan bestämmas av antalet fint fotolitografiska slitsar på skivan, vanligtvis från hundratals till tusentals. Genom att mata dessa sinus- och cosinussignaler till ADC:er med hög-hastighet och hög-prestanda kan kodare med högre upplösning skapas utan att systemändringar på kodardisken krävs. Till exempel, sampling av kodarens sinus- och cosinussignaler med en lägre hastighet fångar endast ett begränsat antal signalvärden, såsom illustreras i figur 3; detta begränsar noggrannheten hos positionskapacitansen. I figur 3 tillåter sampling med en högre hastighet med ADC:n insamling av mer detaljerade signalvärden, vilket möjliggör mer exakt positionsbestämning. ADC:s höghastighetssamplingshastighet stöder översampling, vilket ytterligare förbättrar brusprestandan och eliminerar vissa krav på digital efterbehandling.{11} Samtidigt kan ADC:ns utdatahastighet reduceras, vilket innebär att den stöder långsammare seriella frekvenssignaler, vilket förenklar det digitala gränssnittet. Motorpositionsåterkopplingssystem är monterade på motorenheten, som i vissa applikationer kan vara extremt kompakt. Därför är storleken avgörande för att montera kodarmodulen i det begränsade PCB-området som finns tillgängligt. Att integrera flera kanalkomponenter i ett enda miniatyrpaket ger betydande utrymmesbesparingar.
Figur 3. Samplingsfrekvens
Designexempel på optisk kodares positionsåterkoppling
Figur 4 illustrerar ett exempel på en optimerad lösning lämplig för optiska kodarpositionsåterkopplingssystem. Denna krets samverkar enkelt med optiska kodare av absolut-typ, och fångar sedan lätt de differentiella sinus- och cosinussignalerna från kodaren. ADA4940-2 front-förstärkare är en dubbel-kanal, låg-brus, helt differentialförstärkare som används för att driva AD7380. Den senare är en dubbel-kanal, 16-bitar, helt differentiell, 4 MSPS synkron sampling SAR ADC inrymd i ett kompakt 3 mm × 3 mm LFCSP-paket. Den på-chippet 2,5 V referensspänningskällan gör att denna krets kan implementeras med ett minimalt antal komponenter. ADC:s VCC och VDRIVE, tillsammans med förstärkarens försörjningsskenor, kan drivas av LDO-regulatorer som LT3023 och LT3032. När dessa referensdesigner är sammankopplade (t.ex. genom att använda en 1024-optisk kodare som genererar 1024 sinus- och cosinuscykler per kodardiskvarv), samplar 16-bitars AD7380 varje kodarplats över 216 koder, vilket ökar kodarens totala upplösning till 26 bitar. Genomströmningshastigheten på 4 MSPS säkerställer infångning av detaljerad sinus- och cosinuscykelinformation tillsammans med de senaste kodarpositionsdata. Denna höga genomströmning möjliggör implementering av översampling på chipet, vilket minskar tidsfördröjningen när den digitala ASIC eller mikrokontroller matar exakt kodarpositionsåterkoppling till motorn. En annan fördel med AD7380:s on-chip-översampling är möjligheten att lägga till ytterligare 2 bitars upplösning, som kan kombineras med funktionen för förbättring av upplösningen på chipet. Denna upplösningsförbättring förbättrar ytterligare noggrannhet och uppnår upp till 28 bitar. Applikationsnotering AN-2003 ger detaljerad information om AD7380:s översampling och upplösningsförbättringsmöjligheter.
Figur 4. Design av optimerat feedbacksystem
Slutsats
Motorstyrsystem kräver högre precision, högre hastigheter och större miniatyrisering. Optiska kodare fungerar som motorpositionsdetekteringsanordningar. Därför måste den optiska kodarsignalkedjan leverera hög noggrannhet vid mätning av motorposition. ADC:er med hög-hastighet och hög-genomströmning fångar information exakt och överför motorpositionsdata till styrenheten. AD7380:s hastighet, densitet och prestanda uppfyller industrikraven samtidigt som den möjliggör högre precision i positionsåterkopplingssystem och optimerar systemimplementeringen.
Författare
Jonathan Colao