工業執行器的有效控制需要精確、可重復的控制。線性執行器控制具有高精度控制環路，具有高分辨率、單調性、低建立時間和低代碼到代碼的毛刺能量。該設計解決方案簡要討論了與實現精確線性執行器控制相關的問題，并說明了為什么線性執行器是許多應用的不錯選擇。然后，它揭示了如何利用數模轉換器（DAC）的超低建立時間和毛刺能量。

介紹

與電動機的圓周運動相反，線性執行器產生直線運動。機床和工業機械在計算機打印機、閥門和阻尼器以及需要直線運動的地方使用線性執行器。

工業執行器的有效控制需要精確、可重復的控制。有效的線性執行器控制具有具有高分辨率、單調性、低建立時間和低代碼到代碼毛刺能量的精密控制環路。

這種設計對設計人員來說具有挑戰性，因為精密執行器需要高精度數模轉換器（DAC）來啟動線性運動。線性致動器通常是機械的，對于應用來說太慢，而離散致動器不夠精確。

在許多應用中，高精度線性執行器控制的解決方案在于機床。工業機械必須具有精確、低毛刺和快速的DAC，為計算機打印機、閥門和阻尼器以及某些需要線性運動的應用創建高精度控制系統。

該設計解決方案簡要討論了與實現精確線性執行器控制相關的問題，并說明了為什么線性執行器是許多應用的不錯選擇。然后介紹精密DAC，并揭示如何利用其單調性、超低建立時間和毛刺能量。

線性運動控制

精密運動控制應用利用高精度控制回路，如線性執行器控制。圖2顯示了DAC驅動的線性執行器電路的框圖。

圖2.精密DAC驅動的線性執行器在執行器動作期間提供精確的位置。

在圖2中，高速DAC通過驅動放大器驅動線性執行器。精密 16 位 DAC 發送模擬輸出電壓，該電壓可隨滿量程執行器變化或運動中的微小增加或減少而變化。

DAC單調性

DAC單調性意味著數字代碼輸入的增加（或減少）將始終不會改變或增加（或減少）模擬輸出。

對于線性促動器，非單調DAC會導致促動器因預期的延長事件而縮短。使用反饋回路時，該誤差會導致發生振蕩，執行器中的電氣元件將嘗試糾正該誤差。

如果DAC數據手冊中沒有單調性規格，則差分非線性（DNL）規格意味著DAC的單調性能力。

DNL誤差是模擬實際步寬與一個LSB的理想模擬值之間的差值。對于DNL等于0 LSB的理想DAC，每個數字步進等于1 LSB。1 LSB 等于 V司 司長/2N，其中 V司 司長是DAC的滿量程范圍，N是DAC的分辨率。如果從代碼到代碼的實際DAC步長小于1 LSB，則DNL為負數。

小于-1 LSB的DNL誤差表示轉換值與預期轉換直接相反，從而產生缺失代碼或模擬值隨著數字輸入代碼的增加而減少的實例。換句話說，小于-1 LSB的DNL誤差意味著DAC是非單調的。

在圖3中，DAC的DNL圖在X軸上顯示數字輸入代碼，在Y軸上顯示模擬輸出（電壓或電流）。

圖3.在此圖中，DAC DNL確定轉換器的單調性，使該DAC成為單調器件。

DNL 小于 -1 LSB 表示非單調 DAC。對于此圖，即使DNL誤差為-1/2 LSB，模擬輸出也會隨著數字代碼的增加而增加。在圖3中，DAC是單調的。

DAC建立時間和轉換速度

輸出建立時間是DAC輸出從零輸出到滿量程建立到指定電平所需的最長時間。在該電路中，DAC建立時間定義了執行器的速度。

建立時間測量從LDAC的下降沿開始（圖4）。

圖4.16位DAC的典型建立時間為750ns。

圖4顯示了實際DAC的建立時間示例。值得注意的是，模擬輸出信號從零到滿量程的特性表現出一階低通濾波器。750ns（典型值）DAC建立時間發生在信號穩定在理想最終模擬電壓附近的±1 LSB頻帶內時。將建立時間乘以 2 確定 DAC 的帶寬，等于 667kHz。

數字轉換器毛刺能量

理想情況下，DAC輸出從一個值單調移動到下一個值。實際電路可能有輕微的下沖或過沖。這種動態規格的DAC特性會暫時輸出錯誤電壓，從而破壞閉環線性執行器系統的運行。代碼到代碼轉換發生的過沖或欠沖量化了毛刺脈沖規格（圖 5）。

圖5.（A） 當數字主載波與DAC的其余代碼相反而變化時，就會發生DAC毛刺能量。（B） 串式DAC產生單個波瓣的毛刺能量。（C） R-2R DAC產生雙瓣。

圖5顯示了DAC容性耦合電荷注入誤差如何在主代碼轉換時產生過沖和下沖（當DAC代碼從1000...到 0111...內部DAC開關同步并不總是完美的，這會在DAC的輸出端產生過沖和/或下沖信號。

串式DAC產生的毛刺脈沖產生單瓣毛刺脈沖（B） R-2R DAC（C）產生兩個區域的代碼轉換誤差。在這種情況下，從負毛刺脈沖 （G1） 中減去正毛刺脈沖 （G2）。

由于毛刺脈沖非常快，因此捕獲毛刺所含區域的測量單位為納伏秒（nV-s）（圖6）。

圖6.該R-2R DAC主承載（7FFF至8000）輸出毛刺為0.05nV-s。

在圖6中，20位DAC的0.05nV-s低毛刺會對線性執行器的工作產生很小的干擾。

DAC的執行器精度

MAX5717/MAX5719是16位、精密、高速DAC，具有單調性、750ns建立時間和0.05nV-s超低毛刺能量，可預先確定線性執行器的精密性能（圖7）。

圖7.具有3線SPI、QSPI?、微線和DSP兼容串行接口的16位/20位DAC框圖。

MAX5717/MAX5719為串行輸入、無緩沖、16位和20位電壓輸出單極性DAC，集成反饋電阻，與外部運算放大器配合使用時允許雙極性工作。 在單極性模式下，DAC在上電時復位至零。這些DAC提供低噪聲、緊密的雙極性電阻匹配和高精度。集成的精密設置電阻使DAC易于使用。

結論

對精確的線性執行器控制的需求不一定是事后的想法。簡單的解決方案通常是機械的，而且速度太慢，而離散的執行器缺乏精度。在規劃過程中，重要的是要考慮各種規格優勢并應用集成解決方案。精密、低毛刺、高速DAC提供了一種簡單、有效的反饋解決方案，讓線性執行器控制設計人員高枕無憂。

審核編輯：郭婷