Acest articol abordează provocările frecvente cu care se confruntă proiectanții din domeniul automatizării industriale atunci când dezvoltă interfețe de detectare a poziției pentru controlul motorului-în special, detectând poziția în aplicații care necesită viteze mai mari și dimensiuni mai mici. Utilizarea informațiilor capturate de la codificatoare pentru a măsura cu precizie poziția motorului este esențială pentru funcționarea cu succes a automatizării și a utilajelor. Convertoarele (ADC) rapide, de înaltă{3}}rezoluție, cu două-canaluri sincrone de eșantionare analog-în-digitale sunt componente esențiale ale unor astfel de sisteme.
Introducere
Informații precise despre rotația motorului, cum ar fi poziția, viteza și direcția, sunt esențiale pentru producerea de acționări și controlere precise pentru aplicații emergente, cum ar fi mașinile de asamblare care montează micro-componente pe zonele PCB cu spațiu limitat. Recent, controlul motorului a început să se miniaturizeze, permițând noi aplicații de robotică chirurgicală în industria sănătății și noi aplicații de drone în aerospațiu și apărare. Controlerele de motoare mai mici generează, de asemenea, noi aplicații în asamblarea industrială și comercială. Pentru proiectanți, provocarea constă în îndeplinirea cerințelor de înaltă-precizie ale senzorilor cu feedback de poziție în aplicații de-viteză mare, integrând în același timp toate componentele într-un spațiu limitat pentru PCB pentru instalare în pachetele miniaturale, cum ar fi brațele robotice.
Figura 1. Sistemul de feedback al controlului motorului cu buclă închisă-
Controlul motorului
Bucla de control al motorului (așa cum se arată în Figura 1) constă în principal dintr-un motor, un controler și o interfață de feedback de poziție. Motorul rotește arborele, conducând brațul robotizat să se miște în consecință. Controlerul motorului gestionează când motorul aplică forță, când se oprește sau când continuă să se rotească. Interfața de poziție din buclă oferă controlerului informații despre viteză și poziție. Pentru mașinile de asamblare care manipulează PCB-uri cu montare pe suprafață-miniaturale, aceste date sunt esențiale pentru funcționarea corectă. Toate aceste aplicații necesită măsurarea precisă a poziției obiectelor care se rotesc.
Senzorii de poziție trebuie să aibă o rezoluție extrem de mare pentru a detecta cu precizie poziția arborelui motor, pentru a prelua micro-componentele corespunzătoare și pentru a le plasa în locațiile corecte de pe placă. În plus, vitezele mai mari ale motorului necesită o lățime de bandă mai mare a buclei și o latență mai mică.
Sisteme de feedback de poziție
În aplicațiile de vârf-, detectarea poziției poate fi implementată folosind senzori și comparatori incrementali. Cu toate acestea, aplicațiile-de ultimă generație necesită lanțuri de semnal mai complexe. Aceste sisteme de feedback încorporează senzori de poziție urmați de condiționarea semnalului frontal-analogic, un ADC și un driver ADC. Datele trec prin aceste componente înainte de a intra în domeniul digital. Cel mai precis senzor de poziție este codificatorul optic. Un encoder optic constă dintr-o sursă de lumină LED, un disc marcat atașat la arborele motorului și un fotodetector. Discul are zone mascate opace și transparente care blochează sau permit luminii să treacă. Fotodetectorul detectează aceste semnale luminoase, transformând impulsurile luminoase pornit/oprit în semnale electronice.
Pe măsură ce discul se rotește, fotodetectorul (sincronizat cu modelul discului) generează semnale mici sinus și cosinus (la nivelul mV sau µV). Această configurație este tipică pentru codificatoarele optice de poziție absolută. Aceste semnale intră în circuitele de condiționare a semnalului analogic (de obicei compuse din amplificatoare discrete sau PGA-uri analogice pentru a obține semnale de până la 1 V interval de vârf-la-vârf), de obicei pentru a potrivi intervalul de tensiune de intrare ADC la intervalul dinamic maxim. Fiecare semnal sinus și cosinus amplificat este apoi captat de amplificatorul de antrenare al unui ADC de eșantionare sincron.
Fiecare canal al ADC trebuie să accepte eșantionarea sincronă pentru a obține puncte de date sinus și cosinus simultan, deoarece aceste puncte combinate oferă informații despre poziția axei. Rezultatele conversiei ADC sunt trimise la un ASIC sau microcontroler. Controlerul motorului verifică poziția codificatorului în timpul fiecărui ciclu PWM și utilizează aceste date pentru a conduce motorul conform comenzilor primite. În trecut, pentru a se integra într-un spațiu limitat pe placă, designerii de sisteme trebuiau să sacrifice fie viteza ADC, fie numărul de canale.
Figura 2. Sistemul de feedback de poziție
Optimizați feedback-ul de poziție
Pe măsură ce tehnologia continuă să avanseze, aplicațiile de control al motoarelor care necesită detectarea poziției de înaltă{0}}precizie sunt în permanență inovatoare. Rezoluția codificatoarelor optice poate fi determinată de numărul de sloturi fotolitografice fin de pe disc, de obicei variind de la sute la mii. Prin alimentarea acestor semnale sinus și cosinus în ADC-uri de-viteză mare,-performanțe ridicate, codificatoare cu rezoluție mai mare pot fi create fără a necesita modificări ale sistemului pe discul codificatorului. De exemplu, eșantionarea semnalelor sinus și cosinus ale codificatorului la o rată mai mică captează doar un număr limitat de valori ale semnalului, așa cum este ilustrat în Figura 3; aceasta limitează precizia capacității de poziție. În Figura 3, eșantionarea la o rată mai mare cu ADC permite achiziționarea unor valori mai detaliate ale semnalului, permițând determinarea mai precisă a poziției. Rata de eșantionare de mare viteză a-ADC-ului acceptă supraeșantionarea, îmbunătățind și mai mult performanța de zgomot și eliminând anumite cerințe de post-procesare digitală. Simultan, rata de ieșire a datelor ADC poate fi redusă, ceea ce înseamnă că acceptă semnale de frecvență serială mai lente, simplificând astfel interfața digitală. Sistemele de feedback privind poziția motorului sunt montate pe ansamblul motor, care în unele aplicații poate fi extrem de compact. Prin urmare, dimensiunea este critică pentru montarea modulului codificatorului în zona limitată de PCB disponibilă. Integrarea componentelor cu canale multiple într-un singur pachet miniatural oferă economii semnificative de spațiu.
Figura 3. Rata de eșantionare
Exemplu de proiectare de feedback de poziție a codificatorului optic
Figura 4 ilustrează un exemplu de soluție optimizată adecvată pentru sistemele de feedback de poziție a codificatorului optic. Acest circuit se interfață cu ușurință cu codificatoare optice de tip absolut-, apoi captează cu ușurință semnalele diferențiale sinus și cosinus de la encoder. Amplificatorul front-end ADA4940-2 front- este un amplificator dublu-canal, cu zgomot redus-, complet diferenţial utilizat pentru a conduce AD7380. Acesta din urmă este un canal dublu-, 16-biți, complet diferențial, 4 MSPS de eșantionare sincronă SAR ADC găzduit într-un pachet compact LFCSP de 3 mm × 3 mm. Sursa de tensiune de referință de 2,5 V pe-cip permite implementarea acestui circuit cu un număr minim de componente. VCC și VDRIVE ale ADC, împreună cu șinele de alimentare ale driverului amplificatorului, pot fi alimentate de regulatoare LDO, cum ar fi LT3023 și LT3032. Când aceste modele de referință sunt interconectate (de exemplu, folosind un codificator optic cu 1024-slot care generează 1024 de cicluri sinus și cosinus pe rotația discului codificatorului), AD7380 pe 16 biți prelevează fiecare slot de codificator în 216 coduri, crescând rezoluția globală a codificatorului la 26 de biți. Rata de transfer de 4 MSPS asigură captarea informațiilor detaliate despre ciclul sinus și cosinus, împreună cu cele mai recente date de poziție a codificatorului. Acest debit mare permite implementarea supraeșantionării pe cip, reducând întârzierea când ASIC-ul digital sau microcontrolerul furnizează motorului feedback precis de poziție a codificatorului. Un alt beneficiu al supraeșantionării pe cip a AD7380 este potențialul de a adăuga 2 biți suplimentari de rezoluție, care poate fi combinat cu caracteristica de îmbunătățire a rezoluției pe cip. Această îmbunătățire a rezoluției îmbunătățește și mai mult acuratețea, atingând până la 28 de biți. Notă de aplicație AN-2003 oferă informații detaliate despre supraeșantionarea și capabilitățile de îmbunătățire a rezoluției AD7380.
Figura 4. Proiectarea sistemului de feedback optimizat
Concluzie
Sistemele de control al motoarelor necesită o precizie mai mare, viteze mai mari și o miniaturizare mai mare. Codificatoarele optice servesc ca dispozitive de detectare a poziției motorului. Prin urmare, lanțul de semnal al codificatorului optic trebuie să ofere o precizie ridicată la măsurarea poziției motorului. ADC-urile-de mare-viteză,-performanță ridicată captează informații cu precizie și transmit date despre poziția motorului către controler. Viteza, densitatea și performanța AD7380 îndeplinesc cerințele industriei, permițând în același timp o precizie mai mare în sistemele de feedback de poziție și optimizând implementarea sistemului.
Autor
Jonathan Colao