使用高速同步采样ADC精确捕获伺服电机位置

自主无人机和机器人利用快速、高分辨率、更小的电机。这些快速旋转的微型电机需要更多的微型编码器和小型化IC封装尺寸。本文介绍了光学正弦编码器如何通过 2mm x 3mm 双通道同时采样 SAR-ADC 提供更高的分辨率和更高的速度。

介绍

从生产车间到自主无人机，机器人就在我们身边，利用快速、高分辨率、更小的电机。这种快速旋转的微型电机需要微型编码器和小型化 IC 封装尺寸。

所有这些设计规范似乎是相互排斥的;例如，更快的信号编码器转换通常会损害分辨率。这种系统设计对设计人员来说具有挑战性，因为快速旋转的电机不断需要互补的采样速度。机器人执行的基本任务是运动和传感，编码器中具有高分辨率和快速转换速率的模数转换器（ADC）是其功能的核心。

本文简要讨论了与为速度更快的旋转电机实现小型高精度电机编码器相关的问题。本文介绍了一款具有双通道同时采样、逐次逼近寄存器模数转换器（SAR-ADC）的编码器，以及如何利用内部基准电压源和双通道同时采样输入级。

电机编码器

增量编码器是一种机电运动检测器。它有两个输出信号，A和B，指示运动方向和行进距离。这些信号共同决定了方向和速度。来自编码器的第三个信号确定电机的位置。

增量编码器有两种类型是线性编码器和旋转编码器。线性编码器在单个维度或方向上移动物品，并将线性位置转换为电子信号。旋转编码器绕轴移动物品，并将旋转位置或角度转换为电子信号。每个输出信号对应于轴的恒定角度变化。电机通常使用增量式旋转编码器来执行方向、速度和位置跟踪（图 2）。

图2.电机有效地利用旋转编码器，量化电机的方向、速度和位置。

两种常见的增量式旋转编码器具有数字或正弦信号输出。数字增量式旋转编码器在磁盘上具有输出 50% 占空比、高或低数字信号的模式。

数字编码器

光学数字编码器通过电机轮的插槽传输光线。光接收机在光线出现时记录高数字输出，在黑暗中记录低数字输出（图 3）。

图3.显示通道A和通道B的光学数字编码器，其中通道B复制通道A信号链。

在电机轮的另一侧，光电二极管（图3）和跨阻放大器检测数字光脉冲。跨阻放大器的接口通过低输入 0.5pA 输入偏置电流和 5nV/√Hz @ 1kHz 低噪声补充光电二极管。通道A和B中的信号通过各自的比较器到达微控制器，微控制器捕获最终的数字事件。通道A和B排列的关键是微控制器同时锁存这两个信号。

在图3中创建一个稳定的TIA电路以消除不确定性非常重要。反馈电阻（RF）和反馈电容（CF） 与放大器的输入电容（C微分+ C欧蒙模式= C放大 器）和光电二极管寄生电容（C帕金森).最高效的TIA电路是具有65°相位裕量、巴特沃兹响应的电路。该相位裕量幅度产生5%的阶跃响应过冲。公式1显示了模拟巴特沃兹响应的TIA计算。

CF= 2* （（C帕金森+ C放大 器） /（2 π RFf英镑）） - C射频

其中 f英镑是单位增益稳定放大器和C的增益带宽乘积射频是寄生射频电容。

公式1允许电路设计人员改变放大器带宽/输入电容以及反馈电阻值。有关 TIA 稳定性的更多信息，请参阅 TIA 基础知识：噪声传递函数第 4 部分。

在图 3 中，两个光通道 A 和 B 收集电机的方向和速度数据。为了测量方向，光学器件的位置和每个光学轮窗口之间的距离在A和B方波之间建立了90度相位。电机方向与相位角的符号有关。如果 A 通道的上升沿先于 B 通道的上升沿，则相位差为正（图 4.a）。

图4.编码器同时捕获数字通道A和通道B信号。

如图4.b所示，如果A通道的上升沿跟随B通道的上升沿上升沿，则相位差为负。

A或B方波的频率决定了电机速度。

图 3 中的机械结构在一个电机轴旋转中产生多个周期。编码器制造商生产的增量式数字旋转编码器（和增量正弦/余弦旋转编码器）每转 50 到 5，000 个周期。

除了数字信号外，车轮上还有一个参考标记，用于确定电机的旋转位置。设计工程师将参考标记称为 360 度电机轮周长的 0° 角。数字脉冲参考标记计数决定了电机的确切旋转位置。

正弦编码器

增量式正弦编码器还提供运动方向和行进距离，并带有一对正交正弦和余弦信号。该编码器的输出不是数字输出，而是正弦波和余弦波，以更高的速度提供更高的分辨率和运动距离。

这种类型的编码器有三个信号：正弦、余弦和参考脉冲（图 5）。

图5.正弦信号由正弦波和余弦波组成，编码器同时对两个信号进行采样。

模拟正弦编码器需要一个全模拟信号链。从正弦编码器信号中提取可靠的位置和速度信息具有一定的模拟信号预调理。在ADC的第一个输入端，将SIN和COS信号（通常为1Vpp输入信号范围）转换为差分信号。差分信号可确保最大的抗扰度，并提供适当放大和电平转换所得单端SIN和COS信号的机会，为模数转换器（ADC）输入级做准备。

每转都有多个信号周期。产生的正弦/余弦频率取决于信号周期数和每分钟转数。例如，下面的等式显示了编码器的正弦/余弦频率，该编码器一转有4，096个周期，电机以每分钟1，400转的速度旋转（公式2）：

在本例中，信号链解决方案带宽至少为1600kHz。这种闭环控制系统需要极低的零延迟，而双通道同步采样ADC可提供这种零延迟。编码器输出为 1 VP-P（典型值），具有差分正弦和余弦输出信号。

模拟信号链要求如下：

两个同步采样ADC：ADC1提供正弦输出，ADC2提供余弦输出。

无系统延迟：最好是SAR（逐次逼近寄存器）转换器（相对于ΔΣ或流水线转换器）

超过800 kHz的带宽，因此ADC以大于每通道1600 ksps的最小速率进行转换，以满足奈奎斯特定理。

2-5P-P差分输入。

最佳解决方案是双通道同步采样 SAR ADC（图 5）。

图6.输入频率为800 kHz的双通道同步采样2 Msps ADC通过电机线圈正弦信号确定电机的方向和速度。

在图6中，两个单电源运算放大器将输入信号转换为差分信号，以驱动全差分ADC。ADC的外部1.2V基准电压源为16位转换提供了一个稳压良好的基准点。通过两个同步采样通道，ADC的每通道输出数据速率为2 Msps，可满足规定的要求。

在本例中，2mm x 3mm TDFN MAX11198为16位ADC，正弦增量式旋转编码器一转4，096个周期。测量步骤总数的计算公式为（公式3）：

这种方法为设计人员提供了 16 位 ADC 分辨率和 4096 周期 （4096 = 212） 表示 16 + 12 或 28 位分辨率或 1.341 × 度以内的旋转位置精度。

结论

本文简要讨论了与为速度更快的旋转电机实现小型高精度电机编码器相关的问题。本文介绍了一款具有双路同时采样SAR-ADC的编码器，并探讨了如何利用内部基准电压源和双路同时采样输入级。

电机控制反馈路径中有两种典型的编码器实现方式：线性和旋转。我们 从 模拟 信号 链 角度 评估 了 增量 式 数字 和 正弦 输出 的 输出 信号 特性， 确保 信号 完整性 和 最佳 性能。

光学数字编码器提供高分辨率。但是，光学正弦编码器以更高的速度提供更高的分辨率。

审核编辑：郭婷