本文主要剖析工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，馬達(dá)控制位置感測介面研發(fā)業(yè)者所面臨的各種常見問題 – 亦即能夠在速度更快、且體積更小的應(yīng)用中感測位置。從編碼器擷取資訊藉以精準(zhǔn)量測馬達(dá)位置，攸關(guān)著自動(dòng)化以及機(jī)器人設(shè)備能否成功運(yùn)作。而高速與高解析度的對偶式同步採樣類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）則是這類系統(tǒng)的重要元件。

馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)資訊，像是位置、速度、以及方位等，都必須維持精準(zhǔn)，才能針對各種新興應(yīng)用製造精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器與控制器－如挑揀機(jī)（pick-and-place）負(fù)責(zé)將微小元件置放在極有限的電路板空間內(nèi)。

近年來馬達(dá)控制的元件持續(xù)微縮，藉以支援包括醫(yī)療機(jī)器人以及航空與國防領(lǐng)域的無人機(jī)。此外，微小的馬達(dá)控制器還能促成工業(yè)與商業(yè)領(lǐng)域的各種新應(yīng)用。研發(fā)業(yè)者面臨的挑戰(zhàn)，是在高速應(yīng)用中因應(yīng)位置回饋感測器的高精準(zhǔn)度要求，同時(shí)還必須將所有元件置入到有限的電路板空間，然後裝入到像機(jī)器人手臂等機(jī)具。

馬達(dá)控制

圖1 : 封閉迴路的馬達(dá)控制回饋系統(tǒng)

如圖1所示的馬達(dá)控制迴路，主要由馬達(dá)、控制器、以及位置回饋介面構(gòu)成。馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使機(jī)器臂作動(dòng)。馬達(dá)控制器告訴馬達(dá)何時(shí)施力、停止、或持續(xù)旋轉(zhuǎn)。迴路中的位置介面則會向控制器提供旋轉(zhuǎn)速度以及位置資訊。這方面的資料攸關(guān)著挑揀機(jī)能否將微小組件置放到極小的電路板空間。上述這些應(yīng)用都需要掌握旋轉(zhuǎn)物體的精準(zhǔn)位置量測資訊。

位置感測器的解析度必須高到足以精準(zhǔn)地偵測到馬達(dá)轉(zhuǎn)軸的位置、正確取起微小元件、然後精準(zhǔn)地放到電路板上。 此外，更高的馬達(dá)轉(zhuǎn)速也會產(chǎn)生更高的迴路頻寬以及更低延遲的要求。

位置回饋系統(tǒng)

在較低階的應(yīng)用中，增值式感測器搭配比較器的組合就足以執(zhí)行位置感測，而較高階的應(yīng)用就需要較複雜的訊號鏈。這些回饋系統(tǒng)包含位置感測器、類比前端訊號調(diào)節(jié)、ADC、以及驅(qū)動(dòng)器，然後將資料轉(zhuǎn)成數(shù)位格式。

其中一種較精準(zhǔn)的位置感測器是光學(xué)編碼器，其內(nèi)部包含一個(gè)LED光源、裝在馬達(dá)轉(zhuǎn)軸上的標(biāo)記盤、以及光感測器。標(biāo)記盤上有不透明的標(biāo)記圖樣以及透明區(qū)域，用來阻隔光線或讓光線通過。接著再由光感測器偵測光線，並將on/off光訊號轉(zhuǎn)換成電氣訊號。

當(dāng)標(biāo)記盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光感測器 – 連同標(biāo)記盤上的圖樣 – 產(chǎn)生正弦與餘弦訊號，記錄成mV 或μV 等級的電壓波動(dòng)。這類系統(tǒng)通常為絕對位置光學(xué)編碼器。這些訊號會饋送到類比訊號調(diào)節(jié)電路，通常包含一個(gè)分立放大器或一個(gè)類比PGA，將訊號增益放大到1 V p-p 範(fàn)圍—通常能納入到 ADC 輸入電壓範(fàn)圍以達(dá)到最大的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍。每個(gè)放大後的正弦與餘弦訊號都會被同步取樣ADC的驅(qū)動(dòng)放大器擷取到。

ADC必須在其通道中同時(shí)取樣，如此一來，正弦與餘弦資料點(diǎn)才會在完全相同的時(shí)間點(diǎn)擷取，兩個(gè)資料才能拼湊出轉(zhuǎn)軸的位置資訊。ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果會送到ASIC或微控制器。馬達(dá)控制器每個(gè)PWM週期就會查詢編碼器位置，然後用這個(gè)資料並根據(jù)收到指令來驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。在以往，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須權(quán)衡ADC速度或通道數(shù)，以便讓元件能塞入到有限的電路板中。

優(yōu)化位置回饋

圖2 : 位置回饋系統(tǒng)

持續(xù)演化的技術(shù)需求，促成馬達(dá)控制應(yīng)用的創(chuàng)新，進(jìn)而要求高精準(zhǔn)的位置偵測機(jī)制。光學(xué)編碼器的解析度取決於標(biāo)記盤上微型蝕刻的時(shí)槽數(shù)量，通常為數(shù)百或數(shù)千之譜。以內(nèi)插法將這些正弦正餘弦訊號置入到高速、高效能ADC，就讓我們能製造出更高解析度的編碼器，而不必對編碼器的標(biāo)記盤進(jìn)行系統(tǒng)變更。舉例來說，以較慢速度對編碼器的正弦與餘弦訊號進(jìn)行取樣，就會擷取到較少的訊號值，如圖3所示 ，這種作法也會限制擷取位置的精準(zhǔn)度。

在圖3中，當(dāng)ADC以較高速度取樣，就會擷取到較密集的訊號值，以及判斷出更精準(zhǔn)的位置。ADC的高速取樣率能允許系統(tǒng)執(zhí)行過取樣，進(jìn)而改善雜訊性能，以及消弭一些數(shù)位後處理的需求。

圖3 : 取樣率

另外，這種作法也會降低ADC的輸出資料率，產(chǎn)生較慢的序列頻率訊號，數(shù)位介面也能簡化。馬達(dá)位置回饋系統(tǒng)置於馬達(dá)組件上，在某些應(yīng)用中其體積相當(dāng)微小。尺寸則是至關(guān)重要，其決定了編碼器模組是否能裝入到有限的電路板空間。新型的多通道元件由於裝配在單一微小的封裝內(nèi)，因此適合用在需要節(jié)省空間的應(yīng)用。

光學(xué)編碼器位置回饋設(shè)計(jì)範(fàn)例

圖4顯示一個(gè)光學(xué)編碼器位置回饋系統(tǒng)的最佳化解決方案範(fàn)例。這個(gè)電路能輕易連結(jié)到絕對式光學(xué)編碼器，其中的電路可以輕易擷取到編碼器內(nèi)的差動(dòng)正弦與餘弦訊號。

圖4 : 最佳化的回饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ADA4940-2 前端編碼器是一種雙通道、低雜訊、完全差動(dòng)式放大器，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)AD7380這個(gè)雙通道、16位元、完全差動(dòng)式、4 MSPS、同步取樣 SAR ADC，而這個(gè)轉(zhuǎn)換器裝在底面積僅 3 mm × 3 mm 的LFCSP 封裝中，晶片內(nèi)部2.5V參考電壓使得這個(gè)電路的元件要求減至最小。

ADC 的VCC 與VDRIVE電壓，還有放大器驅(qū)動(dòng)器的供電線路，都可用LDO穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)供電，像是LT3023 和LT3032這類元件。這些參考設(shè)計(jì)連到介面 – 例如運(yùn)用一個(gè)1024時(shí)槽的光學(xué)編碼器，能在編碼器轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生1024個(gè)週期的正弦與餘弦訊號—16位元AD7380對每個(gè)編碼器時(shí)槽取樣，紀(jì)錄下

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