用于微型電機驅動應用的快速反應光學編碼器反饋系統

本文深入探討了工業自動化中電機控制位置傳感接口設計人員面臨的常見問題，即能夠在更快、更小尺寸的應用中感測位置。從編碼器捕獲信息以準確測量電機位置對于自動化和機器人設備的成功運行非常重要?？焖?、高分辨率、雙通道、同步采樣模數轉換器（ADC）是該系統的重要組成部分。

介紹

電機旋轉信息（如位置、速度和方向）必須準確，以便在各種新興應用中產生精確的驅動器和控制器，例如，在有限的PCB區域內安裝微型元件的拾取和放置機器中。最近，電機控制已經小型化，在醫療保健的手術機器人以及航空航天和國防的無人機中實現了新的應用。較小的電機控制器還支持工業和商業安裝中的新應用。設計人員面臨的挑戰是滿足高速應用中位置反饋傳感器的高精度要求，同時將所有組件注入有限的PCB空間，以安裝在微型外殼（如機械臂）中。

圖1.閉環電機控制反饋系統。

電機控制

如圖1所示，電機控制回路主要由電機、控制器和位置反饋接口組成。電機轉動旋轉軸，使機器的臂相應地移動。電機控制器告訴電機何時施加力、停止或繼續旋轉?；芈分械奈恢媒涌谙蚩刂破魈峁┺D速和位置信息。這些數據對于用于組裝微型表面貼裝 PCB 的拾取和放置機器的正常運行至關重要。所有這些應用都需要有關旋轉物體的精確位置測量信息。

位置傳感器分辨率必須非常高，足以準確檢測電機軸位置，正確拾取微小組件，并將其精確地放置在電路板上。此外，更高的電機轉速會導致更高的環路帶寬和更低的延遲要求。

位置反饋系統

在低端應用中，增量式傳感器和比較器可能足以進行位置檢測，而高端應用則需要更復雜的信號鏈。這些反饋系統包括位置傳感器，然后是模擬前端信號調理、ADC及其驅動器，然后數據進入數字域。最精確的位置傳感器之一是光學編碼器。光學編碼器由LED光源、附在電機軸上的標記盤和光電探測器組成。圓盤具有不透明和透明區域的遮罩圖案，可遮擋光線或允許光線通過。光電探測器感測產生的光，并將開/關光信號轉換為電信號。

當圓盤轉動時，光電探測器與圓盤的圖案相結合，產生mV或μV級的小正弦和余弦信號。該系統是絕對位置光學編碼器的典型系統。這些信號被饋送到模擬信號調理電路，該電路通常由分立放大器或模擬PGA組成，以獲得高達1 V p-p范圍的信號，通常適合ADC輸入電壓范圍以獲得最大動態范圍。然后，每個放大的正弦和余弦信號由同步采樣ADC的驅動放大器采集。

ADC必須在其通道上同時采樣，以便在完全相同的時間點獲取正弦和余弦數據點，因為該組合可提供軸位置信息。ADC轉換結果被傳遞到ASIC或微控制器。電機控制器在每個PWM周期查詢編碼器位置，并根據收到的指令使用此數據驅動電機。過去，系統設計人員必須犧牲ADC速度或通道數，以適應限制性電路板尺寸。

圖2.位置反饋系統。

優化位置反饋

不斷發展的技術需求催生了需要高精度位置檢測的電機控制應用的創新。光學編碼器的分辨率可以基于光盤中精細光刻刻的插槽數量，通常為數百或數千。將這些正弦和余弦信號插值到高速、高性能ADC中，將使我們能夠創建更高分辨率的編碼器，而無需對編碼器盤進行系統更改。例如，當編碼器正弦和余弦信號以較慢的速率采樣時，捕獲的信號值較少，如圖3所示;這也限制了倉位上限的準確性。在圖3中，當ADC以更快的速率采樣時，捕獲更詳細的信號值，并確定更高精度的位置。ADC的高速采樣速率允許過采樣，進一步改善噪聲性能，消除一些數字后處理需求。同時，它降低了ADC的輸出數據速率;也就是說，允許較慢的串行頻率信號，從而簡化數字接口。電機位置反饋系統安裝在電機組件中，在某些應用中可能非常小。因此，尺寸對于適應編碼器模塊的有限PCB區域至關重要。在單個微型封裝中出現多個通道組件最適合節省空間。

圖3.采樣率。

光學編碼器位置反饋設計示例

光學編碼器位置反饋系統的優化解決方案示例如圖4所示。該電路可以很容易地連接到絕對型光學編碼器，其中來自編碼器的差分正弦和余弦信號可以很容易地被電路捕獲。ADA4940-2前端放大器是一款雙通道、低噪聲、全差分放大器，用于驅動雙通道、16位、全差分、4 MSPS同步采樣SAR ADC，采用3 mm×3 mm LFCSP小型封裝。片內2.5 V基準電壓源可滿足該電路的最低元件要求。五世抄送和 V駕駛的 ADC 和放大器驅動器的電源軌可由一個 LDO 穩壓器（例如 LT3023 和 LT3032）供電。當這些參考設計與1024槽光學編碼器接口時，該編碼器在編碼器盤的一圈內產生1024個正弦和余弦周期，16位AD7380對每個編碼器槽的采樣頻率為216代碼，總體上將編碼器分辨率提高到 26 位。4 MSPS吞吐速率可確保捕獲詳細的正弦和余弦周期，并確保編碼器位置是最新的。高吞吐速率可實現片上過采樣，從而減少數字ASIC或微控制器向電機饋送精確編碼器位置的時間損失。AD7380片內過采樣的另一個優點是，它允許額外的2位分辨率，可輕松與片內分辨率提升功能一起使用。分辨率提升可以進一步提高精度，最高可達28位。應用筆記AN-2003詳細介紹了AD7380的過采樣和分辨率提升特性。

圖4.優化反饋系統設計。

結論

電機控制系統對更高精度、更高速度和小型化的需求正在增加。光學編碼器用作電機位置傳感設備。為此，光學編碼器信號鏈在測量電機位置時必須具有高精度。高速、高吞吐量ADC可準確捕獲信息并將電機位置數據饋送到控制器。AD7380的速度、密度和性能可滿足行業需求，同時在位置反饋系統中實現更高水平的精度和優化。

審核編輯：郭婷