این مقاله به چالشهای رایجی که طراحان در زمینه اتوماسیون صنعتی با آنها روبهرو هستند، در هنگام توسعه رابطهای تشخیص موقعیت برای کنترل موتور{0}}بهویژه، تشخیص موقعیت در برنامههایی که به سرعتهای بالاتر و اندازههای کوچکتر نیاز دارند، میپردازد. استفاده از اطلاعات گرفته شده از رمزگذارها برای اندازه گیری دقیق موقعیت موتور برای عملکرد موفقیت آمیز اتوماسیون و ماشین آلات حیاتی است. مبدلهای سریع،{3}}روزولوشن بالا،{4}}نمونهبرداری همزمان آنالوگ دو کاناله-به{6}}دیجیتال (ADC) اجزای ضروری چنین سیستمهایی هستند.
مقدمه
اطلاعات دقیق چرخش موتور مانند موقعیت، سرعت و جهت برای تولید درایوها و کنترلکنندههای دقیق برای برنامههای در حال ظهور، مانند ماشینهای مونتاژی که اجزای میکرو- را بر روی مناطق PCB با فضای محدود نصب میکنند، ضروری است. اخیراً، کنترل موتور شروع به کوچکسازی کرده است و کاربردهای جدید رباتیک جراحی در صنعت مراقبتهای بهداشتی و کاربردهای جدید پهپادها در هوافضا و دفاع را ممکن میسازد. کنترلکنندههای موتور کوچکتر نیز کاربردهای جدیدی در مونتاژ صنعتی و تجاری دارند. برای طراحان، چالش در برآوردن-نیازمندیهای دقت بالای حسگرهای بازخورد موقعیت در برنامههای کاربردی-سرعت بالا و در عین حال ادغام همه اجزا در فضای محدود PCB برای نصب در بستههای مینیاتوری، مانند بازوهای روباتیک، نهفته است.
شکل 1. سیستم بازخورد کنترل موتور حلقه بسته
کنترل موتور
حلقه کنترل موتور (همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است) در درجه اول از یک موتور، یک کنترل کننده و یک رابط بازخورد موقعیت تشکیل شده است. موتور شفت را می چرخاند و بازوی رباتیک را به حرکت در می آورد. کنترل کننده موتور زمانی که موتور نیرو وارد می کند، زمانی که متوقف می شود یا زمانی که به چرخش خود ادامه می دهد، مدیریت می کند. رابط موقعیت در حلقه اطلاعات سرعت و موقعیت را در اختیار کنترلر قرار می دهد. برای ماشینهای مونتاژی که PCBهای مینیاتوری را-روی نصب میکنند، این دادهها برای عملکرد صحیح بسیار مهم است. همه این کاربردها به اندازه گیری دقیق موقعیت اجسام در حال چرخش نیاز دارند.
حسگرهای موقعیت باید وضوح بسیار بالایی داشته باشند تا موقعیت شفت موتور را به طور دقیق تشخیص دهند، اجزای میکرو{0} مربوطه را برداشته و در مکانهای صحیح روی برد قرار دهند. علاوه بر این، سرعت موتورهای بالاتر به پهنای باند حلقه بیشتر و تاخیر کمتری نیاز دارد.
سیستم های بازخورد موقعیت
در برنامههای کاربردی پایین{0}}، تشخیص موقعیت ممکن است با استفاده از حسگرها و مقایسهکنندههای افزایشی اجرا شود. با این حال، برنامههای کاربردی{2}}بالا نیاز به زنجیره سیگنال پیچیدهتری دارند. این سیستمهای بازخورد دارای حسگرهای موقعیت هستند و به دنبال آن تهویه سیگنال جلوی آنالوگ، یک ADC و یک درایور ADC وجود دارد. داده ها قبل از ورود به حوزه دیجیتال از این اجزا عبور می کنند. دقیق ترین حسگر موقعیت، رمزگذار نوری است. یک رمزگذار نوری از یک منبع نور LED، یک دیسک علامت گذاری شده متصل به شفت موتور و یک آشکارساز نوری تشکیل شده است. دیسک دارای نواحی مات و شفاف است که نور را مسدود کرده یا اجازه عبور می دهد. ردیاب نوری این سیگنال های نوری را تشخیص می دهد و پالس های روشن/خاموش نور را به سیگنال های الکترونیکی تبدیل می کند.
همانطور که دیسک می چرخد، ردیاب نوری (همگام با الگوی دیسک) سیگنال های کوچک سینوسی و کسینوس (در سطح mV یا μV) تولید می کند. این پیکربندی برای رمزگذارهای نوری موقعیت مطلق معمولی است. این سیگنالها وارد مدارهای تهویه سیگنال آنالوگ میشوند (معمولاً از تقویتکنندههای گسسته یا PGA آنالوگ برای به دست آوردن سیگنالهایی تا حداکثر 1 ولت-تا-محدوده پیک) معمولاً برای مطابقت با محدوده ولتاژ ورودی ADC با حداکثر دامنه دینامیکی. سپس هر سیگنال سینوس و کسینوس تقویت شده توسط تقویت کننده درایو یک ADC نمونه برداری سنکرون گرفته می شود.
هر کانال ADC باید از نمونه گیری همزمان برای بدست آوردن نقاط داده سینوسی و کسینوس به طور همزمان پشتیبانی کند، زیرا این نقاط ترکیبی اطلاعات موقعیت محور را ارائه می دهند. نتایج تبدیل ADC به یک ASIC یا میکروکنترلر ارسال می شود. کنترل کننده موتور موقعیت رمزگذار را در طول هر چرخه PWM بررسی می کند و از این داده ها برای به حرکت درآوردن موتور طبق دستورات دریافتی استفاده می کند. در گذشته، برای ادغام در فضای محدود برد، طراحان سیستم مجبور بودند سرعت ADC یا تعداد کانال را قربانی کنند.
شکل 2. سیستم بازخورد موقعیت
بهینه سازی بازخورد موقعیت
با ادامه پیشرفت فناوری، برنامههای کنترل موتور که نیازمند تشخیص موقعیت با دقت بالا هستند، دائماً نوآوری میکنند. وضوح انکودرهای نوری ممکن است با تعداد شکاف های فتولیتوگراف ریز روی دیسک تعیین شود که معمولاً از صدها تا هزاران متغیر است. با تغذیه این سیگنالهای سینوسی و کسینوس به ADCهای-سرعت{{4} با کارایی بالا، میتوان رمزگذارهایی با وضوح بالاتر بدون نیاز به تغییرات سیستم در دیسک رمزگذار ایجاد کرد. برای مثال، نمونهبرداری از سیگنالهای سینوسی و کسینوس رمزگذار با نرخ پایینتر، تنها تعداد محدودی از مقادیر سیگنال را میگیرد، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. این دقت ظرفیت ظرفیت موقعیت را محدود می کند. در شکل 3، نمونه برداری با نرخ بالاتر با ADC امکان دستیابی به مقادیر سیگنال دقیق تری را فراهم می کند و تعیین موقعیت دقیق تری را ممکن می سازد. سرعت نمونهبرداری با سرعت بالای ADC از نمونهبرداری بیش از حد پشتیبانی میکند، عملکرد نویز را بیشتر بهبود میبخشد و برخی از الزامات پردازش پست دیجیتال را حذف میکند. به طور همزمان، نرخ داده خروجی ADC را می توان کاهش داد، به این معنی که از سیگنال های فرکانس سریال کندتر پشتیبانی می کند و در نتیجه رابط دیجیتال را ساده می کند. سیستم های بازخورد موقعیت موتور بر روی مجموعه موتور نصب شده اند که در برخی کاربردها ممکن است بسیار فشرده باشد. بنابراین، اندازه برای قرار دادن ماژول رمزگذار در ناحیه محدود PCB موجود بسیار مهم است. ادغام اجزای چند کاناله در یک بسته مینیاتوری صرفه جویی قابل توجهی در فضا می کند.
شکل 3. نرخ نمونه برداری
نمونه طراحی بازخورد موقعیت رمزگذار نوری
شکل 4 نمونه ای از راه حل بهینه شده مناسب برای سیستم های بازخورد موقعیت رمزگذار نوری را نشان می دهد. این مدار به راحتی با رمزگذارهای نوری{2} نوع مطلق ارتباط برقرار میکند، سپس سیگنالهای سینوس و کسینوس دیفرانسیل را از رمزگذار به آسانی دریافت میکند. تقویت کننده ADA4940-2-قبلی- یک تقویت کننده دو کاناله-کم- و کاملاً دیفرانسیل است که برای راندن AD7380 استفاده میشود. دومی یک کانال دو کاناله، 16-بیتی، کاملاً دیفرانسیل، 4 MSPS نمونه برداری همزمان SAR ADC است که در یک بسته فشرده LFCSP 3 میلی متر × 3 میلی متر قرار دارد. منبع ولتاژ مرجع 2.5 ولتی روی تراشه، این مدار را قادر میسازد با حداقل تعداد اجزا اجرا شود. VCC و VDRIVE ADC، همراه با ریل تغذیه درایور تقویت کننده، می توانند توسط تنظیم کننده های LDO مانند LT3023 و LT3032 تغذیه شوند. هنگامی که این طرحهای مرجع به هم متصل میشوند (مثلاً با استفاده از یک رمزگذار نوری با اسلات 1024- که 1024 سیکل سینوسی و کسینوس را در هر چرخش دیسک رمزگذار ایجاد میکند)، AD7380 16 بیتی از هر شیار رمزگذار در 216 کد نمونهبرداری میکند و وضوح کلی رمزگذار را به 26 بیت افزایش میدهد. نرخ خروجی 4 MSPS ضبط اطلاعات دقیق سیکل سینوسی و کسینوس را به همراه آخرین داده های موقعیت رمزگذار تضمین می کند. این توان عملیاتی بالا، اجرای بیشنمونهگیری روی تراشه را امکانپذیر میسازد و تاخیر زمانی را که ASIC دیجیتال یا میکروکنترلر بازخورد دقیق موقعیت رمزگذار را به موتور میدهد، کاهش میدهد. یکی دیگر از مزایای نمونه برداری بیش از حد روی تراشه AD7380، پتانسیل اضافه کردن 2 بیت وضوح اضافی است که می تواند با ویژگی افزایش وضوح روی تراشه ترکیب شود. این بهبود وضوح بیشتر دقت را بهبود می بخشد و به 28 بیت می رسد. یادداشت کاربردی AN-2003 اطلاعات دقیقی در مورد قابلیت های نمونه برداری بیش از حد و بهبود وضوح AD7380 ارائه می دهد.
شکل 4. طراحی سیستم بازخورد بهینه
نتیجه گیری
سیستمهای کنترل موتور به دقت بالاتر، سرعتهای سریعتر و کوچکسازی بیشتر نیاز دارند. رمزگذارهای نوری به عنوان دستگاه های تشخیص موقعیت موتور عمل می کنند. بنابراین، زنجیره سیگنال رمزگذار نوری هنگام اندازه گیری موقعیت موتور باید دقت بالایی ارائه دهد. ADCهای{3}}سرعت بالا،-سرعت بالا اطلاعات را به دقت می گیرند و داده های موقعیت موتور را به کنترل کننده منتقل می کنند. سرعت، چگالی و عملکرد AD7380 با نیازهای صنعت مطابقت دارد و در عین حال دقت بالاتری را در سیستمهای بازخورد موقعیت و بهینهسازی اجرای سیستم فراهم میکند.
نویسنده
جاناتان کولائو