Tässä artikkelissa käsitellään teollisuusautomaation suunnittelijoiden yleisiä haasteita, kun he kehittävät sijainnintunnistusrajapintoja moottorin ohjaukseen-erityisesti sijainnin havaitsemiseen sovelluksissa, jotka vaativat suurempia nopeuksia ja pienempiä kokoja. Koodareilta kerätyn tiedon hyödyntäminen moottorin asennon tarkkaan mittaamiseen on ratkaisevan tärkeää automaation ja koneiden onnistuneen toiminnan kannalta. Nopeat, korkearesoluutioiset, kaksi{4}}kanavaiset synkroniset analogia---digitaalimuuntimet (ADC) ovat tällaisten järjestelmien olennaisia osia.
Johdanto
Tarkat moottorin pyörimistiedot, kuten asento, nopeus ja suunta, ovat välttämättömiä tarkkojen käyttölaitteiden ja ohjaimien tuottamiseksi uusiin sovelluksiin, kuten kokoonpanokoneisiin, jotka kiinnittävät mikrokomponentteja piirilevyalueille, joilla on rajoitetusti tilaa. Viime aikoina moottoriohjaus on alkanut pienentyä, mikä mahdollistaa uudet kirurgiset robotiikkasovellukset terveydenhuoltoalalla ja uudet dronesovellukset ilmailu- ja puolustusteollisuudessa. Pienemmät moottoriohjaimet tuovat myös uusia sovelluksia teolliseen ja kaupalliseen kokoonpanoon. Suunnittelijoille haasteena on täyttää nopeiden sovellusten asennon palauteantureiden korkeat -tarkkuusvaatimukset- ja integroida kaikki komponentit rajoitettuun piirilevytilaan miniatyyripakkauksiin, kuten robottikäsivarsiin, asennettavaksi.
Kuva 1. Suljetun-silmukan moottorin ohjauksen palautejärjestelmä
Moottorin ohjaus
Moottorin ohjaussilmukka (kuten kuvassa 1) koostuu pääasiassa moottorista, ohjaimesta ja asennon takaisinkytkentärajapinnasta. Moottori pyörittää akselia ja ajaa robottivartta liikkumaan vastaavasti. Moottoriohjain hallitsee, milloin moottori käyttää voimaa, milloin se pysähtyy tai kun se jatkaa pyörimistä. Silmukan asentoliitäntä tarjoaa säätimelle nopeus- ja sijaintitietoja. Kokoonpanokoneille, jotka käsittelevät miniatyyri{5}}pinta-asennuspiirilevyjä, nämä tiedot ovat tärkeitä oikean toiminnan kannalta. Kaikki nämä sovellukset vaativat pyörivien kohteiden tarkan sijainnin mittauksen.
Asentoantureilla on oltava erittäin korkea resoluutio, jotta ne havaitsevat tarkasti moottorin akselin asennon, poimivat vastaavat mikro{0}}komponentit ja sijoittavat ne oikeisiin paikkoihin laudalla. Lisäksi suuremmat moottorin nopeudet vaativat suurempaa silmukan kaistanleveyttä ja pienempää latenssia.
Paikkapalautejärjestelmät
Halvoissa{0}}sovelluksissa sijainnin tunnistus voidaan toteuttaa käyttämällä inkrementtiantureita ja vertailulaitteita. Huippuluokan-sovellukset vaativat kuitenkin monimutkaisempia signaaliketjuja. Näissä palautejärjestelmissä on asentoantureita, joita seuraa analoginen etu{4}}signaalin säätö, ADC ja ADC-ohjain. Data kulkee näiden komponenttien läpi ennen siirtymistä digitaaliseen verkkoalueeseen. Tarkin asentoanturi on optinen kooderi. Optinen kooderi koostuu LED-valonlähteestä, moottorin akseliin kiinnitetystä levystä ja valoilmaisimesta. Levyssä on läpinäkymättömiä ja läpinäkyviä peitettyjä alueita, jotka estävät tai päästävät valon läpi. Valodetektori havaitsee nämä valosignaalit ja muuntaa päälle/pois-valopulssit elektronisiksi signaaleiksi.
Kun levy pyörii, valoilmaisin (synkronoitu levyn kuvion kanssa) tuottaa pieniä sini- ja kosinisignaaleja (mV- tai µV-tasolla). Tämä konfiguraatio on tyypillinen absoluuttisen sijainnin optisille koodereille. Nämä signaalit saapuvat analogisiin signaalinkäsittelypiireihin (jotka koostuvat tavallisesti erillisistä vahvistimista tai analogisista PGA-piireistä saadakseen jopa 1 V:n huippu---huipun alueen) tyypillisesti sovittaakseen ADC-tulojännitealueen maksimidynamiikka-alueeseen. Jokainen vahvistettu sini- ja kosinisignaali siepataan sitten synkronisen näytteenotto-ADC:n ohjausvahvistimella.
Jokaisen ADC:n kanavan on tuettava synkronista näytteenottoa sini- ja kosinitietopisteiden hankkimiseksi samanaikaisesti, koska nämä yhdistetyt pisteet tarjoavat akselin sijaintitiedot. ADC-muunnostulokset lähetetään ASIC- tai mikro-ohjaimeen. Moottoriohjain pollaa kooderin paikan jokaisen PWM-jakson aikana ja käyttää näitä tietoja moottorin ohjaamiseen vastaanotettujen komentojen mukaisesti. Aiemmin järjestelmäsuunnittelijat joutuivat uhraamaan joko ADC-nopeuden tai kanavien lukumäärän integroidakseen rajalliseen korttitilaan.
Kuva 2. Sijaintipalautejärjestelmä
Optimoi sijainnin palaute
Teknologian kehittyessä erittäin{0}}tarkkaa sijainnintunnistusta vaativat moottorinohjaussovellukset innovoivat jatkuvasti. Optisten kooderien resoluutio voidaan määrittää levyllä olevien hienosti valolitografoitujen paikkojen lukumäärällä, joka vaihtelee tyypillisesti sadoista tuhansiin. Syöttämällä nämä sini- ja kosinisignaalit nopeisiin-suorituskykyisiin-ADC:ihin, voidaan luoda korkeamman resoluution lähettimiä ilman, että enkooderilevylle tarvitsee tehdä järjestelmämuutoksia. Esimerkiksi kooderin sini- ja kosinisignaalien näytteistys pienemmällä nopeudella sieppaa vain rajoitetun määrän signaaliarvoja, kuten kuvassa 3 on esitetty; tämä rajoittaa paikkakapasitanssin tarkkuutta. Kuvassa 3 näytteistys suuremmalla nopeudella ADC:llä mahdollistaa yksityiskohtaisempien signaaliarvojen hankinnan, mikä mahdollistaa tarkemman paikanmäärityksen. ADC:n nopea{10}näytteenottotaajuus tukee ylinäytteistystä, parantaa melun suorituskykyä entisestään ja poistaa jotkin digitaalisen jälkikäsittelyn vaatimukset. Samalla ADC:n lähtödatanopeutta voidaan pienentää, mikä tarkoittaa, että se tukee hitaampia sarjataajuisia signaaleja, mikä yksinkertaistaa digitaalista liitäntää. Moottorin asennon palautejärjestelmät on asennettu moottorikokoonpanoon, joka joissakin sovelluksissa voi olla erittäin kompakti. Siksi koko on kriittinen sovitettaessa enkooderimoduuli rajoitettuun käytettävissä olevaan piirilevyalueeseen. Useiden kanavakomponenttien integrointi yhteen miniatyyripakettiin säästää huomattavasti tilaa.
Kuva 3. Näytteenottotaajuus
Suunnitteluesimerkki optisen kooderin sijaintipalautteen antamisesta
Kuva 4 havainnollistaa esimerkkiä optimoidusta ratkaisusta, joka soveltuu optisiin kooderipaikan takaisinkytkentäjärjestelmiin. Tämä piiri liittää helposti absoluuttisen-tyyppisten optisten kooderien kanssa ja kaappaa sitten helposti differentiaalisini- ja kosinisignaalit kooderista. ADA4940-2-etuvahvistin on kaksikanavainen-vähäkohinainen, täysin differentiaalinen vahvistin, jota käytetään AD7380:n ohjaamiseen. Jälkimmäinen on kaksikanavainen, 16-bittinen, täysin differentiaalinen, 4 MSPS:n synkroninen näytteenotto-SAR ADC, joka on sijoitettu kompaktiin 3 mm × 3 mm:n LFCSP-pakettiin. On-siru 2,5 V referenssijännitelähde mahdollistaa tämän piirin toteuttamisen mahdollisimman pienellä määrällä komponentteja. ADC:n VCC ja VDRIVE sekä vahvistimen ohjaimen syöttökiskot voivat saada virtaa LDO-säätimistä, kuten LT3023 ja LT3032. Kun nämä vertailumallit yhdistetään toisiinsa (esim. käyttämällä 1024-välin optista kooderia, joka tuottaa 1024 sini- ja kosinisykliä kooderin levyn kierrosta kohti), 16-bittinen AD7380 näyttelee jokaista kooderipaikkaa 216 koodin yli, mikä lisää kooderin kokonaisresoluutiota 26 bitin tarkkuudella. 4 MSPS:n läpäisynopeus varmistaa yksityiskohtaisten sini- ja kosinijaksotietojen talteenoton sekä viimeisimmät kooderin sijaintitiedot. Tämä suuri suorituskyky mahdollistaa sirun ylinäytteistyksen toteuttamisen, mikä vähentää aikaviivettä, kun digitaalinen ASIC tai mikro-ohjain syöttää tarkan kooderin paikkapalautteen moottorille. Toinen AD7380:n sirun ylinäytteistyksen etu on mahdollisuus lisätä 2 bittiä tarkkuutta, jotka voidaan yhdistää sirun resoluution parannusominaisuuteen. Tämä tarkkuuden parannus parantaa entisestään tarkkuutta ja saavuttaa jopa 28 bittiä. Sovellushuomautus AN-2003 sisältää yksityiskohtaisia tietoja AD7380:n ylinäytteitys- ja resoluution parantamisominaisuuksista.
Kuva 4. Optimoitu palautejärjestelmän suunnittelu
Johtopäätös
Moottorin ohjausjärjestelmät vaativat suurempaa tarkkuutta, suurempia nopeuksia ja suurempaa miniatyrisointia. Optiset anturit toimivat moottorin asennon tunnistuslaitteina. Siksi optisen kooderin signaaliketjun on tarjottava suuri tarkkuus moottorin asentoa mitattaessa. Nopeat-nopeat,-suorituskykyiset ADC:t tallentavat tiedot tarkasti ja lähettävät moottorin sijaintitiedot ohjaimelle. AD7380:n nopeus, tiheys ja suorituskyky vastaavat alan vaatimuksia samalla, kun ne mahdollistavat suuremman tarkkuuden paikkapalautejärjestelmissä ja optimoivat järjestelmän toteutuksen.
Tekijä
Jonathan Colao