В этой статье рассматриваются общие проблемы, с которыми сталкиваются разработчики в области промышленной автоматизации при разработке интерфейсов определения положения для управления двигателем-, в частности, определения положения в приложениях, требующих более высоких скоростей и меньших размеров. Использование информации, полученной от энкодеров, для точного измерения положения двигателя имеет решающее значение для успешной работы систем автоматизации и оборудования. Быстрые двух-аналоговые-в-цифровые преобразователи (АЦП) с высоким-разрешением являются важными компонентами таких систем.
Введение
Точная информация о вращении двигателя, такая как положение, скорость и направление, важна для производства точных приводов и контроллеров для новых приложений, таких как сборочные машины, которые монтируют микро-компоненты на участки печатной платы с ограниченным пространством. В последнее время управление двигателем начало миниатюризироваться, что открывает новые возможности применения хирургической робототехники в отрасли здравоохранения и новые применения дронов в аэрокосмической и оборонной сферах. Контроллеры двигателей меньшего размера также находят новые применения в промышленной и коммерческой сборке. Задача разработчиков заключается в том, чтобы удовлетворить требования высокой-точности датчиков обратной связи по положению в высокоскоростных-приложениях, одновременно интегрируя все компоненты в ограниченном пространстве печатной платы для установки внутри миниатюрных корпусов, таких как роботизированные манипуляторы.
Рис. 1. Замкнутая-система обратной связи управления двигателем.
Управление двигателем
Контур управления двигателем (как показано на рисунке 1) в основном состоит из двигателя, контроллера и интерфейса обратной связи по положению. Двигатель вращает вал, заставляя роботизированную руку двигаться соответствующим образом. Контроллер двигателя управляет моментом приложения силы двигателем, остановкой или продолжением вращения. Интерфейс положения внутри контура предоставляет контроллеру информацию о скорости и положении. Для сборочных машин, работающих с миниатюрными печатными платами поверхностного-монтажа, эти данные имеют решающее значение для правильной работы. Все эти приложения требуют точного измерения положения вращающихся объектов.
Датчики положения должны обладать чрезвычайно высоким разрешением, чтобы точно определять положение вала двигателя, улавливать соответствующие микро-компоненты и размещать их в нужных местах на плате. Кроме того, более высокие скорости двигателя требуют большей пропускной способности контура и меньшей задержки.
Системы обратной связи по положению
В приложениях низкого уровня-обнаружение положения может быть реализовано с использованием инкрементальных датчиков и компараторов. Однако высокопроизводительные-приложения требуют более сложных цепочек сигналов. Эти системы обратной связи включают в себя датчики положения, за которыми следуют аналоговые входные-преобразователи сигнала, АЦП и драйвер АЦП. Данные проходят через эти компоненты, прежде чем попасть в цифровую среду. Самым точным датчиком положения является оптический энкодер. Оптический энкодер состоит из светодиодного источника света, маркированного диска, прикрепленного к валу двигателя, и фотодетектора. На диске есть непрозрачные и прозрачные замаскированные области, которые блокируют или пропускают свет. Фотодетектор обнаруживает эти световые сигналы, преобразуя световые импульсы включения/выключения в электронные сигналы.
Когда диск вращается, фотодетектор (синхронизированный с рисунком диска) генерирует небольшие синусоидальные и косинусоидальные сигналы (на уровне мВ или мкВ). Эта конфигурация типична для оптических энкодеров абсолютного положения. Эти сигналы поступают в схемы формирования аналогового сигнала (обычно состоящие из дискретных усилителей или аналоговых PGA для получения сигналов с пиковым напряжением до 1 В-до-пикового диапазона), как правило, для согласования диапазона входного напряжения АЦП с максимальным динамическим диапазоном. Каждый усиленный синусоидальный и косинусоидальный сигнал затем захватывается усилителем возбуждения АЦП с синхронной выборкой.
Каждый канал АЦП должен поддерживать синхронную выборку для одновременного получения точек синусоидальных и косинусоидальных данных, поскольку эти объединенные точки предоставляют информацию о положении оси. Результаты преобразования АЦП отправляются на ASIC или микроконтроллер. Контроллер двигателя опрашивает положение энкодера во время каждого цикла ШИМ и использует эти данные для управления двигателем в соответствии с полученными командами. Раньше для интеграции в ограниченное пространство платы разработчикам систем приходилось жертвовать либо скоростью АЦП, либо количеством каналов.
Рисунок 2. Система обратной связи по положению
Оптимизация обратной связи по положению
По мере развития технологий приложения для управления двигателями, требующие высокоточного-определения положения, постоянно обновляются. Разрешение оптических кодеров может определяться количеством тщательно фотолитографированных прорезей на диске, обычно от сотен до тысяч. Подавая эти синусоидальные и косинусоидальные сигналы в высокоскоростные-быстродействующие и-производительные АЦП, можно создавать энкодеры с более высоким разрешением, не требуя внесения изменений в систему диска энкодера. Например, выборка синусоидальных и косинусоидальных сигналов кодера с более низкой частотой захватывает только ограниченное количество значений сигнала, как показано на рисунке 3; это ограничивает точность определения емкости. На рисунке 3 более высокая частота дискретизации с помощью АЦП позволяет получить более подробные значения сигнала, что позволяет более точно определить положение. Высокая-частота дискретизации АЦП поддерживает передискретизацию, дополнительно улучшая шумовые характеристики и устраняя некоторые требования к цифровой пост-обработке. Одновременно можно снизить скорость выходных данных АЦП, что означает, что он поддерживает более медленные сигналы последовательной частоты, тем самым упрощая цифровой интерфейс. Системы обратной связи по положению двигателя монтируются на блоке двигателя, который в некоторых случаях может быть чрезвычайно компактным. Поэтому размер имеет решающее значение для размещения модуля энкодера на ограниченной доступной площади печатной платы. Объединение нескольких канальных компонентов в одном миниатюрном корпусе обеспечивает значительную экономию места.
Рисунок 3. Частота выборки
Пример конструкции обратной связи по положению оптического энкодера
На рисунке 4 показан пример оптимизированного решения, подходящего для систем обратной связи по положению оптического энкодера. Эта схема легко взаимодействует с оптическими энкодерами абсолютного-типа, а затем легко захватывает дифференциальные синусоидальные и косинусоидальные сигналы от энкодера. Входной-усилитель ADA4940-2 представляет собой двух-канальный малошумящий-полностью дифференциальный усилитель, используемый для управления AD7380. Последний представляет собой двухканальный, 16-разрядный, полностью дифференциальный АЦП SAR с синхронной выборкой 4 MSPS, размещенный в компактном корпусе LFCSP размером 3 × 3 мм. Встроенный источник опорного напряжения 2,5 В позволяет реализовать эту схему с минимальным количеством компонентов. VCC и VDRIVE АЦП, а также шины питания драйвера усилителя могут питаться от LDO-регуляторов, таких как LT3023 и LT3032. Когда эти эталонные конструкции соединены между собой (например, с использованием оптического кодера с 1024-слотами, генерирующего 1024 синусоидальных и косинусоидальных цикла за один оборот диска кодера), 16-разрядный AD7380 производит выборку каждого слота кодера по 216 кодам, увеличивая общее разрешение кодера до 26 бит. Пропускная способность 4 MSPS обеспечивает сбор подробной информации о синусоидальных и косинусоидальных циклах, а также последних данных о положении энкодера. Такая высокая пропускная способность позволяет реализовать встроенную передискретизацию, уменьшая временную задержку, когда цифровой ASIC или микроконтроллер подает точную обратную связь о положении энкодера на двигатель. Еще одним преимуществом встроенной передискретизации AD7380 является возможность добавления дополнительных 2 бит разрешения, которые можно комбинировать с встроенной функцией повышения разрешения. Такое повышение разрешения еще больше повышает точность, достигая 28 бит. Замечания по применению AN-2003 предоставляет подробную информацию о возможностях AD7380 по передискретизации и повышению разрешения.
Рисунок 4. Оптимизированная конструкция системы обратной связи
Заключение
Системы управления двигателями требуют более высокой точности, более высоких скоростей и большей миниатюризации. Оптические энкодеры служат устройствами определения положения двигателя. Следовательно, сигнальная цепь оптического энкодера должна обеспечивать высокую точность измерения положения двигателя. Высокоскоростные-АЦП с высокой-пропускной способностью точно собирают информацию и передают данные о положении двигателя на контроллер. Скорость, плотность и производительность AD7380 соответствуют отраслевым требованиям, обеспечивая при этом более высокую точность систем обратной связи по положению и оптимизируя внедрение системы.
Автор
Джонатан Колао