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微型马达驱动应用之高速反应光学编码器回??系统
 

【作者: Jonathan Colao】2020年07月09日 星期四

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本文主要剖析工业自动化领域中,马达控制位置感测介面研发业者所面临的各种常见问题 - 亦即能够在速度更快、且体积更小的应用中感测位置。从编码器撷取资讯藉以精准量测马达位置,攸关着自动化以及机器人设备能否成功运作。而高速与高解析度的对偶式同步采样类比至数位转换器(ADC)则是这类系统的重要元件。


马达的旋转资讯,像是位置、速度、以及方位等,都必须维持精准,才能针对各种新兴应用制造精准的驱动器与控制器━如挑拣机(pick-and-place)负责将微小元件置放在极有限的电路板空间内。


近年来马达控制的元件持续微缩,藉以支援包括医疗机器人以及航空与国防领域的无人机。此外,微小的马达控制器还能促成工业与商业领域的各种新应用。研发业者面临的挑战,是在高速应用中因应位置回??感测器的高精准度要求,同时还必须将所有元件置入到有限的电路板空间,然後装入到像机器人手臂等机具。


马达控制


图1 : 封闭??路的马达控制回??系统
图1 : 封闭??路的马达控制回??系统

如图1所示的马达控制??路,主要由马达、控制器、以及位置回??介面构成。马达带动旋转轴转动,进而使机器臂作动。马达控制器告诉马达何时施力、停止、或持续旋转。??路中的位置介面则会向控制器提供旋转速度以及位置资讯。这方面的资料攸关着挑拣机能否将微小组件置放到极小的电路板空间。上述这些应用都需要掌握旋转物体的精准位置量测资讯。


位置感测器的解析度必须高到足以精准地侦测到马达转轴的位置、正确取起微小元件、然後精准地放到电路板上。 此外,更高的马达转速也会产生更高的??路频宽以及更低延迟的要求。


位置回??系统

在较低阶的应用中,增值式感测器搭配比较器的组合就足以执行位置感测,而较高阶的应用就需要较复杂的讯号链。这些回??系统包含位置感测器、类比前端讯号调节、ADC、以及驱动器,然後将资料转成数位格式。


其中一种较精准的位置感测器是光学编码器,其内部包含一个LED光源、装在马达转轴上的标记盘、以及光感测器。标记盘上有不透明的标记图样以及透明区域,用来阻隔光线或让光线通过。接着再由光感测器侦测光线,并将on/off光讯号转换成电气讯号。


当标记盘旋转时,光感测器 - 连同标记盘上的图样 - 产生正弦与馀弦讯号,记录成mV 或μV 等级的电压波动。这类系统通常为绝对位置光学编码器。这些讯号会??送到类比讯号调节电路,通常包含一个分立放大器或一个类比PGA,将讯号增益放大到1 V p-p 范围通常能纳入到 ADC 输入电压范围以达到最大的动态范围。每个放大後的正弦与馀弦讯号都会被同步取样ADC的驱动放大器撷取到。


ADC必须在其通道中同时取样,如此一来,正弦与馀弦资料点才会在完全相同的时间点撷取,两个资料才能拼凑出转轴的位置资讯。ADC转换的结果会送到ASIC或微控制器。马达控制器每个PWM周期就会查询编码器位置,然後用这个资料并根据收到指令来驱动马达。在以往,系统设计者必须权衡ADC速度或通道数,以便让元件能塞入到有限的电路板中。


优化位置回??


图2 : 位置回??系统
图2 : 位置回??系统

持续演化的技术需求,促成马达控制应用的创新,进而要求高精准的位置侦测机制。光学编码器的解析度取决於标记盘上微型蚀刻的时槽数量,通常为数百或数千之谱。以内??法将这些正弦正馀弦讯号置入到高速、高效能ADC,就让我们能制造出更高解析度的编码器,而不必对编码器的标记盘进行系统变更。举例来说,以较慢速度对编码器的正弦与馀弦讯号进行取样,就会撷取到较少的讯号值,如图3所示 ,这种作法也会限制撷取位置的精准度。


在图3中,当ADC以较高速度取样,就会撷取到较密集的讯号值,以及判断出更精准的位置。ADC的高速取样率能允许系统执行过取样,进而改善杂讯性能,以及消弭一些数位後处理的需求。



图3 : 取样率
图3 : 取样率

另外,这种作法也会降低ADC的输出资料率,产生较慢的序列频率讯号,数位介面也能简化。马达位置回??系统置於马达组件上,在某些应用中其体积相当微小。尺寸则是至关重要,其决定了编码器模组是否能装入到有限的电路板空间。新型的多通道元件由於装配在单一微小的封装内,因此适合用在需要节省空间的应用。


光学编码器位置回??设计范例

图4显示一个光学编码器位置回??系统的最隹化解决方案范例。这个电路能轻易连结到绝对式光学编码器,其中的电路可以轻易撷取到编码器内的差动正弦与馀弦讯号。



图4 : 最隹化的回??系统设计
图4 : 最隹化的回??系统设计

ADA4940-2 前端编码器是一种双通道、低杂讯、完全差动式放大器,负责驱动AD7380这个双通道、16位元、完全差动式、4 MSPS、同步取样 SAR ADC,而这个转换器装在底面积仅 3 mm × 3 mm 的LFCSP 封装中,晶片内部2.5V叁考电压使得这个电路的元件要求减至最小。


ADC 的VCC 与VDRIVE电压,还有放大器驱动器的供电线路,都可用LDO稳压器负责供电,像是LT3023 和LT3032这类元件。这些叁考设计连到介面 - 例如运用一个1024时槽的光学编码器,能在编码器转盘转一圈的时间内产生1024个周期的正弦与馀弦讯号16位元AD7380对每个编码器时槽取样,纪录下216

216

种编码值,整体编码器解析度提高到26位元。高达4 MSPS的吞吐率确保能撷取到清晰的正弦与馀弦周期讯号,撷取到的编码器位置也是最及时的资料。


此外,高吞吐率让过取样程序在晶片内直接完成,省下数位ASIC或微控制器将精准编码器位置??送到马达所耗费的时间。AD7380在晶片内完成过取样另外一项好处,是能额外增加2位元的解析度,并能轻易用在晶片内部的解析度提升功能。此外,解析度的提升还能让精准度进一步提高到28位元。


总结

马达控制系统对於更高精准度、更高速度、以及微型化的要求持续攀升。业界运用光学编码器作为马达位置的感测元件,为此,在量测马达位置时,光学编码器的讯号链必须具备高精准度。高吞吐量的高速ADC能精准撷取资讯,然後将马达位置资料??送到控制器。AD7380的速度、密度及效能,可在位置回??系统中达到更高的精准度与最隹化程度。


(本文作者:Jonathan Colao为ADI 应用工程师)


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