이 문서에서는 산업 자동화 분야의 설계자가 모터 제어를 위한 위치 감지 인터페이스를 개발할 때{0}}구체적으로 더 높은 속도와 더 작은 크기가 필요한 애플리케이션에서 위치를 감지할 때 직면하는 일반적인 문제를 다룹니다. 인코더에서 캡처한 정보를 활용하여 모터 위치를 정확하게 측정하는 것은 자동화 및 기계의 성공적인 작동에 매우 중요합니다. 빠른-고해상도 듀얼-채널 동기식 샘플링 아날로그---디지털 변환기(ADC)는 이러한 시스템의 필수 구성 요소입니다.
소개
위치, 속도, 방향과 같은 정확한 모터 회전 정보는 제한된 공간의 PCB 영역에 마이크로{0}}부품을 장착하는 조립 기계와 같은 새로운 애플리케이션을 위한 정밀 드라이브 및 컨트롤러를 생산하는 데 필수적입니다. 최근 모터 제어가 소형화되기 시작하여 의료 산업의 새로운 수술 로봇 애플리케이션과 항공우주 및 방위 분야의 새로운 드론 애플리케이션이 가능해졌습니다. 더 작은 모터 컨트롤러는 산업 및 상업용 조립 분야의 새로운 애플리케이션을 주도하고 있습니다. 설계자의 과제는 로봇 팔과 같은 소형 패키지 내부에 설치하기 위해 제한된 PCB 공간 내에 모든 구성 요소를 통합하는 동시에 고속 애플리케이션에서 위치 피드백 센서의 고정밀 요구 사항을 충족하는 것입니다.{4}}
그림 1. 폐쇄-루프 모터 제어 피드백 시스템
모터 제어
모터 제어 루프(그림 1 참조)는 주로 모터, 컨트롤러 및 위치 피드백 인터페이스로 구성됩니다. 모터는 샤프트를 회전시켜 로봇 팔을 구동하여 그에 따라 움직입니다. 모터 컨트롤러는 모터에 힘이 가해질 때, 정지할 때, 계속 회전할 때를 관리합니다. 루프 내의 위치 인터페이스는 컨트롤러에 속도 및 위치 정보를 제공합니다. 소형 표면 실장 PCB를 취급하는 조립 기계의 경우 이 데이터는 올바른 작동에 매우 중요합니다. 이러한 응용 분야에서는 모두 회전하는 물체의 정확한 위치 측정이 필요합니다.
위치 센서는 모터 샤프트의 위치를 정확하게 감지하고 해당 마이크로{0}}부품을 픽업하여 보드의 올바른 위치에 배치하기 위해 매우 높은 분해능을 가져야 합니다. 또한 모터 속도가 높을수록 더 큰 루프 대역폭과 더 낮은 대기 시간이 필요합니다.
위치 피드백 시스템
저사양 애플리케이션에서는 증분 센서와 비교기를 사용하여 위치 감지를 구현할 수 있습니다.{0}} 그러나 고급-애플리케이션에는 더 복잡한 신호 체인이 필요합니다. 이러한 피드백 시스템에는 위치 센서와 아날로그 프런트엔드 신호 조절, ADC 및 ADC 드라이버가 통합되어 있습니다. 데이터는 디지털 도메인에 들어가기 전에 이러한 구성 요소를 통과합니다. 가장 정확한 위치 센서는 광학 인코더입니다. 광학 인코더는 LED 광원, 모터 샤프트에 부착된 표시된 디스크 및 광검출기로 구성됩니다. 디스크에는 빛을 차단하거나 통과시키는 불투명 및 투명 마스크 영역이 있습니다. 광검출기는 이러한 광 신호를 감지하여 켜짐/꺼짐 광 펄스를 전자 신호로 변환합니다.
디스크가 회전하면 광검출기(디스크 패턴과 동기화됨)가 작은 사인 및 코사인 신호(mV 또는 µV 레벨)를 생성합니다. 이 구성은 절대 위치 광학 인코더에 일반적입니다. 이러한 신호는 일반적으로 ADC 입력 전압 범위를 최대 동적 범위에 일치시키기 위해 아날로그 신호 조절 회로(일반적으로 최대 1V 피크-~-피크 범위의 신호를 얻기 위한 개별 증폭기 또는 아날로그 PGA로 구성됨)로 들어갑니다. 증폭된 각 사인 및 코사인 신호는 동기식 샘플링 ADC의 구동 증폭기에 의해 캡처됩니다.
ADC의 각 채널은 사인 및 코사인 데이터 포인트를 동시에 획득하기 위해 동기식 샘플링을 지원해야 합니다. 이러한 결합된 포인트는 축 위치 정보를 제공하기 때문입니다. ADC 변환 결과는 ASIC 또는 마이크로컨트롤러로 전송됩니다. 모터 컨트롤러는 각 PWM 사이클 동안 인코더 위치를 폴링하고 이 데이터를 사용하여 수신된 명령에 따라 모터를 구동합니다. 과거에는 제한된 보드 공간에 통합하기 위해 시스템 설계자가 ADC 속도나 채널 수를 희생해야 했습니다.
그림 2. 위치 피드백 시스템
위치 피드백 최적화
기술이 계속 발전함에 따라 고정밀 위치 감지가 필요한 모터 제어 애플리케이션은{0}}끊임없이 혁신을 이루고 있습니다. 광학 인코더의 해상도는 일반적으로 수백에서 수천에 이르는 디스크의 미세하게 사진석판으로 인쇄된 슬롯의 수에 따라 결정됩니다. 이러한 사인 및 코사인 신호를 고속-고성능{4}}ADC에 공급함으로써 인코더 디스크에 대한 시스템 변경 없이 더 높은 해상도의 인코더를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 그림 3에 나와 있는 것처럼 인코더의 사인 및 코사인 신호를 더 낮은 속도로 샘플링하면 제한된 수의 신호 값만 캡처됩니다. 이는 위치 커패시턴스의 정확성을 제한합니다. 그림 3에서 ADC를 사용하여 더 높은 속도로 샘플링하면 더 자세한 신호 값을 획득할 수 있으므로 더 정확한 위치 결정이 가능합니다. ADC의 고속 샘플링 속도는 오버샘플링을 지원하여 잡음 성능을 더욱 향상시키고 일부 디지털 후처리 요구 사항을 제거합니다. 동시에 ADC의 출력 데이터 속도가 줄어들 수 있습니다. 즉, 더 느린 직렬 주파수 신호를 지원하므로 디지털 인터페이스가 단순화됩니다. 모터 위치 피드백 시스템은 모터 어셈블리에 장착되며 일부 응용 분야에서는 매우 컴팩트할 수 있습니다. 따라서 제한된 PCB 영역에 인코더 모듈을 장착하려면 크기가 중요합니다. 단일 소형 패키지 내에 여러 채널 구성 요소를 통합하면 상당한 공간 절약 효과를 얻을 수 있습니다.
그림 3. 샘플링 속도
광학 인코더 위치 피드백의 설계 예
그림 4는 광학 인코더 위치 피드백 시스템에 적합한 최적화된 솔루션의 예를 보여줍니다. 이 회로는 절대형-형 광학 인코더와 쉽게 인터페이스한 다음 인코더에서 차동 사인 및 코사인 신호를 쉽게 캡처합니다. ADA4940-2 프런트엔드- 증폭기는 AD7380을 구동하는 데 사용되는 듀얼-채널, 저잡음, 완전 차동 증폭기입니다. 후자는 소형 3mm × 3mm LFCSP 패키지에 들어 있는 듀얼{15}}채널, 16-비트, 완전 차동, 4MSPS 동기식 샘플링 SAR ADC입니다. 온-칩 2.5V 기준 전압 소스를 사용하면 이 회로를 최소한의 구성 요소로 구현할 수 있습니다. 증폭기 드라이버의 공급 레일과 함께 ADC의 VCC 및 VDRIVE는 LT3023 및 LT3032와 같은 LDO 조정기로 전력을 공급받을 수 있습니다. 이러한 참조 설계가 상호 연결되면(예: 인코더 디스크 회전당 1024개의 사인 및 코사인 주기를 생성하는 1024-슬롯 광학 인코더 사용) 16비트 AD7380은 216개 코드에서 각 인코더 슬롯을 샘플링하여 인코더의 전체 분해능을 26비트로 높입니다. 4MSPS 처리 속도는 최신 엔코더 위치 데이터와 함께 자세한 사인 및 코사인 주기 정보 캡처를 보장합니다. 이러한 높은 처리량을 통해 온칩 오버샘플링을 구현할 수 있어 디지털 ASIC 또는 마이크로컨트롤러가 모터에 정확한 인코더 위치 피드백을 제공할 때 시간 지연이 줄어듭니다. AD7380의 온칩 오버샘플링의 또 다른 이점은 온칩 해상도 향상 기능과 결합될 수 있는 추가 2비트 분해능을 추가할 수 있다는 것입니다. 이러한 해상도 향상으로 정확도가 더욱 향상되어 최대 28비트를 달성합니다. 애플리케이션 노트 AN-2003은 AD7380의 오버샘플링 및 해상도 향상 기능에 대한 자세한 정보를 제공합니다.
그림 4. 최적화된 피드백 시스템 설계
결론
모터 제어 시스템은 더 높은 정밀도, 더 빠른 속도, 더 큰 소형화를 요구합니다. 광학 인코더는 모터 위치 감지 장치 역할을 합니다. 따라서 광학 인코더 신호 체인은 모터 위치를 측정할 때 높은 정확도를 제공해야 합니다. 고속-고처리량-ADC는 정보를 정확하게 캡처하고 모터 위치 데이터를 컨트롤러에 전송합니다. AD7380의 속도, 밀도 및 성능은 업계 요구 사항을 충족하는 동시에 위치 피드백 시스템의 정밀도를 높이고 시스템 구현을 최적화합니다.
작가
조나단 콜라오