소형 모터 구동 설계를 위한 빠른 반응 피드백 시스템 설계

위치, 속도 및 방향과 같은 모터 회전 정보는 다양한 최신 애플리케이션(예:제한된 인쇄 회로 기판에 미세한 구성 요소를 장착하는 픽 앤 플레이스 기계)에서 정확한 드라이버 및 컨트롤러를 생성하기 위해 정확해야 합니다. (PCB) 영역. 최근에는 모터 컨트롤이 소형화되어 의료용 수술 로봇과 항공우주 및 방위용 드론에 새로운 응용이 가능하게 되었습니다. 더 작은 모터 컨트롤러는 또한 산업 및 상업용 설치에서 새로운 애플리케이션을 가능하게 합니다. 설계자의 과제는 고속 애플리케이션에서 위치 피드백 센서의 높은 정확도 요구 사항을 충족하는 동시에 로봇 팔과 같은 작은 인클로저 내부에 맞도록 제한된 PCB 공간에 모든 구성 요소를 주입하는 것입니다.

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그림 1. 폐루프 모터 제어 피드백 시스템. (출처:Analog Devices, Inc.)

모터 컨트롤

그림 1과 같이 모터 제어 루프는 주로 모터, 컨트롤러 및 위치 피드백 인터페이스로 구성됩니다. 모터는 기계의 팔이 그에 따라 움직이도록 하는 회전축을 회전시킵니다. 모터 컨트롤러는 힘을 가하거나, 정지하거나, 계속 회전할 때를 모터에 알려줍니다. 루프의 위치 인터페이스는 컨트롤러에 회전 속도와 위치 정보를 제공합니다. 이 데이터는 작은 표면 실장 PCB 조립을 위한 픽 앤 플레이스 기계의 적절한 작동에 핵심입니다. 이러한 모든 애플리케이션에는 회전하는 물체에 대한 정확한 위치 측정 정보가 필요합니다.

위치 센서 분해능은 모터 샤프트 위치를 정확하게 감지하고 작은 구성 요소를 올바르게 선택하여 기판에 정확하게 배치할 수 있을 만큼 충분히 높아야 합니다. 또한 더 높은 모터 회전 속도는 더 높은 루프 대역폭과 더 낮은 대기 시간 요구 사항으로 이어집니다.

위치 피드백 시스템

로우 엔드 애플리케이션에서 비교기와 함께 증분 센서는 위치 감지에 충분할 수 있지만 하이 엔드 애플리케이션에는 더 복잡한 신호 체인이 필요합니다. 이러한 피드백 시스템은 위치 센서, 아날로그 프런트 엔드 신호 컨디셔닝, 아날로그-디지털 변환기(ADC) 및 데이터가 디지털 영역으로 들어오기 전의 드라이버로 구성됩니다.

가장 정밀한 위치 센서 중 하나는 광학 인코더입니다. 광학 인코더는 발광 다이오드(LED) 광원, 모터 샤프트에 부착된 마킹된 디스크 및 광검출기로 구성됩니다. 디스크에는 빛을 가리거나 통과시키는 불투명하고 투명한 영역의 마스크 패턴이 있습니다. 광검출기는 결과 빛을 감지하고 켜짐/꺼짐 빛 신호는 전기 신호로 변환됩니다.

디스크가 회전함에 따라 광검출기는 디스크 패턴과 함께 mV 또는 µV 수준의 작은 사인 및 코사인 신호를 생성합니다. 이 시스템은 절대 위치 광학 인코더에서 일반적입니다. 이러한 신호는 일반적으로 ADC 입력 전압 범위에 맞게 최대 1V 피크 대 피크 범위까지 신호를 얻기 위해 개별 증폭기 또는 아날로그 PGA(프로그래밍 가능 이득 증폭기)로 구성된 아날로그 신호 조절 회로에 공급됩니다. 최대 다이나믹 레인지를 위해 증폭된 각각의 사인 및 코사인 신호는 동시 샘플링 ADC의 드라이버 증폭기에 의해 수집됩니다.

ADC는 사인 및 코사인 데이터 포인트가 정확히 동일한 시점에 취해지도록 채널에서 동시 샘플링을 제공해야 합니다. 그 조합은 샤프트 위치 정보를 제공하기 때문입니다. ADC 변환 결과는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 또는 마이크로컨트롤러로 전달됩니다. 모터 컨트롤러는 펄스 폭 변조(PWM) 주기마다 인코더 위치를 쿼리하고 이 데이터를 사용하여 수신한 명령에 따라 모터를 구동합니다. 과거에는 시스템 설계자가 제한적인 보드 풋프린트에 맞게 ADC 속도 또는 채널 수를 교환해야 했습니다.

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그림 2. 위치 피드백 시스템. (출처:Analog Devices, Inc.)

위치 피드백 최적화

진화하는 기술의 요구로 인해 고정밀 위치 감지가 필요한 모터 제어 애플리케이션의 혁신이 이루어졌습니다. 광학 인코더 해상도는 디스크의 미세 리소그래피에서 새겨진 슬롯 수(일반적으로 수백 또는 수천)를 기반으로 할 수 있습니다.

이러한 사인 및 코사인 신호를 고속 고성능 ADC로 보간하면 인코더 디스크에 대한 시스템 변경 없이 더 높은 분해능 인코더를 생성할 수 있습니다. 예를 들어 인코더 사인 및 코사인 신호가 더 느린 속도로 샘플링되면 그림 3과 같이 더 적은 수의 신호 값이 캡처됩니다. 이것은 또한 포지션 캡의 정확도를 제한합니다.

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그림 3. 샘플링 비율. (출처:Analog Devices, Inc.)

그림 3에서 ADC가 더 빠른 속도로 샘플링하면 신호의 더 자세한 값이 캡처되고 더 높은 정확도의 위치가 결정됩니다. ADC의 고속 샘플링 속도는 오버샘플링을 허용하여 노이즈 성능을 더욱 개선하고 일부 디지털 후처리 요구 사항을 제거합니다. 동시에 ADC의 출력 데이터 속도를 줄입니다. 즉, 더 느린 직렬 주파수 신호를 허용하여 디지털 인터페이스를 단순화합니다. 모터 위치 피드백 시스템은 모터 어셈블리에 장착되며 특정 애플리케이션에서는 매우 작을 수 있습니다. 따라서 인코더 모듈의 제한된 PCB 영역에 맞추기 위해서는 크기가 중요합니다. 단일 소형 패키지에 여러 채널 구성 요소가 등장하는 것이 공간 절약에 가장 적합합니다.

광 인코더 위치 피드백 설계 예

최적화된 광학 인코더 위치 피드백 시스템의 예가 그림 4에 나와 있습니다. 회로는 인코더의 차동 사인 및 코사인 신호가 회로에서 캡처될 수 있는 절대 유형의 광학 인코더에 인터페이스될 수 있습니다. 그림 4는 ADC를 구동하는 ADA4940-2 프론트 엔드, 듀얼 채널, 완전 차동 증폭기를 보여줍니다. 이 경우 AD7380, 듀얼 채널, 16비트, 완전 차동, 4MSPS, 동시 샘플링 SAR ADC가 내장되어 있습니다. 소형 3mm × 3mm LFCSP 패키지.

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그림 4. 최적화된 피드백 시스템 설계. (출처:Analog Devices, Inc.)

온칩 2.5V 기준은 이 회로에 대한 최소 구성 요소 요구 사항을 허용합니다. ADC의 VCC 및 VDRIVE와 증폭기 드라이버의 공급 레일은 LT3023 및 LT3032와 같은 LDO 레귤레이터에 의해 전원이 공급될 수 있습니다. 예를 들어 인코더 디스크의 1회전에서 사인 및 코사인의 1024 사이클을 생성하는 1024슬롯 광학 인코더와 이러한 참조 설계가 인터페이스되면 16비트 AD7380은 각 인코더 슬롯을 216개 코드로 샘플링하여 인코더를 전체적으로 증가시킵니다. 최대 26비트의 해상도.

4 MSPS 처리율은 자세한 사인 및 코사인 주기를 캡처하고 인코더 위치를 최신 상태로 유지하도록 합니다. 높은 처리율은 온칩 오버샘플링을 가능하게 하여 모터에 정확한 인코더 위치를 제공하는 디지털 ASIC 또는 마이크로컨트롤러의 시간 패널티를 줄입니다. 온칩 오버샘플링은 온칩 해상도 부스트 기능과 함께 사용할 수 있는 추가 2비트 해상도를 허용합니다. 해상도 향상은 최대 28비트의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있습니다.

모터 제어 시스템은 더 높은 정확도, 더 빠른 속도, 소형화에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 광학 인코더는 모터 위치 감지 장치로 사용됩니다. 이를 위해 광학 인코더 신호 체인은 모터 위치를 측정할 때 높은 수준의 정확도를 가져야 합니다. 고속의 높은 처리량 ADC는 정보를 정확하게 캡처하고 모터 위치 데이터를 컨트롤러에 제공하여 위치 피드백 시스템에서 더 높은 수준의 정확도와 최적화를 가능하게 합니다.

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