自主無人機和機器人利用快速、高分辨率、更小的電機。這些快速旋轉的微型電機需要更多的微型編碼器和小型化IC封裝尺寸。本文介紹了光學正弦編碼器如何通過 2mm x 3mm 雙通道同時采樣 SAR-ADC 提供更高的分辨率和更高的速度。

介紹

從生產車間到自主無人機，機器人就在我們身邊，利用快速、高分辨率、更小的電機。這種快速旋轉的微型電機需要微型編碼器和小型化 IC 封裝尺寸。

所有這些設計規范似乎是相互排斥的;例如，更快的信號編碼器轉換通常會損害分辨率。這種系統設計對設計人員來說具有挑戰性，因為快速旋轉的電機不斷需要互補的采樣速度。機器人執行的基本任務是運動和傳感，編碼器中具有高分辨率和快速轉換速率的模數轉換器（ADC）是其功能的核心。

本文簡要討論了與為速度更快的旋轉電機實現小型高精度電機編碼器相關的問題。本文介紹了一款具有雙通道同時采樣、逐次逼近寄存器模數轉換器（SAR-ADC）的編碼器，以及如何利用內部基準電壓源和雙通道同時采樣輸入級。

電機編碼器

增量編碼器是一種機電運動檢測器。它有兩個輸出信號，A和B，指示運動方向和行進距離。這些信號共同決定了方向和速度。來自編碼器的第三個信號確定電機的位置。

增量編碼器有兩種類型是線性編碼器和旋轉編碼器。線性編碼器在單個維度或方向上移動物品，并將線性位置轉換為電子信號。旋轉編碼器繞軸移動物品，并將旋轉位置或角度轉換為電子信號。每個輸出信號對應于軸的恒定角度變化。電機通常使用增量式旋轉編碼器來執行方向、速度和位置跟蹤（圖 2）。

圖2.電機有效地利用旋轉編碼器，量化電機的方向、速度和位置。

兩種常見的增量式旋轉編碼器具有數字或正弦信號輸出。數字增量式旋轉編碼器在磁盤上具有輸出 50% 占空比、高或低數字信號的模式。

數字編碼器

光學數字編碼器通過電機輪的插槽傳輸光線。光接收機在光線出現時記錄高數字輸出，在黑暗中記錄低數字輸出（圖 3）。

圖3.顯示通道A和通道B的光學數字編碼器，其中通道B復制通道A信號鏈。

在電機輪的另一側，光電二極管（圖3）和跨阻放大器檢測數字光脈沖。跨阻放大器的接口通過低輸入 0.5pA 輸入偏置電流和 5nV/√Hz @ 1kHz 低噪聲補充光電二極管。通道A和B中的信號通過各自的比較器到達微控制器，微控制器捕獲最終的數字事件。通道A和B排列的關鍵是微控制器同時鎖存這兩個信號。

在圖3中創建一個穩定的TIA電路以消除不確定性非常重要。反饋電阻（RF）和反饋電容（CF） 與放大器的輸入電容（C微分+ C歐蒙模式= C放大 器）和光電二極管寄生電容（C帕金森).最高效的TIA電路是具有65°相位裕量、巴特沃茲響應的電路。該相位裕量幅度產生5%的階躍響應過沖。公式1顯示了模擬巴特沃茲響應的TIA計算。

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

其中 f英鎊是單位增益穩定放大器和C的增益帶寬乘積射頻是寄生射頻電容。

公式1允許電路設計人員改變放大器帶寬/輸入電容以及反饋電阻值。有關 TIA 穩定性的更多信息，請參閱 TIA 基礎知識：噪聲傳遞函數第 4 部分。

在圖 3 中，兩個光通道 A 和 B 收集電機的方向和速度數據。為了測量方向，光學器件的位置和每個光學輪窗口之間的距離在A和B方波之間建立了90度相位。電機方向與相位角的符號有關。如果 A 通道的上升沿先于 B 通道的上升沿，則相位差為正（圖 4.a）。

圖4.編碼器同時捕獲數字通道A和通道B信號。

如圖4.b所示，如果A通道的上升沿跟隨B通道的上升沿上升沿，則相位差為負。

A或B方波的頻率決定了電機速度。

圖 3 中的機械結構在一個電機軸旋轉中產生多個周期。編碼器制造商生產的增量式數字旋轉編碼器（和增量正弦/余弦旋轉編碼器）每轉 50 到 5，000 個周期。

除了數字信號外，車輪上還有一個參考標記，用于確定電機的旋轉位置。設計工程師將參考標記稱為 360 度電機輪周長的 0° 角。數字脈沖參考標記計數決定了電機的確切旋轉位置。

正弦編碼器

增量式正弦編碼器還提供運動方向和行進距離，并帶有一對正交正弦和余弦信號。該編碼器的輸出不是數字輸出，而是正弦波和余弦波，以更高的速度提供更高的分辨率和運動距離。

這種類型的編碼器有三個信號：正弦、余弦和參考脈沖（圖 5）。

圖5.正弦信號由正弦波和余弦波組成，編碼器同時對兩個信號進行采樣。

模擬正弦編碼器需要一個全模擬信號鏈。從正弦編碼器信號中提取可靠的位置和速度信息具有一定的模擬信號預調理。在ADC的第一個輸入端，將SIN和COS信號（通常為1Vpp輸入信號范圍）轉換為差分信號。差分信號可確保最大的抗擾度，并提供適當放大和電平轉換所得單端SIN和COS信號的機會，為模數轉換器（ADC）輸入級做準備。

每轉都有多個信號周期。產生的正弦/余弦頻率取決于信號周期數和每分鐘轉數。例如，下面的等式顯示了編碼器的正弦/余弦頻率，該編碼器一轉有4，096個周期，電機以每分鐘1，400轉的速度旋轉（公式2）：

在本例中，信號鏈解決方案帶寬至少為1600kHz。這種閉環控制系統需要極低的零延遲，而雙通道同步采樣ADC可提供這種零延遲。編碼器輸出為 1 VP-P（典型值），具有差分正弦和余弦輸出信號。

模擬信號鏈要求如下：

兩個同步采樣ADC：ADC1提供正弦輸出，ADC2提供余弦輸出。

無系統延遲：最好是SAR（逐次逼近寄存器）轉換器（相對于ΔΣ或流水線轉換器）

超過800 kHz的帶寬，因此ADC以大于每通道1600 ksps的最小速率進行轉換，以滿足奈奎斯特定理。

2-5P-P差分輸入。

最佳解決方案是雙通道同步采樣 SAR ADC（圖 5）。

圖6.輸入頻率為800 kHz的雙通道同步采樣2 Msps ADC通過電機線圈正弦信號確定電機的方向和速度。

在圖6中，兩個單電源運算放大器將輸入信號轉換為差分信號，以驅動全差分ADC。ADC的外部1.2V基準電壓源為16位轉換提供了一個穩壓良好的基準點。通過兩個同步采樣通道，ADC的每通道輸出數據速率為2 Msps，可滿足規定的要求。

在本例中，2mm x 3mm TDFN MAX11198為16位ADC，正弦增量式旋轉編碼器一轉4，096個周期。測量步驟總數的計算公式為（公式3）：

這種方法為設計人員提供了 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 × 度以內的旋轉位置精度。

結論

本文簡要討論了與為速度更快的旋轉電機實現小型高精度電機編碼器相關的問題。本文介紹了一款具有雙路同時采樣SAR-ADC的編碼器，并探討了如何利用內部基準電壓源和雙路同時采樣輸入級。

電機控制反饋路徑中有兩種典型的編碼器實現方式：線性和旋轉。我們 從 模擬 信號 鏈 角度 評估 了 增量 式 數字 和 正弦 輸出 的 輸出 信號 特性， 確保 信號 完整性 和 最佳 性能。

光學數字編碼器提供高分辨率。但是，光學正弦編碼器以更高的速度提供更高的分辨率。

審核編輯：郭婷