Αυτό το άρθρο αντιμετωπίζει κοινές προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι σχεδιαστές στον τομέα του βιομηχανικού αυτοματισμού κατά την ανάπτυξη διεπαφών ανίχνευσης θέσης για έλεγχο κινητήρα-συγκεκριμένα, ανίχνευση θέσης σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλότερες ταχύτητες και μικρότερα μεγέθη. Η χρήση πληροφοριών που συλλέγονται από κωδικοποιητές για την ακριβή μέτρηση της θέσης του κινητήρα είναι κρίσιμη για την επιτυχή λειτουργία του αυτοματισμού και των μηχανημάτων. Γρήγοροι,{3}}υψηλής ανάλυσης, διπλής-σύγχρονης δειγματοληψίας αναλογικών-σε-μετατροπέων (ADC) διπλού καναλιού είναι βασικά στοιχεία τέτοιων συστημάτων.
Εισαγωγή
Οι ακριβείς πληροφορίες περιστροφής του κινητήρα, όπως η θέση, η ταχύτητα και η κατεύθυνση είναι απαραίτητες για την παραγωγή ακριβών οδηγών και ελεγκτών για αναδυόμενες εφαρμογές, όπως μηχανές συναρμολόγησης που τοποθετούν μικρο-εξαρτήματα σε περιοχές PCB με περιορισμένο χώρο. Πρόσφατα, ο έλεγχος κινητήρα άρχισε να μικραίνει, επιτρέποντας νέες εφαρμογές χειρουργικής ρομποτικής στον κλάδο της υγείας και νέες εφαρμογές drone στην αεροδιαστημική και την άμυνα. Οι μικρότεροι ελεγκτές κινητήρα οδηγούν επίσης νέες εφαρμογές στη βιομηχανική και εμπορική συναρμολόγηση. Για τους σχεδιαστές, η πρόκληση έγκειται στην ικανοποίηση των-απαιτήσεων υψηλής ακρίβειας των αισθητήρων ανάδρασης θέσης σε εφαρμογές υψηλής-ταχύτητας, ενώ ενσωματώνουν όλα τα εξαρτήματα σε περιορισμένο χώρο PCB για εγκατάσταση σε μικροσκοπικά πακέτα, όπως ρομποτικοί βραχίονες.
Εικόνα 1. Σύστημα ανάδρασης ελέγχου κινητήρα κλειστού-βρόχου
Έλεγχος κινητήρα
Ο βρόχος ελέγχου κινητήρα (όπως φαίνεται στο σχήμα 1) αποτελείται κυρίως από έναν κινητήρα, έναν ελεγκτή και μια διεπαφή ανάδρασης θέσης. Ο κινητήρας περιστρέφει τον άξονα, οδηγώντας τον ρομποτικό βραχίονα να κινηθεί ανάλογα. Ο ελεγκτής κινητήρα διαχειρίζεται πότε ο κινητήρας ασκεί δύναμη, πότε σταματά ή όταν συνεχίζει να περιστρέφεται. Η διεπαφή θέσης εντός του βρόχου παρέχει στον ελεγκτή πληροφορίες ταχύτητας και θέσης. Για μηχανές συναρμολόγησης που χειρίζονται PCB μικρών επιφανειών-μονταρίσματος, αυτά τα δεδομένα είναι κρίσιμα για τη σωστή λειτουργία. Όλες αυτές οι εφαρμογές απαιτούν ακριβή μέτρηση θέσης περιστρεφόμενων αντικειμένων.
Οι αισθητήρες θέσης πρέπει να διαθέτουν εξαιρετικά υψηλή ανάλυση για να ανιχνεύουν με ακρίβεια τη θέση του άξονα του κινητήρα, να μαζεύουν τα αντίστοιχα μικρο-εξαρτήματα και να τα τοποθετούν στις σωστές θέσεις στην πλακέτα. Επιπλέον, οι υψηλότερες ταχύτητες κινητήρα απαιτούν μεγαλύτερο εύρος ζώνης βρόχου και χαμηλότερο λανθάνοντα χρόνο.
Συστήματα ανάδρασης θέσης
Σε εφαρμογές χαμηλού{0}}τελικού, η ανίχνευση θέσης μπορεί να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας αυξητικούς αισθητήρες και συγκριτές. Ωστόσο, οι εφαρμογές υψηλού επιπέδου απαιτούν πιο σύνθετες αλυσίδες σήματος. Αυτά τα συστήματα ανάδρασης ενσωματώνουν αισθητήρες θέσης που ακολουθούνται από αναλογικό μπροστινό-ρυθμισμό σήματος, ένα ADC και ένα πρόγραμμα οδήγησης ADC. Τα δεδομένα διέρχονται από αυτά τα στοιχεία πριν εισέλθουν στον ψηφιακό τομέα. Ο πιο ακριβής αισθητήρας θέσης είναι ο οπτικός κωδικοποιητής. Ένας οπτικός κωδικοποιητής αποτελείται από μια πηγή φωτός LED, έναν σημειωμένο δίσκο συνδεδεμένο στον άξονα του κινητήρα και έναν φωτοανιχνευτή. Ο δίσκος διαθέτει αδιαφανείς και διαφανείς καλυμμένες περιοχές που εμποδίζουν ή επιτρέπουν στο φως να περάσει. Ο φωτοανιχνευτής ανιχνεύει αυτά τα φωτεινά σήματα, μετατρέποντας τους παλμούς φωτός ενεργοποίησης/απενεργοποίησης σε ηλεκτρονικά σήματα.
Καθώς ο δίσκος περιστρέφεται, ο φωτοανιχνευτής (συγχρονισμένος με το σχέδιο του δίσκου) παράγει μικρά σήματα ημιτονοειδούς και συνημιτονοειδούς (σε mV ή μV επίπεδο). Αυτή η διαμόρφωση είναι τυπική για τους οπτικούς κωδικοποιητές απόλυτης θέσης. Αυτά τα σήματα εισέρχονται σε κυκλώματα ρύθμισης αναλογικού σήματος (συνήθως αποτελούνται από διακριτούς ενισχυτές ή αναλογικά PGA για τη λήψη σημάτων έως 1 V αιχμής-έως{4}}εύρος αιχμής), συνήθως για να ταιριάξουν το εύρος τάσης εισόδου ADC στο μέγιστο δυναμικό εύρος. Κάθε ενισχυμένο σήμα ημιτονοειδούς και συνημιτονοειδούς συλλαμβάνεται στη συνέχεια από τον ενισχυτή κίνησης ενός ADC σύγχρονης δειγματοληψίας.
Κάθε κανάλι του ADC πρέπει να υποστηρίζει σύγχρονη δειγματοληψία για την ταυτόχρονη λήψη σημείων δεδομένων ημιτονοειδούς και συνημιτονοειδούς, καθώς αυτά τα συνδυασμένα σημεία παρέχουν τις πληροφορίες θέσης άξονα. Τα αποτελέσματα μετατροπής ADC αποστέλλονται σε ASIC ή μικροελεγκτή. Ο ελεγκτής κινητήρα μετράει τη θέση του κωδικοποιητή κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου PWM και χρησιμοποιεί αυτά τα δεδομένα για να οδηγεί τον κινητήρα σύμφωνα με τις λαμβανόμενες εντολές. Στο παρελθόν, για να ενσωματωθούν σε περιορισμένο χώρο πλακέτας, οι σχεδιαστές συστημάτων έπρεπε να θυσιάσουν είτε την ταχύτητα ADC είτε τον αριθμό καναλιών.
Εικόνα 2. Σύστημα ανάδρασης θέσης
Βελτιστοποιήστε την ανάδραση θέσης
Καθώς η τεχνολογία συνεχίζει να προοδεύει, οι εφαρμογές ελέγχου κινητήρα που απαιτούν ανίχνευση θέσης υψηλής ακρίβειας καινοτομούν συνεχώς. Η ανάλυση των οπτικών κωδικοποιητών μπορεί να προσδιοριστεί από τον αριθμό των λεπτών φωτολιθογραφημένων θυρίδων στο δίσκο, που συνήθως κυμαίνονται από εκατοντάδες έως χιλιάδες. Τροφοδοτώντας αυτά τα σήματα ημιτονοειδούς και συνημιτόνου σε ADC υψηλής-ταχύτητας και-υψηλής απόδοσης, μπορούν να δημιουργηθούν κωδικοποιητές με υψηλότερη ανάλυση χωρίς να απαιτούνται αλλαγές συστήματος στο δίσκο κωδικοποιητή. Για παράδειγμα, η δειγματοληψία των σημάτων ημιτονοειδούς και συνημιτονοειδούς του κωδικοποιητή με χαμηλότερο ρυθμό καταγράφει μόνο έναν περιορισμένο αριθμό τιμών σήματος, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 3. Αυτό περιορίζει την ακρίβεια της χωρητικότητας θέσης. Στο Σχήμα 3, η δειγματοληψία με υψηλότερο ρυθμό με το ADC επιτρέπει την απόκτηση πιο λεπτομερών τιμών σήματος, επιτρέποντας τον ακριβέστερο προσδιορισμό της θέσης. Ο ρυθμός δειγματοληψίας υψηλής ταχύτητας του ADC υποστηρίζει την υπερδειγματοληψία, βελτιώνοντας περαιτέρω την απόδοση θορύβου και εξαλείφοντας ορισμένες απαιτήσεις επεξεργασίας ψηφιακών αναρτήσεων. Ταυτόχρονα, ο ρυθμός δεδομένων εξόδου του ADC μπορεί να μειωθεί, πράγμα που σημαίνει ότι υποστηρίζει σήματα πιο αργής σειριακής συχνότητας, απλοποιώντας έτσι την ψηφιακή διεπαφή. Τα συστήματα ανάδρασης θέσης κινητήρα είναι τοποθετημένα στο συγκρότημα του κινητήρα, το οποίο σε ορισμένες εφαρμογές μπορεί να είναι εξαιρετικά συμπαγές. Επομένως, το μέγεθος είναι κρίσιμο για την τοποθέτηση της μονάδας κωδικοποιητή στην περιορισμένη διαθέσιμη περιοχή PCB. Η ενσωμάτωση στοιχείων πολλαπλών καναλιών σε ένα μόνο μικροσκοπικό πακέτο προσφέρει σημαντική εξοικονόμηση χώρου.
Εικόνα 3. Ρυθμός δειγματοληψίας
Παράδειγμα σχεδίασης Ανατροφοδότησης θέσης οπτικού κωδικοποιητή
Το σχήμα 4 απεικονίζει ένα παράδειγμα βελτιστοποιημένης λύσης κατάλληλης για συστήματα ανάδρασης θέσης οπτικού κωδικοποιητή. Αυτό το κύκλωμα συνδέεται εύκολα με οπτικούς κωδικοποιητές απόλυτου-τύπου και, στη συνέχεια, συλλαμβάνει εύκολα τα σήματα διαφορικού ημιτόνου και συνημιτόνου από τον κωδικοποιητή. Ο ενισχυτής ADA4940-2 μπροστινών-άκρων είναι ένας ενισχυτής διπλού-καναλιού, χαμηλού-του θορύβου, πλήρως διαφορικού που χρησιμοποιείται για την οδήγηση του AD7380. Το τελευταίο είναι ένα διπλό-κανάλι, 16-bit, πλήρως διαφορικό, 4 MSPS σύγχρονης δειγματοληψίας ADC SAR που στεγάζεται σε μια συμπαγή συσκευασία LFCSP 3 mm × 3 mm. Η πηγή τάσης αναφοράς 2,5 V στο -τσιπ επιτρέπει την υλοποίηση αυτού του κυκλώματος με ελάχιστο αριθμό εξαρτημάτων. Το VCC και το VDRIVE του ADC, μαζί με τις ράγες τροφοδοσίας του οδηγού του ενισχυτή, μπορούν να τροφοδοτούνται από ρυθμιστές LDO όπως τα LT3023 και LT3032. Όταν αυτά τα σχέδια αναφοράς είναι διασυνδεδεμένα (π.χ. χρησιμοποιώντας έναν οπτικό κωδικοποιητή 1024-υποδοχής που δημιουργεί 1024 κύκλους ημιτόνου και συνημιτόνου ανά περιστροφή δίσκου κωδικοποιητή), το AD7380 των 16 bit λαμβάνει δείγματα κάθε υποδοχής κωδικοποιητή σε 216 κωδικούς, αυξάνοντας τη συνολική ανάλυση του κωδικοποιητή σε 26 bits. Ο ρυθμός διεκπεραίωσης 4 MSPS διασφαλίζει τη λήψη λεπτομερών πληροφοριών κύκλου ημιτονοειδούς και συνημιτονοειδούς μαζί με τα πιο πρόσφατα δεδομένα θέσης κωδικοποιητή. Αυτή η υψηλή απόδοση επιτρέπει την εφαρμογή υπερδειγματοληψίας στο τσιπ, μειώνοντας τη χρονική καθυστέρηση όταν το ψηφιακό ASIC ή ο μικροελεγκτής τροφοδοτεί ακριβή ανατροφοδότηση θέσης κωδικοποιητή στον κινητήρα. Ένα άλλο πλεονέκτημα της υπερδειγματοληψίας στο chip του AD7380 είναι η δυνατότητα προσθήκης επιπλέον 2 bit ανάλυσης, τα οποία μπορούν να συνδυαστούν με τη δυνατότητα βελτίωσης ανάλυσης στο chip. Αυτή η βελτίωση ανάλυσης βελτιώνει περαιτέρω την ακρίβεια, επιτυγχάνοντας έως και 28 bit. Σημείωση Εφαρμογής Το AN-2003 παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τις δυνατότητες υπερδειγματοληψίας και βελτίωσης ανάλυσης του AD7380.
Εικόνα 4. Βελτιστοποιημένος σχεδιασμός συστήματος ανάδρασης
Σύναψη
Τα συστήματα ελέγχου κινητήρα απαιτούν μεγαλύτερη ακρίβεια, μεγαλύτερες ταχύτητες και μεγαλύτερη σμίκρυνση. Οι οπτικοί κωδικοποιητές χρησιμεύουν ως συσκευές ανίχνευσης θέσης κινητήρα. Επομένως, η αλυσίδα σήματος του οπτικού κωδικοποιητή πρέπει να παρέχει υψηλή ακρίβεια κατά τη μέτρηση της θέσης του κινητήρα. Τα ADC υψηλής-ταχύτητας, υψηλής-απόδοσης καταγράφουν με ακρίβεια πληροφορίες και μεταδίδουν δεδομένα θέσης κινητήρα στον ελεγκτή. Η ταχύτητα, η πυκνότητα και η απόδοση του AD7380 ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις του κλάδου, ενώ επιτρέπουν υψηλότερη ακρίβεια σε συστήματα ανάδρασης θέσης και βελτιστοποιώντας την υλοποίηση του συστήματος.
Συγγραφέας
Τζόναθαν Κολάο