Ez a cikk azokkal a gyakori kihívásokkal foglalkozik, amelyekkel az ipari automatizálás területén a tervezők szembesülnek, amikor pozícióérzékelő interfészeket fejlesztenek ki a motorvezérléshez-, különösen a nagyobb sebességet és kisebb méretet igénylő alkalmazásokban. A kódolókból származó információk felhasználása a motor helyzetének pontos mérésére kritikus fontosságú az automatizálás és a gépek sikeres működéséhez. A gyors, nagy-felbontású, két-csatornás szinkron mintavételezésű analóg---digitális konverterek (ADC-k) az ilyen rendszerek alapvető összetevői.
Bevezetés
A pontos motorforgási információk, mint például a pozíció, a sebesség és az irány, elengedhetetlenek a precíz hajtások és vezérlők előállításához újonnan megjelenő alkalmazásokhoz, például olyan összeszerelő gépekhez, amelyek mikro{0}}alkatrészeket szerelnek fel korlátozott helyű PCB-területekre. A közelmúltban a motorvezérlés elkezdett miniatürizálódni, ami új sebészeti robotikai alkalmazásokat tesz lehetővé az egészségügyi iparban és új drónalkalmazásokat a repülésben és a védelemben. A kisebb motorvezérlők az ipari és kereskedelmi összeszerelésben is új alkalmazásokhoz vezetnek. A tervezők számára a kihívás abban rejlik, hogy megfeleljenek a helyzet-visszacsatoló érzékelőkkel szemben támasztott nagy-precíziós követelményeknek a nagy sebességű-alkalmazásokban, miközben az összes komponenst integrálják a korlátozott PCB-területen belüli miniatűr csomagokba, például robotkarokba.
1. ábra: Zárt-hurkú motorvezérlő visszacsatoló rendszer
Motorvezérlés
A motorvezérlő hurok (az 1. ábrán látható módon) elsősorban egy motorból, egy vezérlőből és egy pozíció-visszacsatoló interfészből áll. A motor forgatja a tengelyt, és a robotkart ennek megfelelően mozgatja. A motorvezérlő kezeli, hogy a motor mikor fejt ki erőt, mikor áll le, vagy mikor forog tovább. A hurkon belüli pozíció interfész sebesség- és helyzetinformációkat biztosít a vezérlő számára. A miniatűr felületre szerelt nyomtatott áramköri lapokat{5}}kezelő összeszerelő gépeknél ezek az adatok kritikusak a megfelelő működéshez. Ezek az alkalmazások mindegyike megköveteli a forgó objektumok pontos helyzetmérését.
A helyzetérzékelőknek rendkívül nagy felbontással kell rendelkezniük ahhoz, hogy pontosan érzékeljék a motor tengelyének helyzetét, felvegyék a megfelelő mikro{0}}komponenseket, és a megfelelő helyekre helyezzék el őket a táblán. Ezenkívül a nagyobb motorsebesség nagyobb huroksávszélességet és alacsonyabb késleltetést igényel.
Pozíció-visszacsatoló rendszerek
Az alacsony kategóriás{0}}alkalmazásokban a helyzetérzékelés növekményes érzékelők és komparátorok segítségével valósítható meg. A csúcskategóriás-alkalmazások azonban bonyolultabb jelláncokat igényelnek. Ezek a visszacsatoló rendszerek helyzetérzékelőket tartalmaznak, majd analóg elülső{4}}jelkondicionálást, egy ADC-t és egy ADC-illesztőprogramot. Az adatok áthaladnak ezeken az összetevőkön, mielőtt belépnek a digitális tartományba. A legpontosabb helyzetérzékelő az optikai kódoló. Az optikai kódoló egy LED-es fényforrásból, egy, a motor tengelyére erősített lemezből és egy fotodetektorból áll. A lemezen átlátszatlan és átlátszó maszkolt területek találhatók, amelyek blokkolják vagy átengedik a fényt. A fotodetektor érzékeli ezeket a fényjeleket, és a be/ki fényimpulzusokat elektronikus jelekké alakítja.
Ahogy a lemez forog, a fotodetektor (a lemez mintájával szinkronizálva) kis szinuszos és koszinuszjeleket generál (mV vagy µV szinten). Ez a konfiguráció jellemző az abszolút helyzetű optikai kódolókra. Ezek a jelek az analóg jelkondicionáló áramkörökbe jutnak (amelyek általában diszkrét erősítőkből vagy analóg PGA-kból állnak, hogy 1 V-os csúcs--csúcs--ig terjedő jeleket kapjanak), általában azért, hogy az ADC bemeneti feszültségtartományát a maximális dinamikatartományhoz igazítsák. Ezután minden egyes felerősített szinuszos és koszinuszjelet egy szinkron mintavevő ADC meghajtó erősítője rögzít.
Az ADC minden csatornájának támogatnia kell a szinkron mintavételezést a szinusz és a koszinusz adatpontok egyidejű megszerzéséhez, mivel ezek a kombinált pontok adják a tengelypozíció információit. Az ADC átalakítás eredményeit ASIC-re vagy mikrokontrollerre küldik. A motorvezérlő minden PWM ciklus alatt lekérdezi a jeladó pozícióját, és ezen adatok alapján hajtja a motort a kapott parancsoknak megfelelően. Korábban a korlátozott kártyaterületbe való integráláshoz a rendszertervezőknek fel kellett áldozniuk az ADC sebességét vagy a csatornaszámot.
2. ábra: Pozíció-visszajelző rendszer
A pozíció visszajelzés optimalizálása
Ahogy a technológia folyamatosan fejlődik, a nagy pontosságú pozícióérzékelést igénylő motorvezérlő alkalmazások folyamatosan újítások tárgyát képezik. Az optikai kódolók felbontását a lemezen található finoman fotolitografált nyílások száma határozhatja meg, amelyek jellemzően száztól ezerig terjednek. Ha ezeket a szinusz- és koszinuszjeleket nagy-sebességű, nagy -teljesítményű ADC-kbe táplálja, nagyobb felbontású kódolók hozhatók létre anélkül, hogy rendszermódosítást kellene végezni a kódolólemezen. Például a kódoló szinusz- és koszinuszjeleinek kisebb sebességgel történő mintavételezése csak korlátozott számú jelértéket rögzít, amint azt a 3. ábra szemlélteti; ez korlátozza a pozíciókapacitás pontosságát. A 3. ábrán az ADC-vel nagyobb sebességű mintavételezés részletesebb jelértékek beszerzését teszi lehetővé, így pontosabb helyzetmeghatározást tesz lehetővé. Az ADC nagy sebességű{10}}mintavételezési gyakorisága támogatja a túlmintavételezést, tovább javítva a zajteljesítményt, és kiküszöböli a digitális utófeldolgozási{11}}követelményeket. Ezzel egyidejűleg az ADC kimeneti adatsebessége csökkenthető, vagyis támogatja a lassabb soros frekvenciájú jeleket, ezzel egyszerűsítve a digitális interfészt. A motorhelyzet-visszacsatoló rendszerek a motorszerelvényre vannak felszerelve, amely egyes alkalmazásokban rendkívül kompakt lehet. Ezért a méret kritikus fontosságú a kódoló modulnak a rendelkezésre álló korlátozott PCB területre való beillesztéséhez. Több csatornaelem egyetlen miniatűr csomagba történő integrálása jelentős helymegtakarítást tesz lehetővé.
3. ábra: Mintavételi sebesség
Tervezési példa az optikai kódoló pozíció visszajelzésére
A 4. ábra egy optimalizált megoldást mutat be, amely alkalmas optikai kódoló helyzet-visszacsatoló rendszerekhez. Ez az áramkör könnyen csatlakozik az abszolút -típusú optikai kódolókhoz, majd könnyedén rögzíti a differenciális szinuszos és koszinuszjeleket a kódolótól. Az ADA4940-2 előlapi-erősítő egy két-csatornás, alacsony-zajú, teljesen differenciális erősítő, amelyet az AD7380 meghajtására használnak. Ez utóbbi egy két-csatornás, 16-bites, teljesen differenciált, 4 MSPS szinkron mintavételező SAR ADC, amely egy kompakt, 3 mm × 3 mm-es LFCSP-csomagban található. Az on-chip 2,5 V-os referenciafeszültség-forrása lehetővé teszi ennek az áramkörnek a megvalósítását minimális számú komponenssel. Az ADC VCC és VDRIVE, valamint az erősítő meghajtó tápsínjeit LDO szabályozók, például LT3023 és LT3032 táplálhatják. Ha ezeket a referenciaterveket összekapcsolják (pl. egy 1024-résű optikai kódoló használatával, amely 1024 szinuszos és koszinuszos ciklust generál kódolólemez fordulatszámonként), a 16 bites AD7380 minden kódolóhelyet 216 kódon keresztül mintavételez, így a kódoló teljes felbontása 26 bitesre nő. A 4 MSPS átviteli sebesség biztosítja a részletes szinusz- és koszinuszciklus-információk rögzítését, valamint a legfrissebb kódoló pozícióadatokat. Ez a nagy áteresztőképesség lehetővé teszi a chipen belüli túlmintavételezést, csökkentve az időkésleltetést, amikor a digitális ASIC vagy mikrokontroller precíz kódolóhelyzet-visszajelzést ad a motornak. Az AD7380 chipen belüli túlmintavételezésének másik előnye, hogy további 2 bit felbontást adhat hozzá, ami kombinálható a chipen belüli felbontásnövelő funkcióval. Ez a felbontásnövelés tovább javítja a pontosságot, akár 28 bitet is elérhet. Alkalmazási megjegyzés Az AN-2003 részletes információkat tartalmaz az AD7380 túlmintavételezési és felbontásnövelési képességeiről.
4. ábra: Optimalizált visszacsatoló rendszer kialakítása
Következtetés
A motorvezérlő rendszerek nagyobb pontosságot, nagyobb sebességet és nagyobb miniatürizálást igényelnek. Az optikai kódolók motorhelyzet-érzékelő eszközként szolgálnak. Ezért az optikai kódoló jelláncának nagy pontosságot kell biztosítania a motor helyzetének mérésekor. A nagy-sebességű, nagy-áteresztőképességű ADC-k pontosan rögzítik az információkat, és továbbítják a motor helyzetadatait a vezérlőnek. Az AD7380 sebessége, sűrűsége és teljesítménye megfelel az iparág követelményeinek, miközben nagyobb pontosságot tesz lehetővé a helyzet-visszacsatoló rendszerekben és optimalizálja a rendszer megvalósítását.
Szerző
Jonathan Colao