本文介紹工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的設計人員在設計用于電機控制的位置檢測接口時(shí)面臨的常見(jiàn)問(wèn)題，即在速度更快、尺寸更小的應用中檢測位置。利用從編碼器捕獲的信息以便精確測量電機位置對于自動(dòng)化和機器設備的成功運行很重要，快速、高分辨率、雙通道同步采樣模數轉換器(ADC)是此系統的重要組件。

位置、速度和方向之類(lèi)的電機旋轉信息必須準確，以為各種新興應用生產(chǎn)精準的驅動(dòng)器和控制器，例如，將微型組件裝配到空間有限的PCB區域中的裝配機器。近來(lái)，電機控制開(kāi)始走向微型化，使得醫療健康行業(yè)出現新的外科手術(shù)機器人應用，航空航天和防務(wù)領(lǐng)域出現新無(wú)人機應用。體積更小的電機控制器還導致工業(yè)和商業(yè)裝配領(lǐng)域涌現新的應用。對設計人員而言，挑戰在于：滿(mǎn)足高速應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區域內，以安裝到微型封裝內部，例如機械手臂。

圖1.閉環(huán)電機控制反饋系統。

電機控制

電機控制環(huán)路（如圖1所示）主要由電機、控制器和位置反饋接口組成。電機轉動(dòng)旋轉軸，帶動(dòng)機械手臂跟著(zhù)移動(dòng)。電機控制器管控電機何時(shí)施加力道、何時(shí)停止，或者繼續轉動(dòng)。環(huán)路中的位置接口向控制器提供轉速和位置信息。對于裝配微型表貼PCB的裝配機器來(lái)說(shuō)，這些數據是其正常運行的關(guān)鍵。這些應用都需要獲取關(guān)于旋轉對象的準確位置測量信息。位置傳感器的分辨率必須非常高，足以準確檢測電機軸的位置，拿取對應的微型組件，并將組件放置到板上的對應位置。此外，電機轉速越高，所需的環(huán)路帶寬越高，延遲越低。

位置反饋系統

在低端應用中，使用增量傳感器和比較器可能就能夠實(shí)施位置檢測，但在高端應用中，則需要更加復雜的信號鏈。這些反饋系統包含位置傳感器，之后是模擬前端信號調理、ADC，以及ADC驅動(dòng)器，數據先經(jīng)過(guò)它們，之后再進(jìn)入數字域。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、連接到電機軸的標記圓盤(pán)和光電探測器組成。圓盤(pán)包含不透明和透明的掩碼區域，可以阻隔光線(xiàn)或讓光線(xiàn)通過(guò)。光電探測器檢測這些光線(xiàn)，開(kāi)/關(guān)光信號則轉換為電子信號。隨著(zhù)圓盤(pán)轉動(dòng)，光電探測器（與圓盤(pán)的模式配合）生成小的正弦和余弦信號（mV或µV等級）。這種系統是絕對位置光學(xué)編碼器采用的典型系統。這些信號進(jìn)入模擬信號調理電路（一般由分立式放大器或模擬PGA組成，用于獲取高達1 V峰峰值范圍的信號），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之后都被同步采樣ADC的驅動(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)獲取正弦和余弦數據點(diǎn)，由這些數據點(diǎn)組合提供軸的位置信息。ADC轉換結果會(huì )發(fā)送給ASIC或微控制器。電機控制器在每個(gè)PWM周期中查詢(xún)編碼器位置，然后根據接收的指令使用該數據來(lái)驅動(dòng)電機。過(guò)去，為了集成到有限的板空間中，系統設計人員必須犧牲ADC速度或通道數。

圖2.位置反饋系統。

優(yōu)化位置反饋

隨著(zhù)技術(shù)不斷發(fā)展，導致需要實(shí)施高精度位置檢測的電機控制應用不斷創(chuàng )新。光學(xué)編碼器的分辨率可能由圓盤(pán)上精細光刻的槽數決定，通常有幾百或幾千個(gè)。將這些正弦和余弦信號插入到高速、高性能ADC中之后，無(wú)需對編碼器圓盤(pán)實(shí)施系統變更，即可創(chuàng )建出分辨率更高的編碼器。例如，以更低的速率對編碼器的正弦和余弦信號采樣時(shí)，只會(huì )捕捉到少數信號值，具體如圖3所示；這會(huì )限制位置電容的精度。在圖3中，當ADC以更快速率采樣時(shí)，可以獲取更詳細的信號值，從而更精準地確定位置。ADC的高速采樣速率支持過(guò)采樣，進(jìn)一步改善噪聲性能，消除了一些數字后處理需求。與此同時(shí)，可以降低ADC的輸出數據速率；也就是說(shuō)，支持較慢的串行頻率信號，因此簡(jiǎn)化了數字接口。電機位置反饋系統安裝在電機總成上，在某些應用中，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省空間。

圖3.采樣速率。

光學(xué)編碼器位置反饋設計示例

圖4所示為適合光學(xué)編碼器位置反饋系統的優(yōu)化解決方案示例。此電路很容易和絕對類(lèi)型的光學(xué)編碼器連接，然后電路很容易捕捉來(lái)自編碼器的差分正弦和余弦信號。ADA4940-2前端放大器屬于雙通道、低噪聲全差分放大器，用于驅動(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2.5 V基準電壓源允許此電路采用最少數量的組件。ADC的VCC和VDRIVE，以及放大器驅動(dòng)器的電源軌道可由LDO穩壓器供電，例如LT3023 和LT3032。當這些參考設計相互連接時(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(pán)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)施片內過(guò)采樣，從而縮短數字ASIC或微控制器將精確的編碼器位置反饋給電機時(shí)的時(shí)間延遲。AD7380片內過(guò)采樣的另一個(gè)好處是：可以額外增加2位分辨率，可以和片內分辨率增強功能配合使用。分辨率增強功能可以進(jìn)一步提升精度，最高可以達到28位。

圖4.經(jīng)過(guò)優(yōu)化的反饋系統設計。

結論

電機控制系統需要更高的精度、更高的速度，以及更高程度的微型化，光學(xué)編碼器被用作電機位置檢測器件。所以，在測量電機位置時(shí)，光學(xué)編碼器信號鏈必須具備高精度。高速度、高吞吐速率ADC準確捕捉信息，然后將電機位置數據發(fā)送給控制器。AD7380的速度、密度和性能可以滿(mǎn)足行業(yè)要求，同時(shí)在位置反饋系統中實(shí)現更高的精度，并對系統實(shí)施優(yōu)化。