Tento článek se zabývá běžnými výzvami, kterým čelí konstruktéři v oblasti průmyslové automatizace při vývoji rozhraní detekce polohy pro řízení motoru-konkrétně, zjišťování polohy v aplikacích vyžadujících vyšší rychlosti a menší velikosti. Využití informací získaných z kodérů k přesnému měření polohy motoru je zásadní pro úspěšný provoz automatizace a strojů. Rychlé dvoukanálové synchronní vzorkovací analogové-na{6}}digitální převodníky (ADC) s vysokým-rozlišením jsou základními součástmi těchto systémů.
Zavedení
Přesné informace o otáčení motoru, jako je poloha, rychlost a směr, jsou zásadní pro výrobu přesných pohonů a ovladačů pro vznikající aplikace, jako jsou montážní stroje, které montují mikro-součástky na plochy plošných spojů s omezeným prostorem. V poslední době se řízení motorů začalo miniaturizovat, což umožňuje nové aplikace chirurgické robotiky ve zdravotnickém průmyslu a nové aplikace dronů v letectví a obraně. Menší ovladače motorů také pohánějí nové aplikace v průmyslové a komerční montáži. Pro konstruktéry spočívá výzva ve splnění vysokých-požadavků na přesnost polohových zpětnovazebních senzorů ve vysokorychlostních aplikacích při integraci všech součástí do omezeného prostoru PCB pro instalaci do miniaturních balíčků, jako jsou robotická ramena.
Obrázek 1. Uzavřený-systém zpětné vazby pro řízení motoru
Ovládání motoru
Řídicí smyčka motoru (jak je znázorněna na obrázku 1) se primárně skládá z motoru, ovladače a rozhraní zpětné vazby polohy. Motor otáčí hřídelí a pohání robotické rameno, aby se odpovídajícím způsobem pohybovalo. Ovladač motoru řídí, kdy motor působí silou, kdy se zastaví nebo kdy se dále otáčí. Polohové rozhraní v rámci smyčky poskytuje regulátoru informace o rychlosti a poloze. U montážních strojů, které manipulují s miniaturními plošnými spoji-uchycenými plošnými spoji, jsou tato data kritická pro správnou funkci. Všechny tyto aplikace vyžadují přesné měření polohy rotujících objektů.
Snímače polohy musí mít extrémně vysoké rozlišení, aby přesně detekovaly polohu hřídele motoru, zachytily odpovídající mikro-součástky a umístily je na správná místa na desce. Vyšší rychlosti motoru navíc vyžadují větší šířku pásma smyčky a nižší latenci.
Systémy zpětné vazby polohy
V aplikacích nižší třídy lze detekci polohy implementovat pomocí inkrementálních senzorů a komparátorů. High{2}}aplikace však vyžadují složitější signální řetězce. Tyto zpětnovazební systémy obsahují snímače polohy následované analogovým před-kondicionováním signálu, ADC a ADC driver. Data procházejí těmito komponentami před vstupem do digitální domény. Nejpřesnějším snímačem polohy je optický enkodér. Optický kodér se skládá z LED světelného zdroje, označeného disku připevněného k hřídeli motoru a fotodetektoru. Disk obsahuje neprůhledné a průhledné maskované oblasti, které blokují nebo umožňují průchod světla. Fotodetektor detekuje tyto světelné signály a převádí světelné impulzy zapnutí/vypnutí na elektronické signály.
Jak se disk otáčí, fotodetektor (synchronizovaný se vzorem disku) generuje malé sinusové a kosinové signály (na úrovni mV nebo µV). Tato konfigurace je typická pro optické snímače absolutní polohy. Tyto signály vstupují do obvodů pro úpravu analogových signálů (obvykle složených z diskrétních zesilovačů nebo analogových PGA pro získání signálů až do 1V špičkového-do-špičkového rozsahu), obvykle k přizpůsobení rozsahu vstupního napětí ADC maximálnímu dynamickému rozsahu. Každý zesílený sinusový a kosinusový signál je pak zachycen budicím zesilovačem synchronního vzorkovacího ADC.
Každý kanál ADC musí podporovat synchronní vzorkování pro současné získávání sinusových a kosinových datových bodů, protože tyto kombinované body poskytují informace o poloze osy. Výsledky převodu ADC jsou odesílány do ASIC nebo mikrokontroléru. Řídicí jednotka motoru se během každého cyklu PWM dotazuje na polohu kodéru a používá tato data k pohonu motoru podle přijatých příkazů. V minulosti museli konstruktéři systémů pro integraci do omezeného prostoru desky obětovat buď rychlost ADC, nebo počet kanálů.
Obrázek 2. Systém zpětné vazby polohy
Optimalizujte zpětnou vazbu polohy
Jak technologie postupuje, aplikace pro řízení motorů vyžadující-velmi přesnou detekci polohy se neustále inovují. Rozlišení optických kodérů může být určeno počtem jemně fotolitografovaných štěrbin na disku, typicky v rozmezí stovek až tisíců. Přivedením těchto sinusových a kosinusových signálů do vysokorychlostních, vysoce{4}}výkonných ADC lze vytvořit kodéry s vyšším rozlišením bez nutnosti systémových změn na disku kodéru. Například vzorkování sinusových a kosinusových signálů kodéru při nižší rychlosti zachycuje pouze omezený počet hodnot signálu, jak je znázorněno na obrázku 3; to omezuje přesnost polohové kapacity. Na obrázku 3 umožňuje vzorkování vyšší rychlostí pomocí ADC získání podrobnějších hodnot signálu, což umožňuje přesnější určení polohy. Vysoká{10}}rychlost vzorkování ADC podporuje převzorkování, dále zlepšuje výkon šumu a odstraňuje některé požadavky na digitální post{11}}zpracování. Současně lze snížit výstupní datovou rychlost ADC, což znamená, že podporuje pomalejší sériové frekvenční signály, čímž se zjednoduší digitální rozhraní. Systémy zpětné vazby polohy motoru jsou namontovány na sestavě motoru, která může být v některých aplikacích extrémně kompaktní. Proto je velikost kritická pro osazení modulu kodéru do omezené dostupné oblasti PCB. Integrace více kanálových komponent do jednoho miniaturního balíčku nabízí významnou úsporu místa.
Obrázek 3. Vzorkovací frekvence
Příklad návrhu zpětné vazby polohy optického kodéru
Obrázek 4 znázorňuje příklad optimalizovaného řešení vhodného pro systémy zpětné vazby polohy optického kodéru. Tento obvod se snadno propojí s optickými kodéry absolutního -typu a poté snadno zachytí diferenciální sinusové a kosinové signály z kodéru. Přední zesilovač ADA4940-2-je dvoukanálový-kanálový, nízkošumový- plně diferenciální zesilovač používaný k pohonu AD7380. Ten je dvoukanálový, 16-bitový, plně diferenciální, 4 MSPS synchronní vzorkovací SAR ADC umístěný v kompaktním pouzdře LFCSP o rozměrech 3 mm × 3 mm. Zdroj referenčního napětí 2,5 V na čipu umožňuje implementaci tohoto obvodu s minimálním počtem součástek. VCC a VDRIVE ADC spolu s napájecími lištami ovladače zesilovače mohou být napájeny regulátory LDO, jako jsou LT3023 a LT3032. Když jsou tyto referenční návrhy propojeny (např. pomocí 1024-slotového optického kodéru generujícího 1024 sinusových a kosinusových cyklů na otáčku disku kodéru), 16bitový AD7380 vzorkuje každý slot kodéru přes 216 kódů, čímž se celkové rozlišení kodéru zvýší na 26 bitů. Propustnost 4 MSPS zajišťuje zachycení detailních sinusových a kosinusových cyklů spolu s nejnovějšími daty polohy kodéru. Tato vysoká propustnost umožňuje implementaci převzorkování na čipu, což snižuje časové zpoždění, kdy digitální ASIC nebo mikrokontrolér dodává přesnou zpětnou vazbu polohy kodéru do motoru. Další výhodou převzorkování na čipu AD7380 je možnost přidat další 2 bity rozlišení, které lze kombinovat s funkcí vylepšení rozlišení na čipu. Toto vylepšení rozlišení dále zlepšuje přesnost a dosahuje až 28 bitů. Aplikační poznámka AN-2003 poskytuje podrobné informace o možnostech převzorkování a vylepšení rozlišení AD7380.
Obrázek 4. Návrh optimalizovaného systému zpětné vazby
Závěr
Řídicí systémy motoru vyžadují vyšší přesnost, vyšší rychlost a větší miniaturizaci. Optické snímače slouží jako zařízení pro detekci polohy motoru. Proto musí signální řetězec optického kodéru poskytovat vysokou přesnost při měření polohy motoru. Vysokorychlostní -rychlostní a{4}}propustné ADC přesně zachycují informace a přenášejí data o poloze motoru do ovladače. Rychlost, hustota a výkon AD7380 splňují průmyslové požadavky a zároveň umožňují vyšší přesnost v systémech polohové zpětné vazby a optimalizují implementaci systému.
Autor
Jonathan Colao