摘要

　　本文介紹工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)用于電機(jī)控制的位置檢測(cè)接口時(shí)面臨的常見問題，即：能在速度更快,、尺寸更小的應(yīng)用中檢測(cè)位置。利用從編碼器捕獲的信息以便精確測(cè)量電機(jī)位置對(duì)于自動(dòng)化和機(jī)器設(shè)備的成功運(yùn)行很重要,?？焖佟⒏叻直媛?、雙通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是此系統(tǒng)的重要組件,。

　　簡(jiǎn)介

　　位置、速度和方向之類的電機(jī)旋轉(zhuǎn)信息必須準(zhǔn)確,，以為各種新興應(yīng)用生產(chǎn)精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器和控制器,，例如，將微型組件裝配到空間有限的PCB區(qū)域中的裝配機(jī)器,。近來,，電機(jī)控制開始走向微型化，使得醫(yī)療健康行業(yè)出現(xiàn)新的外科手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用,，航空航天和防務(wù)領(lǐng)域出現(xiàn)新無(wú)人機(jī)應(yīng)用,。體積更小的電機(jī)控制器還導(dǎo)致工業(yè)和商業(yè)裝配領(lǐng)域涌現(xiàn)新的應(yīng)用。對(duì)設(shè)計(jì)人員而言,，挑戰(zhàn)在于：滿足高速應(yīng)用中的位置反饋傳感器的高精度要求,，同時(shí)將所有組件集成到有限的PCB區(qū)域內(nèi)，以安裝到微型封裝內(nèi)部,，例如機(jī)械手臂,。

　　圖1.閉環(huán)電機(jī)控制反饋系統(tǒng)

　　電機(jī)控制

　　電機(jī)控制環(huán)路（如圖1所示）主要由電機(jī)、控制器和位置反饋接口組成,。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸,，帶動(dòng)機(jī)械手臂跟著移動(dòng)。電機(jī)控制器管控電機(jī)何時(shí)施加力道,、何時(shí)停止,，或者繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。環(huán)路中的位置接口向控制器提供轉(zhuǎn)速和位置信息,。對(duì)于裝配微型表貼PCB的裝配機(jī)器來說,，這些數(shù)據(jù)是其正常運(yùn)行的關(guān)鍵,。這些應(yīng)用都需要獲取關(guān)于旋轉(zhuǎn)對(duì)象的準(zhǔn)確位置測(cè)量信息。

　　位置傳感器的分辨率必須非常高,，足以準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)軸的位置,，拿取對(duì)應(yīng)的微型組件，并將組件放置到板上的對(duì)應(yīng)位置,。此外,，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，所需的環(huán)路帶寬越高,，延遲越低,。

　　位置反饋系統(tǒng)

　　在低端應(yīng)用中，使用增量傳感器和比較器可能就能夠?qū)嵤┪恢脵z測(cè),，但在高端應(yīng)用中,，則需要更加復(fù)雜的信號(hào)鏈。這些反饋系統(tǒng)包含位置傳感器,，之后是模擬前端信號(hào)調(diào)理,、ADC，以及ADC驅(qū)動(dòng)器,，數(shù)據(jù)先經(jīng)過它們,，之后再進(jìn)入數(shù)字域。其中最精確的位置傳感器就是光學(xué)編碼器,。光學(xué)編碼器由LED光源,、連接到電機(jī)軸的標(biāo)記圓盤和光電探測(cè)器組成。圓盤包含不透明和透明的掩碼區(qū)域,，可以阻隔光線或讓光線通過,。光電探測(cè)器檢測(cè)這些光線，開/關(guān)光信號(hào)則轉(zhuǎn)換為電子信號(hào),。

　　隨著圓盤轉(zhuǎn)動(dòng),，光電探測(cè)器（與圓盤的模式配合）生成小的正弦和余弦信號(hào)（mV或？V等級(jí)）,。這種系統(tǒng)是絕對(duì)位置光學(xué)編碼器采用的典型系統(tǒng),。這些信號(hào)進(jìn)入模擬信號(hào)調(diào)理電路（一般由分立式放大器或模擬PGA組成，用于獲取高達(dá)1 V峰峰值范圍的信號(hào)）,，通常是為了讓ADC輸入電壓范圍匹配最大動(dòng)態(tài)范圍,。每個(gè)放大的正弦和余弦信號(hào)之后都被同步采樣ADC的驅(qū)動(dòng)放大器捕捉。

　　ADC的每個(gè)通道都必須支持同步采樣,，以便同時(shí)獲取正弦和余弦數(shù)據(jù)點(diǎn),，由這些數(shù)據(jù)點(diǎn)組合提供軸的位置信息。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)發(fā)送給ASIC或微控制器,。電機(jī)控制器在每個(gè)PWM周期中查詢編碼器位置,，然后根據(jù)接收的指令使用該數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)電機(jī),。過去，為了集成到有限的板空間中,，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須犧牲ADC速度或通道數(shù),。

　　圖2.位置反饋系統(tǒng)

　　優(yōu)化位置反饋

　　隨著技術(shù)不斷發(fā)展，導(dǎo)致需要實(shí)施高精度位置檢測(cè)的電機(jī)控制應(yīng)用不斷創(chuàng)新,。光學(xué)編碼器的分辨率可能由圓盤上精細(xì)光刻的槽數(shù)決定,，通常有幾百或幾千個(gè)。將這些正弦和余弦信號(hào)插入到高速,、高性能ADC中之后，無(wú)需對(duì)編碼器圓盤實(shí)施系統(tǒng)變更,，即可創(chuàng)建出分辨率更高的編碼器,。例如，以更低的速率對(duì)編碼器的正弦和余弦信號(hào)采樣時(shí),，只會(huì)捕捉到少數(shù)信號(hào)值,，具體如圖3所示；這會(huì)限制位置電容的精度,。在圖3中,，當(dāng)ADC以更快速率采樣時(shí)，可以獲取更詳細(xì)的信號(hào)值,，從而更精準(zhǔn)地確定位置,。ADC的高速采樣速率支持過采樣，進(jìn)一步改善噪聲性能,，消除了一些數(shù)字后處理需求,。與此同時(shí)，可以降低ADC的輸出數(shù)據(jù)速率,；也就是說,，支持較慢的串行頻率信號(hào)，因此簡(jiǎn)化了數(shù)字接口,。電機(jī)位置反饋系統(tǒng)安裝在電機(jī)總成上,，在某些應(yīng)用中，總成可能非常小巧,。所以,，能否裝入編碼器模塊面積有限的PCB區(qū)域中，尺寸大小是關(guān)鍵,。在單個(gè)微型封裝中集成多個(gè)通道組件非常有利于節(jié)省空間,。

　　圖3.采樣速率

　　光學(xué)編碼器位置反饋設(shè)計(jì)示例

　　圖4所示為適合光學(xué)編碼器位置反饋系統(tǒng)的優(yōu)化解決方案示例。此電路很容易和絕對(duì)類型的光學(xué)編碼器連接,，然后電路很容易捕捉來自編碼器的差分正弦和余弦信號(hào),。ADA4940-2前端放大器屬于雙通道,、低噪聲全差分放大器，用于驅(qū)動(dòng)AD7380,后者屬于雙通道,、16位全差分4 MSPS同步采樣SAR ADC,，采用3 mm × 3 mm小型LFCSP封裝。片內(nèi)2.5 V基準(zhǔn)電壓源允許此電路采用最少數(shù)量的組件,。ADC的VCC和VDRIVE,，以及放大器驅(qū)動(dòng)器的電源軌道可由LDO穩(wěn)壓器供電，例如LT3023和LT3032,。當(dāng)這些參考設(shè)計(jì)相互連接時(shí)（例如,，使用一個(gè)1024槽光學(xué)編碼器，在一個(gè)編碼器圓盤周期中生成1024個(gè)正弦和余弦周期）,，16位AD7380在216個(gè)代碼的各編碼器槽中采樣,，將編碼器的整體分辨率提高到26位。4 MSPS吞吐速率確保捕捉到正弦和余弦周期的詳細(xì)信息,，以及最新的編碼器位置信息,。高吞吐速率支持實(shí)施片內(nèi)過采樣，從而縮短數(shù)字ASIC或微控制器將精確的編碼器位置反饋給電機(jī)時(shí)的時(shí)間延遲,。AD7380片內(nèi)過采樣的另一個(gè)好處是：可以額外增加2位分辨率,，可以和片內(nèi)分辨率增強(qiáng)功能配合使用。分辨率增強(qiáng)功能可以進(jìn)一步提升精度,，最高可以達(dá)到28位,。應(yīng)用筆記AN-2003詳細(xì)介紹了AD7380的這個(gè)過采樣和分辨率增強(qiáng)功能。

　　圖4.經(jīng)過優(yōu)化的反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　結(jié)論

　　電機(jī)控制系統(tǒng)需要更高的精度,、更高的速度,，以及更高程度的微型化。光學(xué)編碼器被用作電機(jī)位置檢測(cè)器件,。所以,，在測(cè)量電機(jī)位置時(shí)，光學(xué)編碼器信號(hào)鏈必須具備高精度,。高速度,、高吞吐速率ADC準(zhǔn)確捕捉信息，然后將電機(jī)位置數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器,。AD7380的速度,、密度和性能可以滿足行業(yè)要求，同時(shí)在位置反饋系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的精度,，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)施優(yōu)化,。

作者：

Jonathan Colao是ADI公司精密轉(zhuǎn)換器技術(shù)部的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他于2006年加入ADI公司擔(dān)任產(chǎn)品工程師，工作地點(diǎn)位于菲律賓甲米地,。他畢業(yè)于菲律賓卡加延德奧羅澤維爾大學(xué),，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。