यह आलेख मोटर नियंत्रण के लिए स्थिति पहचान इंटरफेस विकसित करते समय औद्योगिक स्वचालन क्षेत्र में डिजाइनरों के सामने आने वाली आम चुनौतियों को संबोधित करता है, विशेष रूप से, उच्च गति और छोटे आकार की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों में स्थिति का पता लगाने के लिए। मोटर स्थिति को सटीक रूप से मापने के लिए एनकोडर से प्राप्त जानकारी का उपयोग स्वचालन और मशीनरी के सफल संचालन के लिए महत्वपूर्ण है। तेज़, उच्च{{3}रिज़ॉल्यूशन, दोहरे {{4}चैनल सिंक्रोनस सैंपलिंग एनालॉग {{5}से {{6}डिजिटल कन्वर्टर्स (एडीसी) ऐसे सिस्टम के आवश्यक घटक हैं।
परिचय
उभरते अनुप्रयोगों के लिए सटीक ड्राइव और नियंत्रकों का उत्पादन करने के लिए स्थिति, गति और दिशा जैसी सटीक मोटर रोटेशन जानकारी आवश्यक है, जैसे असेंबली मशीनें जो सीमित स्थान के साथ पीसीबी क्षेत्रों पर सूक्ष्म घटकों को माउंट करती हैं। हाल ही में, मोटर नियंत्रण को छोटा करना शुरू कर दिया गया है, जिससे स्वास्थ्य सेवा उद्योग में नए सर्जिकल रोबोटिक्स अनुप्रयोगों और एयरोस्पेस और रक्षा में नए ड्रोन अनुप्रयोगों को सक्षम किया जा सका है। छोटे मोटर नियंत्रक भी औद्योगिक और वाणिज्यिक असेंबली में नए अनुप्रयोग चला रहे हैं। डिजाइनरों के लिए, चुनौती उच्च गति अनुप्रयोगों में स्थिति फीडबैक सेंसर की उच्च सटीकता आवश्यकताओं को पूरा करने में है, जबकि रोबोटिक हथियारों जैसे लघु पैकेजों के अंदर स्थापना के लिए सीमित पीसीबी स्थान के भीतर सभी घटकों को एकीकृत करना है।
चित्र 1. बंद -लूप मोटर नियंत्रण फीडबैक प्रणाली
मोटर नियंत्रण
मोटर नियंत्रण लूप (जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है) में मुख्य रूप से एक मोटर, एक नियंत्रक और एक स्थिति फीडबैक इंटरफ़ेस होता है। मोटर शाफ्ट को घुमाती है, जिससे रोबोटिक भुजा तदनुसार चलती है। मोटर नियंत्रक कब बल लगाता है, कब रुकता है, या कब घूमता रहता है, इसका प्रबंधन करता है। लूप के भीतर स्थिति इंटरफ़ेस नियंत्रक को गति और स्थिति की जानकारी प्रदान करता है। लघु सतह माउंट पीसीबी को संभालने वाली असेंबली मशीनों के लिए, यह डेटा उचित संचालन के लिए महत्वपूर्ण है। इन सभी अनुप्रयोगों को घूमने वाली वस्तुओं की सटीक स्थिति माप की आवश्यकता होती है।
मोटर शाफ्ट की स्थिति का सटीक रूप से पता लगाने, संबंधित सूक्ष्म घटकों को लेने और उन्हें बोर्ड पर सही स्थानों पर रखने के लिए स्थिति सेंसर में अत्यधिक उच्च रिज़ॉल्यूशन होना चाहिए। इसके अतिरिक्त, उच्च मोटर गति अधिक लूप बैंडविड्थ और कम विलंबता की मांग करती है।
स्थिति प्रतिक्रिया प्रणाली
निचले स्तर के अनुप्रयोगों में, स्थिति का पता लगाने को वृद्धिशील सेंसर और तुलनित्र का उपयोग करके कार्यान्वित किया जा सकता है। हालाँकि, उच्च-स्तरीय अनुप्रयोग अधिक जटिल सिग्नल श्रृंखलाओं की मांग करते हैं। इन फीडबैक सिस्टम में पोजिशन सेंसर और उसके बाद एनालॉग फ्रंट सिग्नल कंडीशनिंग, एक एडीसी और एक एडीसी ड्राइवर शामिल होता है। डिजिटल डोमेन में प्रवेश करने से पहले डेटा इन घटकों से होकर गुजरता है। सबसे सटीक स्थिति सेंसर ऑप्टिकल एनकोडर है। एक ऑप्टिकल एनकोडर में एक एलईडी प्रकाश स्रोत, मोटर शाफ्ट से जुड़ी एक चिह्नित डिस्क और एक फोटोडिटेक्टर होता है। डिस्क में अपारदर्शी और पारदर्शी नकाबपोश क्षेत्र होते हैं जो प्रकाश को रोकते हैं या गुजरने देते हैं। फोटोडिटेक्टर इन प्रकाश संकेतों का पता लगाता है, चालू/बंद प्रकाश स्पंदों को इलेक्ट्रॉनिक संकेतों में परिवर्तित करता है।
जैसे ही डिस्क घूमती है, फोटोडिटेक्टर (डिस्क के पैटर्न के साथ सिंक्रनाइज़) छोटे साइन और कोसाइन सिग्नल (एमवी या µV स्तर पर) उत्पन्न करता है। यह कॉन्फ़िगरेशन निरपेक्ष स्थिति ऑप्टिकल एनकोडर के लिए विशिष्ट है। ये सिग्नल एनालॉग सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट में प्रवेश करते हैं (आमतौर पर 1 वी शिखर - से - शिखर रेंज तक सिग्नल प्राप्त करने के लिए अलग एम्पलीफायर या एनालॉग पीजीए शामिल होते हैं), आमतौर पर एडीसी इनपुट वोल्टेज रेंज को अधिकतम गतिशील रेंज से मेल खाने के लिए। प्रत्येक प्रवर्धित साइन और कोसाइन सिग्नल को सिंक्रोनस सैंपलिंग एडीसी के ड्राइव एम्पलीफायर द्वारा कैप्चर किया जाता है।
एडीसी के प्रत्येक चैनल को साइन और कोसाइन डेटा बिंदुओं को एक साथ प्राप्त करने के लिए सिंक्रोनस सैंपलिंग का समर्थन करना चाहिए, क्योंकि ये संयुक्त बिंदु अक्ष स्थिति की जानकारी प्रदान करते हैं। ADC रूपांतरण परिणाम ASIC या माइक्रोकंट्रोलर को भेजे जाते हैं। मोटर नियंत्रक प्रत्येक पीडब्लूएम चक्र के दौरान एनकोडर स्थिति का सर्वेक्षण करता है और प्राप्त आदेशों के अनुसार मोटर को चलाने के लिए इस डेटा का उपयोग करता है। अतीत में, सीमित बोर्ड स्थान में एकीकृत करने के लिए, सिस्टम डिजाइनरों को एडीसी गति या चैनल गणना का त्याग करना पड़ता था।
चित्र 2. स्थिति प्रतिक्रिया प्रणाली
स्थिति प्रतिक्रिया को अनुकूलित करें
जैसे-जैसे प्रौद्योगिकी आगे बढ़ रही है, उच्च परिशुद्धता स्थिति का पता लगाने की आवश्यकता वाले मोटर नियंत्रण अनुप्रयोगों में लगातार नवाचार हो रहे हैं। ऑप्टिकल एनकोडर का रिज़ॉल्यूशन डिस्क पर बारीक फोटोलिथोग्राफ किए गए स्लॉट की संख्या से निर्धारित किया जा सकता है, आमतौर पर सैकड़ों से हजारों तक। इन साइन और कोसाइन सिग्नलों को उच्च {{3} गति, उच्च - प्रदर्शन वाले एडीसी में फीड करके, एनकोडर डिस्क में सिस्टम परिवर्तन की आवश्यकता के बिना उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले एनकोडर बनाए जा सकते हैं। उदाहरण के लिए, एन्कोडर के साइन और कोसाइन संकेतों का कम दर पर नमूनाकरण केवल सीमित संख्या में सिग्नल मान कैप्चर करता है, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है; यह स्थिति समाई की सटीकता को सीमित करता है। चित्र 3 में, एडीसी के साथ उच्च दर पर नमूनाकरण अधिक विस्तृत सिग्नल मूल्यों के अधिग्रहण की अनुमति देता है, जिससे अधिक सटीक स्थिति निर्धारण सक्षम होता है। एडीसी की उच्च गति नमूना दर ओवरसैंपलिंग का समर्थन करती है, शोर प्रदर्शन में और सुधार करती है और कुछ डिजिटल पोस्ट प्रसंस्करण आवश्यकताओं को समाप्त करती है। इसके साथ ही, एडीसी की आउटपुट डेटा दर को कम किया जा सकता है, जिसका अर्थ है कि यह धीमी सीरियल आवृत्ति संकेतों का समर्थन करता है, जिससे डिजिटल इंटरफ़ेस सरल हो जाता है। मोटर असेंबली पर मोटर पोजीशन फीडबैक सिस्टम लगे होते हैं, जो कुछ अनुप्रयोगों में बेहद कॉम्पैक्ट हो सकते हैं। इसलिए, एनकोडर मॉड्यूल को उपलब्ध सीमित पीसीबी क्षेत्र में फिट करने के लिए आकार महत्वपूर्ण है। एक ही लघु पैकेज के भीतर कई चैनल घटकों को एकीकृत करने से महत्वपूर्ण स्थान की बचत होती है।
चित्र 3. नमूनाकरण दर
ऑप्टिकल एनकोडर स्थिति फीडबैक का डिज़ाइन उदाहरण
चित्र 4 ऑप्टिकल एनकोडर स्थिति फीडबैक सिस्टम के लिए उपयुक्त एक अनुकूलित समाधान का एक उदाहरण दिखाता है। यह सर्किट आसानी से निरपेक्ष - प्रकार के ऑप्टिकल एनकोडर के साथ इंटरफेस करता है, फिर एनकोडर से अंतर साइन और कोसाइन संकेतों को आसानी से पकड़ लेता है। ADA4940{{5}2 फ्रंट{6}एंड एम्प्लीफायर एक डुअल {7}चैनल, कम शोर वाला, पूर्णतः विभेदक एम्प्लीफायर है जिसका उपयोग AD7380 को चलाने के लिए किया जाता है। उत्तरार्द्ध एक दोहरी -चैनल, 16-बिट, पूरी तरह से अंतर, 4 एमएसपीएस सिंक्रोनस सैंपलिंग एसएआर एडीसी है जो एक कॉम्पैक्ट 3 मिमी × 3 मिमी एलएफसीएसपी पैकेज में रखा गया है। ऑन-चिप 2.5 वी संदर्भ वोल्टेज स्रोत इस सर्किट को न्यूनतम संख्या में घटकों के साथ कार्यान्वित करने में सक्षम बनाता है। ADC के VCC और VDRIVE, एम्पलीफायर ड्राइवर की आपूर्ति रेल के साथ, LT3023 और LT3032 जैसे LDO नियामकों द्वारा संचालित किए जा सकते हैं। जब ये संदर्भ डिज़ाइन आपस में जुड़े होते हैं (उदाहरण के लिए, 1024 स्लॉट ऑप्टिकल एनकोडर का उपयोग करके जो एनकोडर डिस्क क्रांति के अनुसार 1024 साइन और कोसाइन चक्र उत्पन्न करता है), 16-बिट AD7380 216 कोड में प्रत्येक एनकोडर स्लॉट का नमूना लेता है, जिससे एनकोडर का समग्र रिज़ॉल्यूशन 26 बिट तक बढ़ जाता है। 4 एमएसपीएस थ्रूपुट दर नवीनतम एनकोडर स्थिति डेटा के साथ विस्तृत साइन और कोसाइन चक्र जानकारी का कैप्चर सुनिश्चित करता है। यह उच्च थ्रूपुट ऑन-चिप ओवरसैंपलिंग के कार्यान्वयन को सक्षम बनाता है, जब डिजिटल एएसआईसी या माइक्रोकंट्रोलर मोटर को सटीक एनकोडर स्थिति फीडबैक फ़ीड करता है तो समय की देरी को कम करता है। AD7380 के ऑन-चिप ओवरसैंपलिंग का एक अन्य लाभ अतिरिक्त 2 बिट रिज़ॉल्यूशन जोड़ने की क्षमता है, जिसे ऑन-चिप रिज़ॉल्यूशन एन्हांसमेंट सुविधा के साथ जोड़ा जा सकता है। यह रिज़ॉल्यूशन संवर्द्धन 28 बिट तक सटीकता प्राप्त करते हुए सटीकता में सुधार करता है। एप्लिकेशन नोट AN-2003 AD7380 की ओवरसैंपलिंग और रिज़ॉल्यूशन एन्हांसमेंट क्षमताओं पर विस्तृत जानकारी प्रदान करता है।
चित्र 4. अनुकूलित फीडबैक सिस्टम डिज़ाइन
निष्कर्ष
मोटर नियंत्रण प्रणालियाँ उच्च परिशुद्धता, तेज़ गति और अधिक लघुकरण की मांग करती हैं। ऑप्टिकल एनकोडर मोटर स्थिति का पता लगाने वाले उपकरणों के रूप में काम करते हैं। इसलिए, मोटर स्थिति को मापते समय ऑप्टिकल एनकोडर सिग्नल श्रृंखला को उच्च सटीकता प्रदान करनी चाहिए। उच्च{{3}स्पीड, उच्च-थ्रूपुट एडीसी सटीक रूप से जानकारी कैप्चर करते हैं और मोटर स्थिति डेटा को नियंत्रक तक पहुंचाते हैं। AD7380 की गति, घनत्व और प्रदर्शन उद्योग की आवश्यकताओं को पूरा करते हुए स्थिति प्रतिक्रिया प्रणालियों में उच्च परिशुद्धता और सिस्टम कार्यान्वयन को अनुकूलित करने में सक्षम बनाता है।
लेखक
जोनाथन कोलाओ