Aquest article aborda els reptes comuns als quals s'enfronten els dissenyadors en el camp de l'automatització industrial quan desenvolupen interfícies de detecció de posició per al control de motors-concretament, detectant la posició en aplicacions que requereixen velocitats més altes i mides més petites. Utilitzar la informació capturada dels codificadors per mesurar amb precisió la posició del motor és fonamental per al bon funcionament de l'automatització i la maquinària. Els convertidors analògics (ADC) de mostreig síncron-a-ràpid, d'alta-resolució i de doble-canal són components essencials d'aquests sistemes.
Introducció
La informació precisa sobre la rotació del motor, com ara la posició, la velocitat i la direcció, és essencial per produir accionaments i controladors precisos per a aplicacions emergents, com ara màquines de muntatge que munten micro-components a zones de PCB amb espai limitat. Recentment, el control del motor ha començat a miniaturizar-se, permetent noves aplicacions de robòtica quirúrgica a la indústria sanitària i noves aplicacions de drons en aeroespacial i defensa. Els controladors de motors més petits també estan impulsant noves aplicacions en el muntatge industrial i comercial. Per als dissenyadors, el repte consisteix a complir els requisits d'alta-precisió dels sensors de retroalimentació de posició en aplicacions d'alta-velocitat alhora que integren tots els components dins d'un espai limitat de PCB per instal·lar-los dins de paquets en miniatura, com ara braços robòtics.
Figura 1. Sistema de retroalimentació de control de motor de bucle tancat-
Control del motor
El bucle de control del motor (com es mostra a la figura 1) consta principalment d'un motor, un controlador i una interfície de retroalimentació de posició. El motor gira l'eix, impulsant el braç robòtic perquè es mogui en conseqüència. El controlador del motor gestiona quan el motor aplica força, quan s'atura o quan continua girant. La interfície de posició dins del bucle proporciona al controlador informació de velocitat i posició. Per a màquines de muntatge que manipulen PCB de muntatge-en miniatura de superfície, aquestes dades són fonamentals per al funcionament correcte. Totes aquestes aplicacions requereixen una mesura precisa de la posició dels objectes en rotació.
Els sensors de posició han de tenir una resolució extremadament alta per detectar amb precisió la posició de l'eix del motor, recollir els micro-components corresponents i col·locar-los a les ubicacions correctes del tauler. A més, les velocitats més altes del motor exigeixen un ample de banda de bucle més gran i una menor latència.
Sistemes de retroalimentació de posició
En aplicacions de gamma baixa-, la detecció de posició es pot implementar mitjançant sensors i comparadors incrementals. Tanmateix, les aplicacions-de gamma alta exigeixen cadenes de senyal més complexes. Aquests sistemes de retroalimentació incorporen sensors de posició seguits d'un condicionament del senyal frontal analògic-, un ADC i un controlador ADC. Les dades passen per aquests components abans d'entrar al domini digital. El sensor de posició més precís és el codificador òptic. Un codificador òptic consta d'una font de llum LED, un disc marcat connectat a l'eix del motor i un fotodetector. El disc presenta zones emmascarades opaques i transparents que bloquegen o deixen passar la llum. El fotodetector detecta aquests senyals de llum, convertint els polsos de llum d'encesa/apagada en senyals electrònics.
A mesura que el disc gira, el fotodetector (sincronitzat amb el patró del disc) genera petits senyals de sinus i cosinus (a nivell de mV o µV). Aquesta configuració és típica per als codificadors òptics de posició absoluta. Aquests senyals entren en circuits de condicionament de senyal analògic (normalment formats per amplificadors discrets o PGA analògics per obtenir senyals de fins a 1 V de pic-a-interval), normalment per fer coincidir el rang de voltatge d'entrada ADC amb el rang dinàmic màxim. Cada senyal sinusoïdal i cosinus amplificat és capturat per l'amplificador d'accionament d'un ADC de mostreig síncron.
Cada canal de l'ADC ha de suportar el mostreig síncron per adquirir punts de dades sinus i cosinus simultàniament, ja que aquests punts combinats proporcionen la informació de la posició de l'eix. Els resultats de la conversió ADC s'envien a un ASIC o microcontrolador. El controlador del motor consulta la posició del codificador durant cada cicle PWM i utilitza aquestes dades per conduir el motor segons les ordres rebudes. En el passat, per integrar-se en un espai limitat de la placa, els dissenyadors de sistemes havien de sacrificar la velocitat ADC o el recompte de canals.
Figura 2. Sistema de retroalimentació de posició
Optimitzar la retroalimentació de la posició
A mesura que la tecnologia continua avançant, les aplicacions de control de motors que requereixen una detecció de posició d'alta{0}}precisió estan innovant constantment. La resolució dels codificadors òptics pot estar determinada pel nombre de ranures fotolitografiades finament al disc, que normalment oscil·len entre centenars i milers. Mitjançant l'alimentació d'aquests senyals sinusoïdals i cosinus en ADC d'alta-velocitat i-alt rendiment, es poden crear codificadors amb una resolució més alta sense requerir canvis del sistema al disc codificador. Per exemple, el mostreig dels senyals sinus i cosinus del codificador a una velocitat més baixa captura només un nombre limitat de valors de senyal, tal com es mostra a la figura 3; això limita la precisió de la capacitat de posició. A la figura 3, el mostreig a una velocitat més alta amb l'ADC permet l'adquisició de valors de senyal més detallats, permetent una determinació de posició més precisa. La freqüència de mostreig d'alta-velocitat de l'ADC admet el sobremostreig, millorant encara més el rendiment del soroll i eliminant alguns requisits de post-processament digital. Simultàniament, la velocitat de dades de sortida de l'ADC es pot reduir, el que significa que admet senyals de freqüència en sèrie més lentes, simplificant així la interfície digital. Els sistemes de retroalimentació de la posició del motor es munten al conjunt del motor, que en algunes aplicacions pot ser extremadament compacte. Per tant, la mida és fonamental per ajustar el mòdul codificador a l'àrea limitada de PCB disponible. La integració de diversos components de canal dins d'un sol paquet en miniatura ofereix un estalvi d'espai important.
Figura 3. Taxa de mostreig
Exemple de disseny de retroalimentació de posició del codificador òptic
La figura 4 il·lustra un exemple d'una solució optimitzada adequada per als sistemes de retroalimentació de la posició del codificador òptic. Aquest circuit connecta fàcilment amb codificadors òptics de tipus-absolut, i després captura fàcilment els senyals diferencials de sinus i cosinus del codificador. L'amplificador frontal ADA4940-2- és un amplificador de doble-canal, baix-soroll i totalment diferencial que s'utilitza per conduir l'AD7380. Aquest últim és un ADC SAR de mostreig síncron de 4 MSPS de doble canal, 16-bits, totalment diferencial, allotjat en un paquet LFCSP compacte de 3 mm × 3 mm. La font de tensió de referència de 2,5 V del-xip permet implementar aquest circuit amb un nombre mínim de components. El VCC i el VDRIVE de l'ADC, juntament amb els rails d'alimentació del controlador de l'amplificador, es poden alimentar amb reguladors LDO com ara LT3023 i LT3032. Quan aquests dissenys de referència estan interconnectats (p. ex., utilitzant un codificador òptic de 1024-ranures que genera 1024 cicles sinusoïdals i cosinus per revolució del disc del codificador), l'AD7380 de 16 bits mostra cada ranura del codificador en 216 codis, augmentant la resolució global del codificador a 26 bits. La taxa de rendiment de 4 MSPS garanteix la captura d'informació detallada del cicle sinusoïdal i cosinus juntament amb les últimes dades de posició del codificador. Aquest alt rendiment permet la implementació del sobremostreig en xip, reduint el temps de retard quan l'ASIC digital o el microcontrolador proporciona una retroalimentació precisa de la posició del codificador al motor. Un altre avantatge del sobremostreig al xip de l'AD7380 és la possibilitat d'afegir 2 bits addicionals de resolució, que es poden combinar amb la funció de millora de la resolució al xip. Aquesta millora de resolució millora encara més la precisió, aconseguint fins a 28 bits. Nota d'aplicació AN-2003 proporciona informació detallada sobre les capacitats de sobremostreig i millora de la resolució de l'AD7380.
Figura 4. Disseny del sistema de retroalimentació optimitzat
Conclusió
Els sistemes de control de motor exigeixen una major precisió, velocitats més ràpides i una major miniaturització. Els codificadors òptics serveixen com a dispositius de detecció de posició del motor. Per tant, la cadena de senyal del codificador òptic ha d'oferir una alta precisió en mesurar la posició del motor. Els ADC d'alta-velocitat i alt-rendiment capturen informació amb precisió i transmeten dades de posició del motor al controlador. La velocitat, la densitat i el rendiment de l'AD7380 compleixen els requisits de la indústria alhora que permeten una major precisió en els sistemes de retroalimentació de posició i optimitzen la implementació del sistema.
Autor
Jonathan Colao