Artikel ini membahas tantangan umum yang dihadapi oleh desainer di bidang otomasi industri saat mengembangkan antarmuka deteksi posisi untuk kontrol motor-khususnya, mendeteksi posisi dalam aplikasi yang memerlukan kecepatan lebih tinggi dan ukuran lebih kecil. Memanfaatkan informasi yang diambil dari encoder untuk mengukur posisi motor secara tepat sangat penting untuk keberhasilan pengoperasian otomatisasi dan permesinan. Konverter analog-ke-digital (ADC) yang cepat, beresolusi tinggi, dan-saluran sinkron-konverter digital (ADC) merupakan komponen penting dari sistem tersebut.
Perkenalan
Informasi putaran motor yang akurat seperti posisi, kecepatan, dan arah sangat penting untuk menghasilkan penggerak dan pengontrol yang tepat untuk aplikasi baru, seperti mesin rakitan yang memasang-komponen mikro ke area PCB dengan ruang terbatas. Baru-baru ini, kendali motor mulai mengecil, sehingga memungkinkan penerapan robotika bedah baru di industri kesehatan dan penerapan drone baru di bidang kedirgantaraan dan pertahanan. Pengendali motor yang lebih kecil juga mendorong aplikasi baru dalam perakitan industri dan komersial. Bagi para desainer, tantangannya terletak pada memenuhi-persyaratan presisi tinggi dari sensor umpan balik posisi dalam-aplikasi berkecepatan tinggi sekaligus mengintegrasikan semua komponen dalam ruang PCB terbatas untuk dipasang di dalam paket miniatur, seperti lengan robot.
Gambar 1. Sistem Umpan Balik Kontrol Motor Loop Tertutup-
Kontrol Motorik
Loop kontrol motor (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1) terutama terdiri dari motor, pengontrol, dan antarmuka umpan balik posisi. Motor memutar poros, menggerakkan lengan robot untuk bergerak sesuai. Pengontrol motor mengatur kapan motor memberikan gaya, kapan berhenti, atau kapan terus berputar. Antarmuka posisi dalam loop memberikan informasi kecepatan dan posisi kepada pengontrol. Untuk mesin perakitan yang menangani PCB pemasangan permukaan miniatur, data ini sangat penting untuk pengoperasian yang benar. Semua aplikasi ini memerlukan pengukuran posisi benda berputar yang akurat.
Sensor posisi harus memiliki resolusi yang sangat tinggi agar dapat mendeteksi posisi poros motor secara tepat, mengambil komponen-mikro yang sesuai, dan menempatkannya di lokasi yang benar pada papan. Selain itu, kecepatan motor yang lebih tinggi memerlukan bandwidth loop yang lebih besar dan latensi yang lebih rendah.
Sistem Umpan Balik Posisi
Dalam aplikasi{0}}kelas bawah, deteksi posisi dapat diimplementasikan menggunakan sensor dan pembanding tambahan. Namun,-aplikasi kelas atas memerlukan rantai sinyal yang lebih kompleks. Sistem umpan balik ini menggabungkan sensor posisi yang diikuti dengan pengondisian sinyal-depan analog, ADC, dan driver ADC. Data melewati komponen-komponen ini sebelum memasuki domain digital. Sensor posisi yang paling tepat adalah encoder optik. Encoder optik terdiri dari sumber cahaya LED, disk bertanda yang dipasang pada poros motor, dan fotodetektor. Disk ini memiliki area bertopeng buram dan transparan yang menghalangi atau membiarkan cahaya lewat. Fotodetektor mendeteksi sinyal cahaya ini, mengubah pulsa lampu hidup/mati menjadi sinyal elektronik.
Saat disk berputar, fotodetektor (disinkronkan dengan pola disk) menghasilkan sinyal sinus dan kosinus kecil (pada level mV atau µV). Konfigurasi ini khas untuk encoder optik posisi absolut. Sinyal-sinyal ini memasuki sirkuit pengkondisian sinyal analog (biasanya terdiri dari amplifier diskrit atau PGA analog untuk memperoleh sinyal hingga 1 V puncak-hingga-rentang puncak), biasanya untuk mencocokkan rentang tegangan input ADC ke rentang dinamis maksimum. Setiap sinyal sinus dan kosinus yang diperkuat kemudian ditangkap oleh penguat penggerak ADC sampling sinkron.
Setiap saluran ADC harus mendukung pengambilan sampel sinkron untuk memperoleh titik data sinus dan cosinus secara bersamaan, karena titik gabungan ini memberikan informasi posisi sumbu. Hasil konversi ADC dikirim ke ASIC atau mikrokontroler. Pengontrol motor melakukan polling posisi encoder selama setiap siklus PWM dan menggunakan data ini untuk menggerakkan motor sesuai dengan perintah yang diterima. Di masa lalu, untuk berintegrasi ke dalam ruang board yang terbatas, perancang sistem harus mengorbankan kecepatan ADC atau jumlah saluran.
Gambar 2. Sistem Umpan Balik Posisi
Optimalkan umpan balik posisi
Seiring kemajuan teknologi, aplikasi kontrol motor yang memerlukan{0}}deteksi posisi presisi tinggi terus berinovasi. Resolusi encoder optik dapat ditentukan oleh jumlah slot fotolitografi halus pada disk, biasanya berkisar antara ratusan hingga ribuan. Dengan memasukkan sinyal sinus dan kosinus ini ke dalam ADC-kecepatan dan-performa tinggi, pembuat enkode dengan resolusi lebih tinggi dapat dibuat tanpa memerlukan perubahan sistem pada disk pembuat enkode. Misalnya, pengambilan sampel sinyal sinus dan kosinus pembuat enkode pada kecepatan yang lebih rendah hanya akan menangkap sejumlah nilai sinyal yang terbatas, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3; ini membatasi keakuratan posisi kapasitansi. Pada Gambar 3, pengambilan sampel pada kecepatan yang lebih tinggi dengan ADC memungkinkan perolehan nilai sinyal yang lebih detail, sehingga memungkinkan penentuan posisi yang lebih tepat. Kecepatan pengambilan sampel{10}}kecepatan tinggi dari ADC mendukung pengambilan sampel berlebihan, yang semakin meningkatkan performa noise dan menghilangkan beberapa persyaratan pasca{11}}pemrosesan digital. Secara bersamaan, kecepatan data keluaran ADC dapat dikurangi, yang berarti mendukung sinyal frekuensi serial yang lebih lambat, sehingga menyederhanakan antarmuka digital. Sistem umpan balik posisi motor dipasang pada rakitan motor, yang dalam beberapa aplikasi mungkin sangat kompak. Oleh karena itu, ukuran sangat penting untuk memasang modul encoder ke dalam area PCB terbatas yang tersedia. Mengintegrasikan beberapa komponen saluran dalam satu paket miniatur menawarkan penghematan ruang yang signifikan.
Gambar 3. Tingkat Pengambilan Sampel
Contoh Desain Umpan Balik Posisi Encoder Optik
Gambar 4 mengilustrasikan contoh solusi optimal yang cocok untuk sistem umpan balik posisi encoder optik. Sirkuit ini dengan mudah berinteraksi dengan pembuat enkode optik tipe -absolut, lalu dengan mudah menangkap sinyal sinus dan kosinus diferensial dari pembuat enkode. Penguat ujung depan-ADA4940-2 adalah penguat-saluran ganda, kebisingan-rendah, dan diferensial penuh yang digunakan untuk menggerakkan AD7380. Yang terakhir adalah ADC SAR pengambilan sampel sinkron 4 saluran ganda, 16{31}}bit, diferensial penuh, 4 MSPS yang ditempatkan dalam paket LFCSP kompak berukuran 3 mm × 3 mm. Sumber tegangan referensi 2,5 V pada-chip memungkinkan rangkaian ini diimplementasikan dengan jumlah komponen minimal. VCC dan VDRIVE ADC, bersama dengan rel suplai driver amplifier, dapat ditenagai oleh regulator LDO seperti LT3023 dan LT3032. Ketika desain referensi ini saling berhubungan (misalnya, menggunakan encoder optik 1024-slot yang menghasilkan 1024 siklus sinus dan kosinus per putaran disk encoder), AD7380 16-bit mengambil sampel setiap slot encoder pada 216 kode, sehingga meningkatkan resolusi keseluruhan encoder menjadi 26 bit. Tingkat throughput 4 MSPS memastikan penangkapan informasi siklus sinus dan kosinus yang terperinci bersama dengan data posisi encoder terbaru. Throughput yang tinggi ini memungkinkan penerapan oversampling pada chip, mengurangi waktu tunda ketika ASIC digital atau mikrokontroler memberikan umpan balik posisi encoder yang tepat ke motor. Manfaat lain dari oversampling on-chip AD7380 adalah potensi untuk menambahkan tambahan resolusi 2 bit, yang dapat dikombinasikan dengan fitur peningkatan resolusi on-chip. Peningkatan resolusi ini semakin meningkatkan akurasi, mencapai hingga 28 bit. Catatan Aplikasi AN-2003 memberikan informasi rinci tentang kemampuan oversampling dan peningkatan resolusi AD7380.
Gambar 4. Desain Sistem Umpan Balik yang Dioptimalkan
Kesimpulan
Sistem kendali motor menuntut presisi yang lebih tinggi, kecepatan yang lebih tinggi, dan miniaturisasi yang lebih besar. Encoder optik berfungsi sebagai perangkat pendeteksi posisi motor. Oleh karena itu, rantai sinyal encoder optik harus memberikan akurasi tinggi saat mengukur posisi motor. ADC-berkecepatan tinggi,-throughput tinggi secara akurat menangkap informasi dan mengirimkan data posisi motor ke pengontrol. Kecepatan, kepadatan, dan kinerja AD7380 memenuhi persyaratan industri sekaligus memungkinkan presisi yang lebih tinggi dalam sistem umpan balik posisi dan mengoptimalkan implementasi sistem.
Pengarang
Jonathan Colao