适用于微型电机驱动应用的快速反应、光学编码器反馈系统

简介

位置、速度和方向之类的电机旋转信息必须准确，以为各种新兴应用生产精准的驱动器和控制器，例如，将微型组件装配到空间有限的PCB区域中的装配机器。近来，电机控制开始走向微型化，使得医疗健康行业出现新的外科手术机器人应用，航空航天和防务领域出现新无人机应用。体积更小的电机控制器还导致工业和商业装配领域涌现新的应用。对设计人员而言，挑战在于：满足高速应用中的位置反馈传感器的高精度要求，同时将所有组件集成到有限的PCB区域内，以安装到微型封装内部，例如机械手臂。

图1.闭环电机控制反馈系统。

电机控制

电机控制环路（如图1所示）主要由电机、控制器和位置反馈接口组成。电机转动旋转轴，带动机械手臂跟着移动。电机控制器管控电机何时施加力道、何时停止，或者继续转动。环路中的位置接口向控制器提供转速和位置信息。对于装配微型表贴PCB的装配机器来说，这些数据是其正常运行的关键。所有这些应用都需要获取关于旋转对象的准确位置测量信息。

位置传感器的分辨率必须非常高，足以准确检测电机轴的位置，拿取对应的微型组件，并将组件放置到板上的对应位置。此外，电机转速越高，所需的环路带宽越高，延迟越低。

位置反馈系统

在低端应用中，使用增量传感器和比较器可能就能够实施位置检测，但在高端应用中，则需要更加复杂的信号链。这些反馈系统包含位置传感器，之后是模拟前端信号调理、ADC，以及ADC驱动器，数据先经过它们，之后再进入数字域。其中最精确的位置传感器就是光学编码器。光学编码器由LED光源、连接到电机轴的标记圆盘和光电探测器组成。圆盘包含不透明和透明的掩码区域，可以阻隔光线或让光线通过。光电探测器检测这些光线，开/关光信号则转换为电子信号。

随着圆盘转动，光电探测器（与圆盘的模式配合）生成小的正弦和余弦信号（mV或µV等级）。这种系统是绝对位置光学编码器采用的典型系统。这些信号进入模拟信号调理电路（一般由分立式放大器或模拟PGA组成，用于获取高达1 V峰峰值范围的信号），通常是为了让ADC输入电压范围匹配最大动态范围。每个放大的正弦和余弦信号之后都被同步采样ADC的驱动放大器捕捉。

ADC的每个通道都必须支持同步采样，以便同时获取正弦和余弦数据点，由这些数据点组合提供轴的位置信息。ADC转换结果会发送给ASIC或微控制器。电机控制器在每个PWM周期中查询编码器位置，然后根据接收的指令使用该数据来驱动电机。过去，为了集成到有限的板空间中，系统设计人员必须牺牲ADC速度或通道数。

图2.位置反馈系统。

优化位置反馈

随着技术不断发展，导致需要实施高精度位置检测的电机控制应用不断创新。光学编码器的分辨率可能由圆盘上精细光刻的槽数决定，通常有几百或几千个。将这些正弦和余弦信号插入到高速、高性能ADC中之后，无需对编码器圆盘实施系统变更，即可创建出分辨率更高的编码器。例如，以更低的速率对编码器的正弦和余弦信号采样时，只会捕捉到少数信号值，具体如图3所示；这会限制位置电容的精度。在图3中，当ADC以更快速率采样时，可以获取更详细的信号值，从而更精准地确定位置。ADC的高速采样速率支持过采样，进一步改善噪声性能，消除了一些数字后处理需求。与此同时，可以降低ADC的输出数据速率；也就是说，支持较慢的串行频率信号，因此简化了数字接口。电机位置反馈系统安装在电机总成上，在某些应用中，总成可能非常小巧。所以，能否装入编码器模块面积有限的PCB区域中，尺寸大小是关键。在单个微型封装中集成多个通道组件非常有利于节省空间。

图3.采样速率。

光学编码器位置反馈设计示例

图4所示为适合光学编码器位置反馈系统的优化解决方案示例。此电路很容易和绝对类型的光学编码器连接，然后电路很容易捕捉来自编码器的差分正弦和余弦信号。ADA4940-2前端放大器属于双通道、低噪声全差分放大器，用于驱动AD7380,后者属于双通道、16位全差分4 MSPS同步采样SAR ADC，采用3 mm × 3 mm小型LFCSP封装。片内2.5 V基准电压源允许此电路采用最少数量的组件。ADC的VCC和VDRIVE，以及放大器驱动器的电源轨道可由LDO稳压器供电，例如LT3023 和LT3032。当这些参考设计相互连接时（例如，使用一个1024槽光学编码器，在一个编码器圆盘周期中生成1024个正弦和余弦周期），16位AD7380在216个代码的各编码器槽中采样，将编码器的整体分辨率提高到26位。4 MSPS吞吐速率确保捕捉到正弦和余弦周期的详细信息，以及最新的编码器位置信息。高吞吐速率支持实施片内过采样，从而缩短数字ASIC或微控制器将精确的编码器位置反馈给电机时的时间延迟。AD7380片内过采样的另一个好处是：可以额外增加2位分辨率，可以和片内分辨率增强功能配合使用。分辨率增强功能可以进一步提升精度，最高可以达到28位。应用笔记AN-2003详细介绍了AD7380的这个过采样和分辨率增强功能。

图4.经过优化的反馈系统设计。

结论

电机控制系统需要更高的精度、更高的速度，以及更高程度的微型化。光学编码器被用作电机位置检测器件。所以，在测量电机位置时，光学编码器信号链必须具备高精度。高速度、高吞吐速率ADC准确捕捉信息，然后将电机位置数据发送给控制器。AD7380的速度、密度和性能可以满足行业要求，同时在位置反馈系统中实现更高的精度，并对系统实施优化。