为微型电机驱动设计设计快速反应的反馈系统

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生产精确的驱动器和控制器——例如，在有限的印刷电路板上安装微型元件的拾放机(PCB) 区域。最近，电机控制已经小型化，为医疗保健手术机器人和航空航天和国防无人机提供了新的应用。较小的电机控制器还支持工业和商业设施中的新应用。设计人员面临的挑战是在高速应用中满足位置反馈传感器的高精度要求，同时将所有组件集成到有限的 PCB 空间中，以安装在微型外壳内，例如机械臂。

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图 1. 闭环电机控制反馈系统。 （来源：Analog Devices, Inc.）

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。这些数据对于正确操作用于组装微型表面贴装 PCB 的拾放机至关重要。所有这些应用都需要关于旋转物体的准确位置测量信息。

位置传感器的分辨率必须非常高——足以准确检测电机轴位置、正确拾取微小元件并将其准确放置在电路板上。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，增量传感器和比较器可能足以进行位置感测，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、模拟前端信号调节、模数转换器 (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。光学编码器由发光二极管 (LED) 光源、附在电机轴上的标记圆盘和光电探测器组成。该光盘具有不透明和透明区域的蒙版图案，可以遮挡光线或允许光线通过。光电探测器检测产生的光，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 级别的小正弦和余弦信号。该系统在绝对位置光学编码器中是典型的。这些信号被馈送到模拟信号调理电路，通常由一个分立放大器或一个模拟可编程增益放大器 (PGA) 组成，以将信号增益高达 1 V 峰峰值范围——通常适合 ADC 输入电压范围以获得最大的动态范围。放大后的正弦和余弦信号分别由同步采样 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，因为该组合提供了轴位置信息。 ADC 转换结果传递到专用集成电路 (ASIC) 或微控制器。电机控制器在每个脉冲宽度调制 (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，系统设计人员必须权衡 ADC 速度或通道数以适应限制性的电路板占用空间。

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图 2. 位置反馈系统。 （来源：Analog Devices, Inc.）

优化位置反馈

不断发展的技术需求导致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基于光盘上精细光刻刻出的槽数，通常为数百或数千。

将这些正弦和余弦信号内插到高速、高性能 ADC 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；这也限制了头寸上限的准确性。

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图 3. 采样率。 （来源：Analog Devices, Inc.）

在图 3 中，当 ADC 以更快的速率采样时，可以捕获更详细的信号值，并确定更准确的位置。 ADC 的高速采样率允许过采样，进一步提高噪声性能，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，允许使用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，尺寸对于适合编码器模块有限的 PCB 区域至关重要。在单个微型封装中出现的多通道组件最适合节省空间。

光编码器位置反馈设计实例

图 4 显示了一个优化的光学编码器位置反馈系统的示例。该电路可以连接到绝对类型的光学编码器，其中来自编码器的差分正弦和余弦信号可以被电路捕获。图 4 显示了驱动 ADC 的 ADA4940-2 前端、双通道、全差分放大器，在本例中为 AD7380，一个双通道、16 位、全差分、4 MSPS、同时采样 SAR ADC，安装在一个小型 3 mm × 3 mm LFCSP 封装。

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图 4. 优化的反馈系统设计。 （来源：Analog Devices, Inc.）

片上 2.5 V 参考电压将允许该电路的最低组件要求。 ADC 的 VCC 和 VDRIVE 以及放大器驱动器的电源轨可由 LDO 稳压器供电，例如 LT3023 和 LT3032。当这些参考设计连接时——例如，与一个 1024 槽光学编码器连接时，在编码器盘的一圈内产生 1024 个正弦和余弦周期——16 位 AD7380 以 216 个代码对每个编码器槽进行采样，总体上增加了编码器分辨率高达 26 位。

4 MSPS 吞吐率可确保捕获详细的正弦和余弦循环，并且编码器位置是最新的。高吞吐率可实现片上过采样，从而减少数字 ASIC 或微控制器向电机提供精确编码器位置的时间损失。片上过采样允许额外的 2 位分辨率，可与片上分辨率提升功能一起使用。分辨率提升可以进一步将精度提高到28位。

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感测设备。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。一个高速、高吞吐量的 ADC 准确地捕获信息并将电机位置数据反馈给控制器，从而在位置反馈系统中实现更高水平的精度和优化。

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