使用DAC精确控制线性执行器

工业执行器的有效控制需要精确、可重复的控制。线性执行器控制具有高精度控制环路，具有高分辨率、单调性、低建立时间和低代码到代码的毛刺能量。该设计解决方案简要讨论了与实现精确线性执行器控制相关的问题，并说明了为什么线性执行器是许多应用的不错选择。然后，它揭示了如何利用数模转换器（DAC）的超低建立时间和毛刺能量。

介绍

与电动机的圆周运动相反，线性执行器产生直线运动。机床和工业机械在计算机打印机、阀门和阻尼器以及需要直线运动的地方使用线性执行器。

工业执行器的有效控制需要精确、可重复的控制。有效的线性执行器控制具有具有高分辨率、单调性、低建立时间和低代码到代码毛刺能量的精密控制环路。

这种设计对设计人员来说具有挑战性，因为精密执行器需要高精度数模转换器（DAC）来启动线性运动。线性致动器通常是机械的，对于应用来说太慢，而离散致动器不够精确。

在许多应用中，高精度线性执行器控制的解决方案在于机床。工业机械必须具有精确、低毛刺和快速的DAC，为计算机打印机、阀门和阻尼器以及某些需要线性运动的应用创建高精度控制系统。

该设计解决方案简要讨论了与实现精确线性执行器控制相关的问题，并说明了为什么线性执行器是许多应用的不错选择。然后介绍精密DAC，并揭示如何利用其单调性、超低建立时间和毛刺能量。

线性运动控制

精密运动控制应用利用高精度控制回路，如线性执行器控制。图2显示了DAC驱动的线性执行器电路的框图。

图2.精密DAC驱动的线性执行器在执行器动作期间提供精确的位置。

在图2中，高速DAC通过驱动放大器驱动线性执行器。精密 16 位 DAC 发送模拟输出电压，该电压可随满量程执行器变化或运动中的微小增加或减少而变化。

DAC单调性

DAC单调性意味着数字代码输入的增加（或减少）将始终不会改变或增加（或减少）模拟输出。

对于线性促动器，非单调DAC会导致促动器因预期的延长事件而缩短。使用反馈回路时，该误差会导致发生振荡，执行器中的电气元件将尝试纠正该误差。

如果DAC数据手册中没有单调性规格，则差分非线性（DNL）规格意味着DAC的单调性能力。

DNL误差是模拟实际步宽与一个LSB的理想模拟值之间的差值。对于DNL等于0 LSB的理想DAC，每个数字步进等于1 LSB。1 LSB 等于 V司 司长/2N，其中 V司 司长是DAC的满量程范围，N是DAC的分辨率。如果从代码到代码的实际DAC步长小于1 LSB，则DNL为负数。

小于-1 LSB的DNL误差表示转换值与预期转换直接相反，从而产生缺失代码或模拟值随着数字输入代码的增加而减少的实例。换句话说，小于-1 LSB的DNL误差意味着DAC是非单调的。

在图3中，DAC的DNL图在X轴上显示数字输入代码，在Y轴上显示模拟输出（电压或电流）。

图3.在此图中，DAC DNL确定转换器的单调性，使该DAC成为单调器件。

DNL 小于 -1 LSB 表示非单调 DAC。对于此图，即使DNL误差为-1/2 LSB，模拟输出也会随着数字代码的增加而增加。在图3中，DAC是单调的。

DAC建立时间和转换速度

输出建立时间是DAC输出从零输出到满量程建立到指定电平所需的最长时间。在该电路中，DAC建立时间定义了执行器的速度。

建立时间测量从LDAC的下降沿开始（图4）。

图4.16位DAC的典型建立时间为750ns。

图4显示了实际DAC的建立时间示例。值得注意的是，模拟输出信号从零到满量程的特性表现出一阶低通滤波器。750ns（典型值）DAC建立时间发生在信号稳定在理想最终模拟电压附近的±1 LSB频带内时。将建立时间乘以 2 确定 DAC 的带宽，等于 667kHz。

数字转换器毛刺能量

理想情况下，DAC输出从一个值单调移动到下一个值。实际电路可能有轻微的下冲或过冲。这种动态规格的DAC特性会暂时输出错误电压，从而破坏闭环线性执行器系统的运行。代码到代码转换发生的过冲或欠冲量化了毛刺脉冲规格（图 5）。

图5.（A） 当数字主载波与DAC的其余代码相反而变化时，就会发生DAC毛刺能量。（B） 串式DAC产生单个波瓣的毛刺能量。（C） R-2R DAC产生双瓣。

图5显示了DAC容性耦合电荷注入误差如何在主代码转换时产生过冲和下冲（当DAC代码从1000...到 0111...内部DAC开关同步并不总是完美的，这会在DAC的输出端产生过冲和/或下冲信号。

串式DAC产生的毛刺脉冲产生单瓣毛刺脉冲（B） R-2R DAC（C）产生两个区域的代码转换误差。在这种情况下，从负毛刺脉冲 （G1） 中减去正毛刺脉冲 （G2）。

由于毛刺脉冲非常快，因此捕获毛刺所含区域的测量单位为纳伏秒（nV-s）（图6）。

图6.该R-2R DAC主承载（7FFF至8000）输出毛刺为0.05nV-s。

在图6中，20位DAC的0.05nV-s低毛刺会对线性执行器的工作产生很小的干扰。

DAC的执行器精度

MAX5717/MAX5719是16位、精密、高速DAC，具有单调性、750ns建立时间和0.05nV-s超低毛刺能量，可预先确定线性执行器的精密性能（图7）。

图7.具有3线SPI、QSPI™、微线和DSP兼容串行接口的16位/20位DAC框图。

MAX5717/MAX5719为串行输入、无缓冲、16位和20位电压输出单极性DAC，集成反馈电阻，与外部运算放大器配合使用时允许双极性工作。 在单极性模式下，DAC在上电时复位至零。这些DAC提供低噪声、紧密的双极性电阻匹配和高精度。集成的精密设置电阻使DAC易于使用。

结论

对精确的线性执行器控制的需求不一定是事后的想法。简单的解决方案通常是机械的，而且速度太慢，而离散的执行器缺乏精度。在规划过程中，重要的是要考虑各种规格优势并应用集成解决方案。精密、低毛刺、高速DAC提供了一种简单、有效的反馈解决方案，让线性执行器控制设计人员高枕无忧。

审核编辑：郭婷