PGA411-Q1 – интегральное решение от Texas Instruments для работы с индуктивными датчиками

| Texas Instruments

Точное управление работой электродвигателя невозможно без использования датчиков положения. Для этих целей используют оптические энкодеры, датчики Холла, индуктивные сенсоры и вращающиеся трансформаторы (резольверы). У вращающихся трансформаторов есть много достоинств. Это абсолютные датчики, устойчивые к грязи и пыли. Однако они требуют прецизионной системы возбуждения и сложной схемы обсчета выходных сигналов. Компания Texas Instruments предлагает готовое решение в виде интегральной микросхемы PGA4111 для питания и обсчета выходных сигналов резольверов.

Использование микросхемы PGA4111 для работы с резольверами

Рис. 1. Использование микросхемы PGA4111 для работы с резольверами

Для управления работой двигателя применяют различные виды обратной связи. Для этого измеряют как электрические, так и механические параметры системы, например, ток и напряжение на обмотках, положение и скорости вращения вала. Для определения положения ротора и скорости вращения двигателя используются различные типы датчиков, у каждого из которых есть достоинства и недостатки.

Оптические датчики могут иметь очень высокую разрешающую способность и огромный ресурс работы, так как они используют бесконтактный метод определения положения. Однако в большинстве случаев это относительные квадратичные, а не абсолютные энкодеры. Это значит, что они позволяют судить о скорости и направлении вращения вала двигателя, а для определения абсолютных координат потребуется использование различных систем зануления, например, концевых датчиков. Кроме того, оптические энкодеры не всегда хорошо ведут себя в условиях высокого уровня запыления.

При работе в жестких условиях вращающиеся трансформаторы могут оказаться более предпочтительными. Во-первых, они являются абсолютными датчиками, то есть позволяют определять не только скорость и направление вращения, но и абсолютное значение угла поворота. Во-вторых, такие датчики имеет достаточно высокую степень устойчивости к различным загрязнениям. Тем не менее, у них есть недостатки.

Среди недостатков вращающихся трансформаторов и индуктивных датчиков стоит отметить схемотехническую сложность их использования (рис. 2). Резольвер представляет собой трансформатор, обычно с одной обмоткой возбуждения и двумя обмотками обратной связи. На обмотку возбуждения подается сигнал, который за счет электромагнитного взаимодействия наводит на вторичных обмотках сигналы обратной связи. По соотношению фаз этих сигналов обратной связи можно определить положение вала (или подвижной части датчика).

Схема питания и обсчета индуктивного датчика

Рис. 2. Схема питания и обсчета индуктивного датчика

Такая схема требует формирования особого высокостабильного сигнала возбуждения, для этого необходимо иметь малошумящий источник питания, прецизионный генератор, усилитель с цепями фильтрации. Дело в том, что малейшее изменение фазы входного сигнала отразится на сигналах обратной связи. При этом в обязательном порядке требуется проводить калибровку, так как любая измерительная система имеет механические погрешности. Схожие требования по высокой стабильности предъявляются и к приемным трактам. В результате огромного количества сложностей, вращающиеся трансформаторы и индуктивные датчики в последние два десятка лет теряли свою популярность. Однако ситуация может измениться из-за появления микросхемы конвертора PGA4111 от компании Texas Instruments.

PGA411 – интегральный конвертор, осуществляющий интерфейс цифровых контроллеров с резольверами. В своем составе микросхема объединяет все необходимые блоки (рис. 3): повышающий преобразователь, стабильный генератор, малошумящий усилитель, аналоговые приемные тракты, диагностические блоки, цифровое ядро.

Внутренняя структура PGA411

Рис. 3. Внутренняя структура PGA411

Для формирования сигнала возбуждения используются три основных блока: генератор, усилитель и повышающий преобразователь. Повышающий преобразователь требует внешней индуктивности, обратного диода и емкостного фильтра. Этот регулятор позволяет формировать напряжение 10 В или 17 В, в зависимости от требуемого размаха сигнала возбуждения. Получаемое напряжение питания используется для усилителя.

Исходный гармонический сигнал возбуждения хранится в памяти микросхемы в цифровой форме. Генератор последовательно подает отсчеты сигнала на ЦАП. С выхода ЦАП низковольтные аналоговые колебания подаются на многокаскадный усилитель. Дифференциальный сигнал с усилителя имеет программируемое постоянное смещение двух уровней для работы с напряжениями в режимах 4 или 7 В (ср. кв), при этом программируемый размах сигнала составляет 8…24 В, а максимальный ток до 145 мА.

Аналоговые тракты для приема сигналов обратной связи включают в себя фильтры, дифференциальные программируемые усилители и схемы коррекции. Кроме того в состав PGA411 входит и Pi-регулятор (Type-II). Оцифровка аналоговых сигналов проводится с 10 или 12-битным разрешением. При использовании 10-битного разрешения возможна работа со скоростями до 200 000 об/с.

Важно отметить, что PGA411 имеет обширные возможности по калибровке и подстройке выходных и входных сигналов. Среди особенностей PGA411 также стоит отметить наличие возможности детектирования аварийных ситуаций и перегрева.

Для взаимодействия PGA411 с микроконтроллером может быть использован параллельный интерфейс или SPI с частотой до 8 МГц. Для поддержки традиционных систем PGA411 способен имитировать выходные сигналы стандартного энкодера либо формировать аналоговый сигнал, как у тахометров. Для создания аналогового сигнала используется еще один ЦАП.

Таким образом, в своем составе PGA411 объединяет все, что требуется для работы с резольвером. В результате схема взаимодействия микроконтроллер-резольвер максимально упрощается (рис. 4). От пользователя потребуется всего лишь управляющий контроллер, источник питания 5 В, элементы повышающего преобразователя (LC-фильтр и обратный диод) и несколько конденсаторов.

Схема взаимодействия микроконтроллера и резольвера через PGA411

Рис. 4. Схема взаимодействия микроконтроллера и резольвера через PGA411

Чтобы ознакомиться со всеми особенностями PGA411, следует воспользоваться отладочным набором PGA411-Q1 EVM.

Отладочный набор PGA411-Q1 EVM объединяет бесплатное ПО (PGA411-Q1 EVM GUI) и печатную плату, на которой размещен конвертор PGA411, микроконтроллер MSP430, клеммы для подключения датчика, система питания 5 В, тестовые точки, штыревые колодки, кнопки и разъем USB (рис. 5). Стоит отметить, что питание платы осуществляется не от USB, а от дополнительного источника 5 В.

Внешний вид отладочной платы PGA411-Q1 EVM

Рис. 5. Внешний вид отладочной платы PGA411-Q1 EVM

Использование отладочного набора интересно еще из-за наличия специализированного ПО PGA411-Q1 EVM GUI, которое устанавливается на ПК. Для подключения к ПК используется интерфейс USB (рис. 6).

Структурная схема PGA411-Q1 EVM и подключение к ПК

Рис. 6. Структурная схема PGA411-Q1 EVM и подключение к ПК

PGA411-Q1 EVM GUI позволяет с помощью графического интерфейса настроить работу PGA411, задать значения всех регистров и в графической форме отслеживать работу датчика в реальном времени. Особенно эффектно выглядит демонстрационный режим, доступный при нажатии на кнопку «Demo» (рис. 7).

Рабочее окно и демонстрационный режим программы PGA411-Q1 EVM GUI

Рис. 7. Рабочее окно и демонстрационный режим программы PGA411-Q1 EVM GUI

PGA411 найдет свое применение во множестве приложений, в которых необходимо точное управление работой электродвигателей: серводвигатели, системы ЧПУ, элеваторы, лифты, промышленные роботы и т. д.

Характеристики микросхемы питания и обсчета индуктивных датчиков PGA411QPAPRQ1:

  • разрешение: 10/12 бит;
  • частота сигнала возбуждения: 10/20 кГц;
  • дифференциальное напряжение сигнала возбуждения: 8…24 В;
  • выходной ток сигнала возбуждения: до 145 мА;
  • коммуникационные интерфейсы: параллельный и SPI (8 МГц);
  • дополнительные выходы: цифровые, аналоговый, энкодер;
  • напряжение питания: 4,75…5,25 В (общее), 3…3,6 В (цифровая часть), 4,75…8,5 В (вход повышающего регулятора);
  • рабочий диапазон температур: -40...125° C;
  • корпус: 64-выводной HTQFP 10x10 мм.
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
PGA411QPAPRQ1
PGA411QPAPRQ1
Texas Instruments
Арт.: 2103398 ИНФО PDF AN
Доступно: 1000 шт.
Выбрать
условия
поставки
Интегральный конвертор, осуществляющий интерфейс цифровых контроллеров с резольверами. В своем составе микросхема объединяет: повышающий преобразователь, стабильный генератор, малошумящий усилитель, аналоговые приемные тракты, диагностические блоки, цифровое ядро.
PGA411QPAPRQ1 от 3465,71
1000 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()