W tym artykule omówiono typowe wyzwania stojące przed projektantami w dziedzinie automatyki przemysłowej podczas opracowywania interfejsów wykrywania położenia do sterowania silnikami,-w szczególności do wykrywania położenia w zastosowaniach wymagających wyższych prędkości i mniejszych rozmiarów. Wykorzystanie informacji uzyskanych z enkoderów do precyzyjnego pomiaru położenia silnika ma kluczowe znaczenie dla pomyślnego działania automatyki i maszyn. Szybkie,-dwukanałowe, synchroniczne próbkowanie o wysokiej-rozdzielczości i synchroniczne przetworniki-cyfrowe (ADC) to podstawowe elementy takich systemów.
Wstęp
Dokładne informacje o obrocie silnika, takie jak położenie, prędkość i kierunek, są niezbędne do produkcji precyzyjnych napędów i sterowników do nowych zastosowań, takich jak maszyny montażowe, które montują mikro-komponenty na obszarach PCB o ograniczonej przestrzeni. Ostatnio sterowanie silnikami zaczęło się miniaturyzować, co umożliwiło nowe zastosowania robotyki chirurgicznej w branży opieki zdrowotnej oraz nowe zastosowania dronów w przemyśle lotniczym i obronnym. Mniejsze sterowniki silników stanowią również podstawę nowych zastosowań w montażu przemysłowym i komercyjnym. Dla projektantów wyzwanie polega na spełnieniu-wymagań dotyczących dużej precyzji czujników ze sprzężeniem zwrotnym położenia w zastosowaniach-o dużej szybkości, przy jednoczesnej integracji wszystkich komponentów na ograniczonej przestrzeni PCB w celu instalacji w miniaturowych obudowach, takich jak ramiona robotów.
Rysunek 1. System sprzężenia zwrotnego sterowania silnikiem w{{1}pętli zamkniętej
Sterowanie silnikiem
Pętla sterowania silnikiem (jak pokazano na rysunku 1) składa się głównie z silnika, sterownika i interfejsu sprzężenia zwrotnego położenia. Silnik obraca wał, napędzając ramię robota do odpowiedniego ruchu. Sterownik silnika zarządza momentem, w którym silnik przykłada siłę, zatrzymuje się lub kontynuuje obrót. Interfejs położenia w pętli dostarcza sterownikowi informacji o prędkości i położeniu. W przypadku maszyn montażowych obsługujących miniaturowe-płytki PCB do montażu powierzchniowego dane te mają kluczowe znaczenie dla prawidłowego działania. Wszystkie te zastosowania wymagają dokładnego pomiaru położenia obracających się obiektów.
Czujniki położenia muszą charakteryzować się niezwykle wysoką rozdzielczością, aby precyzyjnie wykryć położenie wału silnika, wychwycić odpowiednie mikro-komponenty i umieścić je we właściwych miejscach na płytce. Ponadto wyższe prędkości silnika wymagają większej przepustowości pętli i mniejszych opóźnień.
Systemy sprzężenia zwrotnego pozycji
W zastosowaniach-z niższej półki wykrywanie pozycji można wdrożyć za pomocą czujników przyrostowych i komparatorów. Jednak-zaawansowane aplikacje wymagają bardziej złożonych łańcuchów sygnałowych. Te systemy sprzężenia zwrotnego obejmują czujniki położenia, a następnie analogowe-kondycjonowanie sygnału z przodu, przetwornik ADC i sterownik ADC. Dane przechodzą przez te komponenty przed wejściem do domeny cyfrowej. Najbardziej precyzyjnym czujnikiem położenia jest enkoder optyczny. Enkoder optyczny składa się ze źródła światła LED, oznaczonego dysku przymocowanego do wału silnika i fotodetektora. Dysk zawiera nieprzezroczyste i przezroczyste zamaskowane obszary, które blokują lub umożliwiają przejście światła. Fotodetektor wykrywa te sygnały świetlne i przetwarza impulsy świetlne włączające/wyłączające na sygnały elektroniczne.
Gdy dysk się obraca, fotodetektor (zsynchronizowany z wzorem dysku) generuje małe sygnały sinus i cosinus (na poziomie mV lub µV). Ta konfiguracja jest typowa dla enkoderów optycznych położenia absolutnego. Sygnały te trafiają do obwodów kondycjonowania sygnału analogowego (zwykle składających się z dyskretnych wzmacniaczy lub analogowych układów PGA w celu uzyskania sygnałów o napięciu szczytowym do 1 V-do-zakresu), zazwyczaj w celu dopasowania zakresu napięcia wejściowego przetwornika ADC do maksymalnego zakresu dynamiki. Każdy wzmocniony sygnał sinus i cosinus jest następnie przechwytywany przez wzmacniacz napędowy synchronicznego próbkującego przetwornika ADC.
Każdy kanał przetwornika ADC musi obsługiwać próbkowanie synchroniczne, aby jednocześnie pozyskiwać punkty danych sinus i cosinus, ponieważ te połączone punkty dostarczają informacji o położeniu osi. Wyniki konwersji ADC są przesyłane do układu ASIC lub mikrokontrolera. Sterownik silnika odpytuje położenie enkodera podczas każdego cyklu PWM i wykorzystuje te dane do sterowania silnikiem zgodnie z otrzymanymi poleceniami. W przeszłości, aby zintegrować układ z ograniczoną przestrzenią na płytce, projektanci systemów musieli poświęcić albo prędkość przetwornika ADC, albo liczbę kanałów.
Rysunek 2. System sprzężenia zwrotnego pozycji
Zoptymalizuj informację zwrotną o pozycji
W miarę ciągłego postępu technologicznego aplikacje sterowania silnikami wymagające-wysokiej precyzji wykrywania położenia stale wprowadzają innowacje. Rozdzielczość koderów optycznych może być określona przez liczbę drobno fotolitografowanych szczelin na dysku, zwykle wahającą się od setek do tysięcy. Dostarczając te sygnały sinusoidalne i cosinusowe do szybkich-przetworników ADC-o wysokiej wydajności, można tworzyć kodery o wyższej rozdzielczości bez konieczności wprowadzania zmian systemowych na dysku kodera. Na przykład próbkowanie sygnałów sinusoidalnych i cosinusowych kodera z mniejszą częstotliwością pozwala przechwycić tylko ograniczoną liczbę wartości sygnału, jak pokazano na rysunku 3; ogranicza to dokładność pojemności położenia. Na rysunku 3 próbkowanie z większą częstotliwością za pomocą przetwornika ADC pozwala na uzyskanie bardziej szczegółowych wartości sygnału, umożliwiając dokładniejsze określenie pozycji. Wysoka{{10}częstotliwość próbkowania przetwornika ADC umożliwia nadpróbkowanie, co jeszcze bardziej poprawia wydajność w zakresie szumów i eliminuje niektóre wymagania dotyczące cyfrowego{{11}przetwarzania końcowego. Jednocześnie można zmniejszyć wyjściową szybkość transmisji danych ADC, co oznacza, że obsługuje on wolniejsze sygnały o częstotliwości szeregowej, upraszczając w ten sposób interfejs cyfrowy. Systemy sprzężenia zwrotnego położenia silnika są montowane na zespole silnika, który w niektórych zastosowaniach może być wyjątkowo kompaktowy. Dlatego rozmiar ma kluczowe znaczenie dla dopasowania modułu enkodera do ograniczonej dostępnej powierzchni PCB. Integracja wielu komponentów kanałowych w jednej miniaturowej obudowie zapewnia znaczną oszczędność miejsca.
Rysunek 3. Częstotliwość próbkowania
Przykład projektu optycznego sprzężenia zwrotnego dotyczącego położenia enkodera
Rysunek 4 ilustruje przykład zoptymalizowanego rozwiązania odpowiedniego dla systemów optycznego sprzężenia zwrotnego położenia enkodera. Obwód ten łatwo łączy się z enkoderami optycznymi typu absolutnego-, a następnie z łatwością przechwytuje z enkodera różnicowe sygnały sinus i cosinus. Wzmacniacz frontowy ADA4940-2-jest dwukanałowym-kanałowym, niskoszumowym-w pełni różnicowym wzmacniaczem używanym do napędzania AD7380. Ten ostatni to dwu-kanałowy, 16-bitowy, w pełni różnicowy przetwornik ADC SAR z synchronicznym próbkowaniem 4 MSPS, umieszczony w kompaktowej obudowie LFCSP o wymiarach 3 mm × 3 mm. Wbudowane-chipowe źródło napięcia referencyjnego 2,5 V umożliwia realizację tego obwodu przy minimalnej liczbie komponentów. Układy VCC i VDRIVE przetwornika ADC, wraz z szynami zasilającymi sterownika wzmacniacza, mogą być zasilane przez regulatory LDO, takie jak LT3023 i LT3032. Kiedy te projekty referencyjne są ze sobą połączone (np. przy użyciu enkodera optycznego o 1024-szczelinach generującego 1024 cykli sinusoidalnych i cosinusoidalnych na obrót dysku enkodera), 16-bitowy AD7380 próbkuje każdą szczelinę enkodera w 216 kodach, zwiększając ogólną rozdzielczość kodera do 26 bitów. Szybkość transmisji 4 MSPS zapewnia przechwytywanie szczegółowych informacji o cyklach sinusoidalnych i cosinusowych wraz z najnowszymi danymi o pozycji enkodera. Ta wysoka przepustowość umożliwia wdrożenie nadpróbkowania na chipie, redukując opóźnienie czasowe, gdy cyfrowy układ ASIC lub mikrokontroler przekazuje do silnika precyzyjne sprzężenie zwrotne położenia enkodera. Kolejną zaletą nadpróbkowania wbudowanego w układ AD7380 jest możliwość dodania dodatkowych 2 bitów rozdzielczości, które można połączyć z funkcją zwiększania rozdzielczości w układzie. To zwiększenie rozdzielczości dodatkowo poprawia dokładność, osiągając do 28 bitów. Nota aplikacyjna AN-2003 zawiera szczegółowe informacje na temat możliwości nadpróbkowania i zwiększania rozdzielczości AD7380.
Rysunek 4. Zoptymalizowany projekt systemu sprzężenia zwrotnego
Wniosek
Systemy sterowania silnikami wymagają większej precyzji, większych prędkości i większej miniaturyzacji. Enkodery optyczne służą jako urządzenia do wykrywania położenia silnika. Dlatego łańcuch sygnałowy enkodera optycznego musi zapewniać wysoką dokładność podczas pomiaru położenia silnika. Szybkie i{4}}przepustowe przetworniki ADC dokładnie przechwytują informacje i przesyłają dane o położeniu silnika do sterownika. Szybkość, gęstość i wydajność AD7380 spełniają wymagania branżowe, umożliwiając jednocześnie większą precyzję w systemach sprzężenia zwrotnego położenia i optymalizując wdrażanie systemu.
Autor
Jonathana Colao