这篇文章阐述了工业自动化领域设计师在设计电机控制位置检测传感器接口时面临的常见问题，即在更快、更小的应用中检测位置，准确测量自动化机器和设备的成功运行。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，光电编码器成为必不可少的一部分。
简介
电机旋转信息，如位置、速度和方向，必须准确，以满足各种新兴应用程序所需的精确驱动和控制器。例如，在有限的空间内组装微组件PCB该地区的装配机。最近，电机控制开始微型化，新的外科机器人应用出现在医疗卫生行业，新的无人机应用也出现在航空航天和国防领域。较小的电机控制器也导致了工业和商业装配领域的新应用。对于设计师来说，挑战是满足高速应用中位置反馈传感器的高精度要求，并将所有组件集成到有限的位置PCB安装在微型机构内部，如机械臂。
图1.闭环电机控制反馈系统
电机控制
电机控制环（如图1所示）主要由电机、控制器和位置反馈接口组成。电机旋转旋转轴，驱动机械臂跟随移动。电机控制器控制电机何时加载、停止或继续旋转。环路中的位置接口为控制器提供速度和位置信息。组装微表PCB这些数据是装配机正常运行的关键。所有这些应用程序都需要准确地测量旋转对象的位置。
位置传感器的分辨率必须非常高，足以准确检测电机轴的位置，捕获相应的微组件，并将组件放置在PCB对应位置。另外，电机转速越高，所需环路带宽越高，延迟越低。
位置反馈系统
在中低端应用中，位置检测可以通过增量传感器和比较器进行，但在高端应用中，需要更复杂的信号链。这些反馈系统包括位置传感器，然后模拟前端信号调节，ADC，以及ADC驱动器，数据先通过，然后进入数字域，最准确的位置传感器是光电编码器。光电编码器的组成包括LED光源由连接到电机轴的标记码盘和光电探测器组成。码盘包含不透明和透明的掩码区域，还可以阻拦光线或让光线通过。当光电探测器检测到这些光时，打开/关闭光信号将转换为电子信号。
光电探测器(配合码盘模式)随圆盘旋转，生成小正弦和余弦信号（mV或µV等级)。该系统是绝对位置光电编码器的典型系统。这些信号进入模拟信号调节电路(通常由分立放大器或模拟PGA用于获得高达1的组成V峰值范围的信号)通常是为了让ADC输入电压范围与最大动态范围相匹配。每个放大的正弦和余弦信号同步采样ADC捕获驱动放大器。
ADC每个通道都必须支持同步采样，以获取正弦和余弦数据点，并提供轴的位置信息。ADC将发送转换结果ASIC或者微控制器。每个电机控制器PWM在周期中查询编码器的位置，然后根据接收指令使用数据驱动电机。过去，为了集成到有限的位置PCB在空间中，系统设计师必须牺牲ADC速度或通道数。
图2.位置反馈系统
优化位置反馈
伴随着技术的飞速发展，必须具体实施高精度位置检测的电机控制应用不断创新。光电编码器的分辨率可能取决于码盘上精细光刻的槽数，通常有几百或几千个。将这些正弦和余弦信号插入高速、高性能ADC之后，还可以创建分辨率更高的编码器，而无需对编码器码盘进行系统变更。例如，当编码器的正弦和余弦信号以较低的速度采样时，只能捕获少数信号值，如图3所示；这限制了位置电容器的精度。在图3中，当ADC在快速采样时，可以获得更详细的信号值，从而更准确地确定位置。ADC高速采样速率支持采样，进一步提高噪声性能，消除部分数字后处理需求。同时，可以减少ADC输出数据速率；也就是说，支持串行频率信号较慢，从而简化了数字接口。电机位置反馈系统安装在电机总成上，在某些应用中，总成可能非常小。因此，编码器模块面积是否有限？PCB尺寸是区域的关键。在单个微包装中集成多个通道组件非常有利于节省空间。
图3.采样速率
光电编码器位置反馈设计示例
图4显示了适合光电编码器位置反馈系统的优化解决方案。该电路很容易与绝对类型的光电编码器连接，然后从编码器中捕捉正弦和余弦信号。ADA4940-2前端放大器属于双通道，低噪声全差放大器用于驱动AD7380，后者属于双通道，16位全差4MSPS同步采样SARADC，采用3mm×3mm小型LFCSP封装。片内2.5V基准电压源允许该电路使用最少数量的组件。ADC的VCC和VDRIVE，放大器驱动器的电源轨道轨道LDO例如，稳压器供电LT3023和LT3032。当这些参考设计相互连接时(例如，使用1024槽光电编码器在编码器代码盘周期中生成1024个正弦和余弦周期)，16位AD7380在216个代码的编码器槽中采样，将编码器的整体分辨率提高到26位。4MSPS吞吐量确保捕获正弦和余弦周期的详细信息，以及最新的编码器位置信息。高吞吐率支持电影中的过采样，从而缩短数字ASIC或者微控制器将精确的编码器位置反馈给电机时间延迟。AD7380片采样的另一个优点是可以增加2位分辨率，可以与片内分辨率增强功能相结合。可进一步提高分辨率增强功能的精度，最高可达28位。应用笔记AN-2003详细介绍了AD过采样和分辨率增强功能7380。
图4.优化反馈系统设计
结论
电机控制系统必须更高的精度、更高的速度和更高程度的微型化。光电编码器被用作电机位置检测器。因此，在测量电机位置时，光电编码器信号链必须具有高精度。高速、高吞吐量ADC准确捕获信息，然后将电机位置数据发送到控制器。AD在位置反馈系统中，7380的速度、密度和性能可以满足行业要求，实现更高的精度，优化系统。
