Овај чланак се бави уобичајеним изазовима са којима се суочавају дизајнери у области индустријске аутоматизације када развијају интерфејсе за детекцију положаја за контролу мотора-посебно, откривање положаја у апликацијама које захтевају веће брзине и мање величине. Коришћење информација прикупљених од енкодера за прецизно мерење положаја мотора је критично за успешан рад аутоматизације и машина. Брзи аналогни-на{3}}дигитални претварачи (АДЦ) са синхроним узорковањем са два канала-високе резолуције (АДЦ) су суштинске компоненте таквих система.
Увод
Тачне информације о ротацији мотора као што су положај, брзина и правац су од суштинског значаја за производњу прецизних погона и контролера за нове апликације, као што су машине за склапање које монтирају микро{0}}компоненте на ПЦБ области са ограниченим простором. Недавно је контрола мотора почела да се минијатуризује, омогућавајући нове примене хируршке роботике у здравственој индустрији и нове апликације дронова у ваздухопловству и одбрани. Мањи контролери мотора такође покрећу нове примене у индустријској и комерцијалној монтажи. За дизајнере, изазов лежи у испуњавању захтева високе{4}}прецизности сензора за повратну информацију о положају у апликацијама великих-брзина уз интегрисање свих компоненти унутар ограниченог ПЦБ простора за инсталацију унутар минијатурних пакета, као што су роботске руке.
Слика 1. Затворени-Систем повратне информације о контроли мотора
Мотор Цонтрол
Управљачка петља мотора (као што је приказано на слици 1) се првенствено састоји од мотора, контролера и интерфејса за повратну информацију о положају. Мотор ротира осовину, покрећући роботску руку да се креће у складу са тим. Контролер мотора управља када мотор примени силу, када се заустави или када настави да ротира. Интерфејс положаја унутар петље обезбеђује контролеру информације о брзини и положају. За машине за склапање које рукују минијатурним штампаним плочама за{5}}уградњу на површину, ови подаци су критични за правилан рад. Све ове апликације захтевају прецизно мерење положаја ротирајућих објеката.
Сензори положаја морају да поседују изузетно високу резолуцију да би прецизно открили положај осовине мотора, покупили одговарајуће микро{0}}компоненте и поставили их на исправне локације на плочи. Поред тога, веће брзине мотора захтевају већи пропусни опсег петље и мање кашњење.
Системи за повратне информације о позицији
У нижим{0}} апликацијама, откривање положаја може да се примени помоћу инкременталних сензора и компаратора. Међутим,-апликације високе класе захтевају сложеније сигналне ланце. Ови системи повратних информација укључују сензоре положаја праћене аналогним предњим{4}}кондиционирањем сигнала, АДЦ и АДЦ драјвером. Подаци пролазе кроз ове компоненте пре него што уђу у дигитални домен. Најпрецизнији сензор положаја је оптички енкодер. Оптички енкодер се састоји од ЛЕД извора светлости, обележеног диска причвршћеног на осовину мотора и фотодетектора. Диск има непрозирне и провидне маскиране области које блокирају или пропуштају светлост. Фотодетектор детектује ове светлосне сигнале, претварајући светлосне импулсе за укључивање/искључивање у електронске сигнале.
Како се диск ротира, фотодетектор (синхронизован са шаблоном диска) генерише мале синусне и косинусне сигнале (на нивоу мВ или µВ). Ова конфигурација је типична за оптичке енкодере апсолутног положаја. Ови сигнали улазе у кола за кондиционирање аналогног сигнала (обично се састоје од дискретних појачала или аналогних ПГА за добијање сигнала до 1 В вршног-до-опсега), обично да би се ускладио опсег улазног напона АДЦ-а са максималним динамичким опсегом. Сваки појачани синусни и косинусни сигнал се затим хвата од стране погонског појачавача АДЦ-а за синхрони узорковање.
Сваки канал АДЦ-а мора да подржава синхроно узорковање да би се добиле синусне и косинусне тачке података истовремено, пошто ове комбиноване тачке дају информације о положају осе. Резултати АДЦ конверзије се шаљу у АСИЦ или микроконтролер. Контролер мотора испитује позицију енкодера током сваког ПВМ циклуса и користи ове податке за покретање мотора према примљеним командама. У прошлости, да би се интегрисали у ограничен простор на плочи, дизајнери система су морали да жртвују или брзину АДЦ-а или број канала.
Слика 2. Систем за повратне информације о позицији
Оптимизујте повратне информације о позицији
Како технологија наставља да напредује, апликације за контролу мотора које захтевају високо{0}}прецизно откривање положаја непрестано се иновирају. Резолуција оптичких енкодера може бити одређена бројем фино фотолитографисаних слотова на диску, који се обично креће од стотина до хиљада. Уношењем ових синусних и косинусних сигнала у АДЦ велике-брзе, високих{4}}перформанси, кодери са вишом резолуцијом се могу креирати без потребе за системским променама на диску енкодера. На пример, узорковање синусних и косинусних сигнала енкодера нижом брзином хвата само ограничен број вредности сигнала, као што је илустровано на слици 3; ово ограничава тачност позиционог капацитета. На слици 3, узорковање са вишом брзином са АДЦ-ом омогућава стицање детаљнијих вредности сигнала, омогућавајући прецизније одређивање положаја. Велика{10}}брзина узорковања АДЦ-а подржава предузорковање, додатно побољшавајући перформансе шума и елиминишући неке захтеве за дигиталну накнадну{11}}обраду. Истовремено, излазна брзина података АДЦ-а се може смањити, што значи да подржава спорије сигнале серијске фреквенције, чиме се поједностављује дигитални интерфејс. Системи повратних информација о положају мотора су монтирани на склоп мотора, који у неким применама може бити изузетно компактан. Због тога је величина критична за уградњу модула енкодера у ограничено подручје ПЦБ-а. Интегрисање вишеканалних компоненти у оквиру једног минијатурног пакета нуди значајну уштеду простора.
Слика 3. Брзина узорковања
Пример дизајна повратне информације о позицији оптичког енкодера
Слика 4 илуструје пример оптимизованог решења погодног за системе са повратном спрегом положаја оптичког енкодера. Ово коло лако се повезује са оптичким кодерима апсолутног-типа, а затим лако хвата диференцијалне синусне и косинусне сигнале из енкодера. АДА4940-2 предња-појачало је двоканално-ниско-у потпуности диференцијално појачало које се користи за погон АД7380. Последњи је двоканални-канални, 16-битни, потпуно диференцијални, 4 МСПС синхрони САР АДЦ за узорковање смештен у компактном ЛФЦСП пакету од 3 мм × 3 мм. Извор референтног напона на -чипу од 2,5 В омогућава да се ово коло имплементира са минималним бројем компоненти. ВЦЦ и ВДРИВЕ АДЦ-а, заједно са шинама за напајање драјвера појачала, могу се напајати ЛДО регулаторима као што су ЛТ3023 и ЛТ3032. Када су ови референтни дизајни међусобно повезани (нпр. коришћењем оптичког енкодера 1024-слота који генерише 1024 синусних и косинусних циклуса по обртају диска енкодера), 16-битни АД7380 узоркује сваки слот енкодера преко 216 кодова, повећавајући укупну резолуцију енкодера на 26 бита. Брзина протока од 4 МСПС обезбеђује хватање детаљних информација о синусном и косинусном циклусу заједно са најновијим подацима о позицији енкодера. Ова висока пропусност омогућава имплементацију прекомерног узорковања на чипу, смањујући временско кашњење када дигитални АСИЦ или микроконтролер доводе прецизну повратну информацију о позицији енкодера мотору. Још једна предност предузорковања на чипу АД7380 је могућност додавања додатних 2 бита резолуције, која се може комбиновати са функцијом побољшања резолуције на чипу. Ово побољшање резолуције додатно побољшава прецизност, постижући до 28 бита. Напомена о примени АН-2003 пружа детаљне информације о могућностима предузорковања и побољшања резолуције АД7380.
Слика 4. Дизајн оптимизованог система повратних информација
Закључак
Системи управљања моторима захтевају већу прецизност, веће брзине и већу минијатуризацију. Оптички енкодери служе као уређаји за детекцију положаја мотора. Због тога сигнални ланац оптичког енкодера мора да пружи високу тачност приликом мерења положаја мотора. АДЦ-ови велике{3}}брзине и велике{4} пропусности прецизно хватају информације и преносе податке о положају мотора до контролера. Брзина, густина и перформансе АД7380 задовољавају индустријске захтеве док омогућавају већу прецизност у системима повратне информације о положају и оптимизују имплементацију система.
Аутор
Јонатхан Цолао