See artikkel käsitleb sagedasemaid väljakutseid, millega seisavad silmitsi tööstusautomaatika valdkonna disainerid, kui nad arendavad asukohatuvastusliideseid mootori juhtimiseks-, asukoha tuvastamiseks rakendustes, mis nõuavad suuremat kiirust ja väiksemaid suurusi. Kodeerijatest kogutud teabe kasutamine mootori asukoha täpseks mõõtmiseks on automaatika ja masinate edukaks toimimiseks ülioluline. Kiired, kõrge eraldusvõimega-kahe kanaliga sünkroonse proovivõtu analoog---digitaalmuundurid (ADC-d) on selliste süsteemide olulised komponendid.
Sissejuhatus
Täpne mootori pöörlemisteave, nagu asend, kiirus ja suund, on oluline täpsete ajamite ja kontrollerite tootmiseks uute rakenduste jaoks, nagu monteerimismasinad, mis kinnitavad mikro-komponente PCB-aladele, kus on piiratud ruumi. Hiljuti on mootorijuhtimine hakanud miniatuurseks muutuma, võimaldades uusi kirurgilise robootika rakendusi tervishoiutööstuses ja uusi droonirakendusi kosmose- ja kaitsevaldkonnas. Väiksemad mootorikontrollerid toovad kaasa ka uusi rakendusi tööstuslikul ja kaubanduslikul kokkupanekul. Disainerite jaoks on väljakutse täita kiirete rakenduste asukohatagasiside andurite kõrged-täpsusnõuded-, integreerides samal ajal kõik komponendid piiratud PCB ruumi, et paigaldada need miniatuursetesse pakenditesse, nagu robotkäed.
Joonis 1. Suletud-ahela mootori juhtimise tagasisidesüsteem
Mootori juhtimine
Mootori juhtimisahel (nagu on näidatud joonisel 1) koosneb peamiselt mootorist, kontrollerist ja asendi tagasiside liidesest. Mootor pöörab võlli, pannes robotkäe vastavalt liikuma. Mootori kontroller juhib seda, millal mootor rakendab jõudu, millal see peatub või jätkab pöörlemist. Silmuses olev asendiliides annab kontrollerile kiiruse ja asukohateavet. Miniatuurseid pindpaigaldatud trükkplaate{5}}käsitlevate koostemasinate puhul on need andmed õigeks tööks üliolulised. Kõik need rakendused nõuavad pöörlevate objektide täpset asukoha mõõtmist.
Asendianduritel peab olema äärmiselt kõrge eraldusvõime, et täpselt tuvastada mootori võlli asend, korjata vastavad mikro{0}}komponendid ja paigutada need tahvlil õigetesse kohtadesse. Lisaks nõuavad suuremad mootorikiirused suuremat ahela ribalaiust ja väiksemat latentsust.
Positsioonide tagasiside süsteemid
Madalama hinnaga{0}}rakendustes võib asukoha tuvastamist rakendada järk-järguliste andurite ja komparaatorite abil. Tipptasemel-rakendused nõuavad aga keerukamaid signaaliahelaid. Need tagasisidesüsteemid sisaldavad asukohaandureid, millele järgneb analoog esi{4}}signaali konditsioneerimine, ADC ja ADC draiver. Andmed läbivad neid komponente enne digitaalsesse domeeni sisenemist. Kõige täpsem asendiandur on optiline kodeerija. Optiline kodeerija koosneb LED-valgusallikast, mootori võlli külge kinnitatud märgistatud kettast ja fotodetektorist. Kettal on läbipaistmatud ja läbipaistvad maskeeritud alad, mis blokeerivad või lasevad valgust läbida. Fotodetektor tuvastab need valgussignaalid, muutes sisse/välja valgusimpulsid elektroonilisteks signaalideks.
Kui ketas pöörleb, genereerib fotodetektor (sünkroonitud ketta mustriga) väikseid siinus- ja koosinussignaale (mV või µV tasemel). See konfiguratsioon on tüüpiline absoluutse positsiooni optiliste kodeerijate jaoks. Need signaalid sisenevad analoogsignaali konditsioneerimisahelatesse (mis koosnevad tavaliselt diskreetsetest võimenditest või analoog-PGA-dest, et saada signaale kuni 1 V tipp---tippvahemikus), tavaliselt selleks, et sobitada ADC sisendpinge vahemik maksimaalse dünaamilise vahemikuga. Seejärel hõivab iga võimendatud siinus- ja koosinussignaal sünkroonse diskreetimis-ADC ajamvõimendi.
ADC iga kanal peab toetama sünkroonset diskreetimist, et saada samaaegselt siinus- ja koosinusandmepunkte, kuna need kombineeritud punktid annavad telje asukoha teabe. ADC teisenduse tulemused saadetakse ASIC-le või mikrokontrollerile. Mootorikontroller küsib iga PWM-tsükli ajal koodri positsiooni ja kasutab neid andmeid mootori juhtimiseks vastavalt vastuvõetud käskudele. Varem pidid süsteemidisainerid piiratud plaadiruumi integreerimiseks ohverdama kas ADC kiiruse või kanalite arvu.
Joonis 2. Asukoha tagasiside süsteem
Optimeerige positsiooni tagasisidet
Tehnoloogia arenedes on mootorijuhtimisrakendused, mis nõuavad väga{0}}täpset asukohatuvastust, pidevalt uuendusi. Optiliste kodeerijate eraldusvõime võib määrata ketta peenelt fotolitograafiliste pesade arvu järgi, mis tavaliselt ulatuvad sadadest tuhandeteni. Sisestades need siinus- ja koosinussignaalid kiiretesse-suure jõudlusega-ADC-desse, saab luua suurema eraldusvõimega kodeerijaid, ilma et oleks vaja kodeerija kettal süsteemi muudatusi teha. Näiteks kodeerija siinus- ja koosinussignaalide diskreetimine madalama kiirusega hõivab ainult piiratud arvu signaali väärtusi, nagu on näidatud joonisel 3; see piirab positsioonimahtuvuse täpsust. Joonisel fig 3 võimaldab ADC-ga suurema kiirusega diskreetimine hankida üksikasjalikumaid signaali väärtusi, mis võimaldab täpsemat asukoha määramist. ADC{10}}kiire diskreetimissagedus toetab ülediskreetimist, parandades veelgi müra jõudlust ja kõrvaldades mõned digitaalse järeltöötluse nõuded. Samal ajal saab ADC väljundandmeedastuskiirust vähendada, mis tähendab, et see toetab aeglasemaid jadasageduslikke signaale, lihtsustades seeläbi digitaalset liidest. Mootori asendi tagasisidesüsteemid on paigaldatud mootorisõlmele, mis mõnes rakenduses võib olla äärmiselt kompaktne. Seetõttu on suurus kriitilise tähtsusega kodeerija mooduli paigaldamisel piiratud saadaolevasse PCB alasse. Mitme kanali komponendi integreerimine ühte minipaketti võimaldab oluliselt säästa ruumi.
Joonis 3. Diskreetimissagedus
Disaininäide optilise kodeerija asukoha tagasisidest
Joonis 4 illustreerib optilise kodeerija asukoha tagasisidesüsteemide jaoks sobiva optimeeritud lahenduse näidet. See vooluahel liidestub hõlpsalt absoluutset-tüüpi optiliste kodeerijatega, seejärel püüab kergesti kodeerija diferentsiaalsiinus- ja koosinussignaalid. ADA4940-2 esiotsa-võimendi on kahe-kanaliga, madala-müraga täielikult diferentsiaalvõimendi, mida kasutatakse AD7380 juhtimiseks. Viimane on kahe-kanaliga, 16-bitine, täielikult diferentsiaalne, 4 MSPS-i sünkroonse sämplimisega SAR ADC, mis on paigutatud kompaktsesse 3 mm × 3 mm LFCSP-paketti. Kiibi 2,5 V võrdluspingeallikas võimaldab seda vooluahelat rakendada minimaalse arvu komponentidega. ADC VCC ja VDRIVE koos võimendi draiveri toiterööbastega saavad toidet LDO regulaatoritega, nagu LT3023 ja LT3032. Kui need võrdluskonstruktsioonid on omavahel ühendatud (nt kasutades 1024-pesaga optilist kodeerijat, mis genereerib 1024 siinus- ja koosinustsüklit kodeerija ketta pöörde kohta), proovib 16-bitine AD7380 iga kodeerija pesa 216 koodi vahel, suurendades kodeerija üldise eraldusvõimeni 26 bitti. 4 MSPS-i läbilaskevõime tagab üksikasjaliku siinus- ja koosinustsükliteabe jäädvustamise koos uusimate koodri asukohaandmetega. See suur läbilaskevõime võimaldab rakendada kiibil asuvat ülediskreetimist, vähendades viivitust, kui digitaalne ASIC või mikrokontroller edastab mootorile täpse koodri asukoha tagasiside. Teine AD7380 kiibisisese ülediskretsiooni eelis on võimalus lisada veel 2 bitti eraldusvõimet, mida saab kombineerida kiibil oleva eraldusvõime suurendamise funktsiooniga. See eraldusvõime täiustamine parandab veelgi täpsust, saavutades kuni 28 bitti. Rakenduse märkus AN-2003 pakub üksikasjalikku teavet AD7380 ülediskreetimis- ja eraldusvõime suurendamise võimaluste kohta.
Joonis 4. Optimeeritud tagasisidesüsteemi disain
Järeldus
Mootori juhtimissüsteemid nõuavad suuremat täpsust, suuremat kiirust ja suuremat miniatuursust. Optilised kodeerijad on mootori asukoha tuvastamise seadmed. Seetõttu peab optilise kodeerija signaaliahel tagama mootori asendi mõõtmisel suure täpsuse. Kiire-kiire,-läbilaskevõimega ADC-d koguvad täpselt teavet ja edastavad mootori asukoha andmed kontrollerile. AD7380 kiirus, tihedus ja jõudlus vastavad tööstusharu nõuetele, võimaldades samal ajal suuremat täpsust asukoha tagasisidesüsteemides ja optimeerides süsteemi rakendamist.
Autor
Jonathan Colao