この記事では、産業オートメーション分野の設計者がモーター制御用の位置検出インターフェースを開発する際に直面する一般的な課題、特に高速化と小型化を必要とするアプリケーションでの位置検出について説明します。{0}}エンコーダから取得した情報を利用してモーターの位置を正確に測定することは、オートメーションや機械を正常に動作させるために重要です。高速、高解像度、デュアル-チャネル同期サンプリング アナログ -{6}} デジタル コンバータ (ADC) は、このようなシステムの必須コンポーネントです。
導入
位置、速度、方向などの正確なモーター回転情報は、限られたスペースの PCB エリアにマイクロコンポーネントを実装する組立機械など、新しいアプリケーション向けの精密なドライブやコントローラーを製造するために不可欠です。{0}}最近、モーター制御の小型化が始まり、医療業界における新しい外科用ロボットの応用や、航空宇宙および防衛における新しいドローンの応用が可能になりました。小型のモーター コントローラーも、産業用および商業用の組み立てにおける新しいアプリケーションを推進しています。設計者にとっての課題は、ロボット アームなどの小型パッケージ内に設置するために限られた PCB スペース内にすべてのコンポーネントを統合しながら、高速アプリケーションにおける位置フィードバック センサーの高精度要件を満たすことです。-
図 1. 閉ループ モータ制御フィードバック システム-
モーター制御
モーター制御ループ (図 1 を参照) は、主にモーター、コントローラー、および位置フィードバック インターフェイスで構成されます。モーターがシャフトを回転させ、それに応じてロボット アームを駆動します。モーター コントローラーは、モーターがいつ力を加えるか、いつ停止するか、いつ回転し続けるかを管理します。ループ内の位置インターフェイスは、コントローラーに速度と位置の情報を提供します。小型表面実装 PCB を扱う組立機械では、このデータは適切に動作するために重要です。これらのアプリケーションはすべて、回転物体の正確な位置測定を必要とします。
位置センサーは、モーター シャフトの位置を正確に検出し、対応するマイクロ コンポーネントをピックアップして基板上の正しい位置に配置するために、非常に高い分解能を備えている必要があります。{0}}さらに、モーター速度が高くなると、より大きなループ帯域幅とより低い遅延が必要になります。
位置フィードバックシステム
ローエンド アプリケーションでは、インクリメンタル センサーとコンパレータを使用して位置検出を実装できます。-ただし、ハイエンド アプリケーションでは、より複雑な信号チェーンが必要になります。-これらのフィードバック システムには、位置センサーが組み込まれており、その後にアナログ フロントエンド信号調整、ADC、ADC ドライバーが組み込まれています。{4}}データはデジタル ドメインに入る前にこれらのコンポーネントを通過します。最も正確な位置センサーは光学式エンコーダーです。光学式エンコーダは、LED 光源、モーター シャフトに取り付けられたマーク付きディスク、および光検出器で構成されます。ディスクには、光を遮断または通過させる不透明および透明のマスクされた領域があります。光検出器はこれらの光信号を検出し、オン/オフ光パルスを電子信号に変換します。
ディスクが回転すると、光検出器 (ディスクのパターンと同期) が小さなサイン信号とコサイン信号 (mV または µV レベル) を生成します。この構成は、絶対位置光学式エンコーダでは一般的です。これらの信号はアナログ信号調整回路（通常はディスクリート アンプまたはアナログ PGA で構成され、最大 1 V のピークからピークまでの範囲の信号を取得します）に入り、通常は ADC の入力電圧範囲を最大ダイナミック レンジに一致させます。増幅された各サイン信号とコサイン信号は、同期サンプリング ADC の駆動アンプによって捕捉されます。
ADC の各チャネルは、サイン データ ポイントとコサイン データ ポイントを同時に取得するための同期サンプリングをサポートする必要があります。これは、これらの結合されたポイントが軸の位置情報を提供するためです。 ADC 変換結果は ASIC またはマイクロコントローラーに送信されます。モーター コントローラーは、各 PWM サイクル中にエンコーダーの位置をポーリングし、このデータを使用して受信したコマンドに従ってモーターを駆動します。これまで、システム設計者は、限られた基板スペースに統合するために、ADC 速度またはチャネル数のいずれかを犠牲にする必要がありました。
図 2. 位置フィードバック システム
位置フィードバックを最適化する
技術の進歩に伴い、高精度の位置検出を必要とするモーター制御アプリケーションは常に革新されています。{0}光学式エンコーダの解像度は、ディスク上に細かくフォトリソグラフィー加工されたスロットの数によって決まり、通常は数百から数千の範囲に及びます。これらのサイン信号とコサイン信号を高速、高性能の ADC に供給することで、エンコーダ ディスクへのシステム変更を必要とせずに、より高い解像度のエンコーダを作成できます。-たとえば、図 3 に示すように、エンコーダのサイン信号とコサイン信号を低いレートでサンプリングすると、限られた数の信号値のみがキャプチャされます。これにより、位置静電容量の精度が制限されます。図 3 では、ADC を使用してより高いレートでサンプリングすることで、より詳細な信号値を取得できるようになり、より正確な位置決定が可能になります。 ADC の高速サンプリング レートはオーバーサンプリングをサポートし、ノイズ性能をさらに向上させ、デジタル後処理要件の一部を排除します。{11}}同時に、ADC の出力データ レートを下げることができます。つまり、より低速のシリアル周波数信号をサポートできるため、デジタル インターフェイスが簡素化されます。モーター位置フィードバック システムはモーター アセンブリに取り付けられており、アプリケーションによっては非常にコンパクトになる場合があります。したがって、利用可能な限られた PCB 領域にエンコーダ モジュールを適合させるには、サイズが重要です。複数のチャネルコンポーネントを単一の小型パッケージ内に統合することで、スペースを大幅に節約できます。
図 3. サンプリングレート
光学式エンコーダ位置フィードバックの設計例
図 4 は、光学式エンコーダ位置フィードバック システムに適した最適化されたソリューションの例を示しています。この回路はアブソリュート-タイプの光学式エンコーダと簡単に接続でき、エンコーダからの差動サイン信号とコサイン信号を容易にキャプチャします。 ADA4940-2- フロントエンド アンプは、AD7380 の駆動に使用されるデュアル-}チャンネル、低ノイズ-}の完全差動アンプです。後者は、コンパクトな 3 mm × 3 mm LFCSP パッケージに収められたデュアル- チャネル、16- ビット、完全差動、4 MSPS 同期サンプリング SAR ADC です。オンチップの 2.5 V 基準電圧源により、この回路を最小限のコンポーネントで実装できます。 ADCのVCCとVDRIVEは、アンプドライバの電源レールとともに、LT3023やLT3032などのLDOレギュレータによって電力を供給できます。これらのリファレンス設計が相互接続されている場合（たとえば、エンコーダディスク回転ごとに 1024 のサインおよびコサインサイクルを生成する 1024- スロットの光学式エンコーダを使用）、16 ビット AD7380 は 216 コードにわたって各エンコーダスロットをサンプリングし、エンコーダの全体的な分解能が 26 ビットに増加します。 4 MSPS のスループット レートにより、最新のエンコーダ位置データとともに詳細なサインおよびコサイン サイクル情報を確実にキャプチャできます。この高いスループットにより、オンチップ オーバーサンプリングの実装が可能になり、デジタル ASIC またはマイクロコントローラーが正確なエンコーダー位置フィードバックをモーターに供給する際の時間遅延が短縮されます。 AD7380 のオンチップ オーバーサンプリングのもう 1 つの利点は、さらに 2 ビットの分解能を追加できる可能性であり、これをオンチップの解像度拡張機能と組み合わせることができます。この解像度の向上により精度がさらに向上し、最大 28 ビットを実現します。アプリケーション・ノート AN-2003 には、AD7380 のオーバーサンプリングおよび解像度拡張機能に関する詳細情報が記載されています。
図 4. 最適化されたフィードバック システム設計
結論
モーター制御システムには、より高精度、より高速、より小型化が求められます。光学式エンコーダはモータの位置検出装置として機能します。したがって、光学式エンコーダ信号チェーンは、モーターの位置を測定する際に高い精度を実現する必要があります。高速、高スループットの ADC は、情報を正確に捕捉し、モーターの位置データをコントローラーに送信します。- AD7380 の速度、密度、性能は業界の要件を満たし、位置フィードバック システムの高精度化とシステム実装の最適化を可能にします。
著者
ジョナサン・コラオ