用于微型电机驱动应用的快速反应光学编码器反馈系统

本文深入探讨了工业自动化中电机控制位置传感接口设计人员面临的常见问题，即能够在更快、更小尺寸的应用中感测位置。从编码器捕获信息以准确测量电机位置对于自动化和机器人设备的成功运行非常重要。快速、高分辨率、双通道、同步采样模数转换器（ADC）是该系统的重要组成部分。

介绍

电机旋转信息（如位置、速度和方向）必须准确，以便在各种新兴应用中产生精确的驱动器和控制器，例如，在有限的PCB区域内安装微型元件的拾取和放置机器中。最近，电机控制已经小型化，在医疗保健的手术机器人以及航空航天和国防的无人机中实现了新的应用。较小的电机控制器还支持工业和商业安装中的新应用。设计人员面临的挑战是满足高速应用中位置反馈传感器的高精度要求，同时将所有组件注入有限的PCB空间，以安装在微型外壳（如机械臂）中。

图1.闭环电机控制反馈系统。

电机控制

如图1所示，电机控制回路主要由电机、控制器和位置反馈接口组成。电机转动旋转轴，使机器的臂相应地移动。电机控制器告诉电机何时施加力、停止或继续旋转。回路中的位置接口向控制器提供转速和位置信息。这些数据对于用于组装微型表面贴装 PCB 的拾取和放置机器的正常运行至关重要。所有这些应用都需要有关旋转物体的精确位置测量信息。

位置传感器分辨率必须非常高，足以准确检测电机轴位置，正确拾取微小组件，并将其精确地放置在电路板上。此外，更高的电机转速会导致更高的环路带宽和更低的延迟要求。

位置反馈系统

在低端应用中，增量式传感器和比较器可能足以进行位置检测，而高端应用则需要更复杂的信号链。这些反馈系统包括位置传感器，然后是模拟前端信号调理、ADC及其驱动器，然后数据进入数字域。最精确的位置传感器之一是光学编码器。光学编码器由LED光源、附在电机轴上的标记盘和光电探测器组成。圆盘具有不透明和透明区域的遮罩图案，可遮挡光线或允许光线通过。光电探测器感测产生的光，并将开/关光信号转换为电信号。

当圆盘转动时，光电探测器与圆盘的图案相结合，产生mV或μV级的小正弦和余弦信号。该系统是绝对位置光学编码器的典型系统。这些信号被馈送到模拟信号调理电路，该电路通常由分立放大器或模拟PGA组成，以获得高达1 V p-p范围的信号，通常适合ADC输入电压范围以获得最大动态范围。然后，每个放大的正弦和余弦信号由同步采样ADC的驱动放大器采集。

ADC必须在其通道上同时采样，以便在完全相同的时间点获取正弦和余弦数据点，因为该组合可提供轴位置信息。ADC转换结果被传递到ASIC或微控制器。电机控制器在每个PWM周期查询编码器位置，并根据收到的指令使用此数据驱动电机。过去，系统设计人员必须牺牲ADC速度或通道数，以适应限制性电路板尺寸。

图2.位置反馈系统。

优化位置反馈

不断发展的技术需求催生了需要高精度位置检测的电机控制应用的创新。光学编码器的分辨率可以基于光盘中精细光刻刻的插槽数量，通常为数百或数千。将这些正弦和余弦信号插值到高速、高性能ADC中，将使我们能够创建更高分辨率的编码器，而无需对编码器盘进行系统更改。例如，当编码器正弦和余弦信号以较慢的速率采样时，捕获的信号值较少，如图3所示;这也限制了仓位上限的准确性。在图3中，当ADC以更快的速率采样时，捕获更详细的信号值，并确定更高精度的位置。ADC的高速采样速率允许过采样，进一步改善噪声性能，消除一些数字后处理需求。同时，它降低了ADC的输出数据速率;也就是说，允许较慢的串行频率信号，从而简化数字接口。电机位置反馈系统安装在电机组件中，在某些应用中可能非常小。因此，尺寸对于适应编码器模块的有限PCB区域至关重要。在单个微型封装中出现多个通道组件最适合节省空间。

图3.采样率。

光学编码器位置反馈设计示例

光学编码器位置反馈系统的优化解决方案示例如图4所示。该电路可以很容易地连接到绝对型光学编码器，其中来自编码器的差分正弦和余弦信号可以很容易地被电路捕获。ADA4940-2前端放大器是一款双通道、低噪声、全差分放大器，用于驱动双通道、16位、全差分、4 MSPS同步采样SAR ADC，采用3 mm×3 mm LFCSP小型封装。片内2.5 V基准电压源可满足该电路的最低元件要求。五世抄送和 V驾驶的 ADC 和放大器驱动器的电源轨可由一个 LDO 稳压器（例如 LT3023 和 LT3032）供电。当这些参考设计与1024槽光学编码器接口时，该编码器在编码器盘的一圈内产生1024个正弦和余弦周期，16位AD7380对每个编码器槽的采样频率为216代码，总体上将编码器分辨率提高到 26 位。4 MSPS吞吐速率可确保捕获详细的正弦和余弦周期，并确保编码器位置是最新的。高吞吐速率可实现片上过采样，从而减少数字ASIC或微控制器向电机馈送精确编码器位置的时间损失。AD7380片内过采样的另一个优点是，它允许额外的2位分辨率，可轻松与片内分辨率提升功能一起使用。分辨率提升可以进一步提高精度，最高可达28位。应用笔记AN-2003详细介绍了AD7380的过采样和分辨率提升特性。

图4.优化反馈系统设计。

结论

电机控制系统对更高精度、更高速度和小型化的需求正在增加。光学编码器用作电机位置传感设备。为此，光学编码器信号链在测量电机位置时必须具有高精度。高速、高吞吐量ADC可准确捕获信息并将电机位置数据馈送到控制器。AD7380的速度、密度和性能可满足行业需求，同时在位置反馈系统中实现更高水平的精度和优化。

审核编辑：郭婷