GERU007B June   2015  – March 2025

 

  1.   1
  2.   Beschreibung
  3.   Ressourcen
  4.   Merkmale
  5.   Anwendungen
  6.   6
  7. 1 Systembeschreibung
    1. 1.1 Design-Übersicht
    2. 1.2 Analoger inkrementelle Sin/Cos-Encoder
      1. 1.2.1 Sin/Cos-Encoder-Ausgangssignale
      2. 1.2.2 Beispiele für elektrische Sin/Cos-Encoder-Parameter
    3. 1.3 Methode zur Berechnung der hochauflösenden Position mit Sin/Cos-Encodern
      1. 1.3.1 Theoretischer Ansatz
        1. 1.3.1.1 Übersicht
        2. 1.3.1.2 Berechnung des Winkels mit grober Auflösung
        3. 1.3.1.3 Berechnung des Winkels mit feiner Auflösung
        4. 1.3.1.4 Berechnung des interpolierten hochauflösenden Winkels
        5. 1.3.1.5 Praktische Implementierung für nicht ideale Synchronisation
        6. 1.3.1.6 Überlegungen zu Auflösung, Genauigkeit und Geschwindigkeit
    4. 1.4 Auswirkungen von Sin/Cos-Encoder-Parametern auf die Spezifikation analoger Schaltkreise
      1. 1.4.1 Überlegungen zum Design der analogen Signalkette für die Phaseninterpolation
      2. 1.4.2 Systemdesign der Komparatorfunktion für inkrementelle Anzahl
  8. 2 Designmerkmale
    1. 2.1 Sin/Cos-Encoder-Schnittstelle
    2. 2.2 Hostprozessor-Schnittstelle
    3. 2.3 Evaluierungs-Firmware
    4. 2.4 Power-Management
    5. 2.5 EMV-Störfestigkeit
  9. 3 Blockschaltbild
  10. 4 Schaltkreisdesign und Komponentenauswahl
    1. 4.1 Analoge Signalkette
      1. 4.1.1 Hochauflösender Signalweg mit 16-Bit-Doppelabtastungs-ADC
        1. 4.1.1.1 Komponentenauswahl
        2. 4.1.1.2 Eingangssignalabschluss und -schutz
        3. 4.1.1.3 Differenzialverstärker THS4531A und 16-Bit-ADC ADS8354
      2. 4.1.2 Analoger Signalweg mit unsymmetrischem Ausgang für MCU mit eingebettetem ADC
      3. 4.1.3 Komparator-Subsystem für die digitalen Signale A, B und R
        1. 4.1.3.1 Nicht invertierender Komparator mit Hysterese
    2. 4.2 Power-Management
      1. 4.2.1 24-V-Eingang auf 6-V-Zwischenschiene
      2. 4.2.2 Encoder-Versorgung
      3. 4.2.3 Signalketten-Stromversorgung 5 V und 3,3 V
    3. 4.3 Hostprozessor-Schnittstelle
      1. 4.3.1 Signalbeschreibung
      2. 4.3.2 Hochauflösender Pfad unter Verwendung des 16-Bit-Dual-ADC ADS8354 mit seriellem Ausgang
        1. 4.3.2.1 Ausgabedatenformat des Vollausschlagsbereichs von ADS8354
        2. 4.3.2.2 Serielle Datenschnittstelle von ADS8354
        3. 4.3.2.3 Wandlungsdaten von ADS8354 lesen
        4. 4.3.2.4 Registerkonfiguration für ADS8354
    4. 4.4 Encoder-Anschluss
    5. 4.5 Design-Upgrades
  11. 5 Softwaredesign
    1. 5.1 Übersicht
    2. 5.2 C2000-Piccolo-Firmware
    3. 5.3 Benutzerschnittstelle
  12. 6 Erste Schritte
    1. 6.1 TIDA-00176-Platinen-Übersicht
    2. 6.2 Anschlüsse und Jumpereinstellungen
      1. 6.2.1 Übersicht über Anschlüsse und Jumper
      2. 6.2.2 Standard-Jumperkonfiguration
    3. 6.3 Design-Evaluierung
      1. 6.3.1 Voraussetzungen
      2. 6.3.2 Hardware-Einrichtung
      3. 6.3.3 Software-Einrichtung
      4. 6.3.4 Benutzerschnittstelle
  13. 7 Prüfergebnisse
    1. 7.1 Analoge Leistungstests
      1. 7.1.1 Hochauflösender Signalweg
        1. 7.1.1.1 Bode-Diagramm des Analogpfads vom Encoder-Anschluss bis zum ADS8354-Eingang
        2. 7.1.1.2 Leistungsdiagramme (DFT) für den gesamten hochauflösenden Signalweg
        3. 7.1.1.3 Hintergrundinformationen zu AC-Leistungsdefinitionen für ADCs
      2. 7.1.2 Analoger Differential-to-single-ended-Signalweg
      3. 7.1.3 Komparator-Subsystem mit digitalen Ausgangssignalen ATTL, BTTL und RTTL
    2. 7.2 Stromversorgungstests
      1. 7.2.1 24-V-DC/DC-Eingangsversorgung
        1. 7.2.1.1 Lastleitungsregelung
        2. 7.2.1.2 Ausgangsspannungswelligkeit
        3. 7.2.1.3 Schaltknoten und Schaltfrequenz
        4. 7.2.1.4 Wirkungsgrad
        5. 7.2.1.5 Bode-Diagramm
        6. 7.2.1.6 Thermisches Diagramm
      2. 7.2.2 Ausgangsspannung der Encoder-Stromversorgung
      3. 7.2.3 5-V- und 3,3-V-Point-of-Load
    3. 7.3 Systemleistung
      1. 7.3.1 Sin/Cos-Encoder-Ausgangssignal-Emulation
        1. 7.3.1.1 Ein-Perioden-Test (inkrementelle Phase)
        2. 7.3.1.2 Ein mechanischer Umdrehungstest bei maximaler Geschwindigkeit
    4. 7.4 Sin/Cos-Encoder-Systemtests
      1. 7.4.1 Nullindex-Marker R
      2. 7.4.2 System-Funktionstests
    5. 7.5 EMV-Testergebnis
      1. 7.5.1 Testeinrichtung
      2. 7.5.2 ESD-Prüfergebnisse nach IEC 61000-4-2
      3. 7.5.3 EFT-Prüfergebnisse nach IEC 61000-4-4
      4. 7.5.4 Stoßspannungsprüfungsergebnisse nach IEC 61000-4-5
  14. 8 Designdateien
    1. 8.1 Schaltpläne
    2. 8.2 Stückliste
    3. 8.3 PCB-Layout-Richtlinien
      1. 8.3.1 Platinenschichtdiagramme
    4. 8.4 Altium-Projekt
    5. 8.5 Gerber-Dateien
    6. 8.6 Softwaredateien
  15. 9 Quellennachweise
  16. 10Autorenprofil
    1.     Danksagung
  17. 11Revisionsverlauf

1.2.1 Sin/Cos-Encoder-Ausgangssignale

Bei Encodern sind in der Regel zwei Erfassungsmethoden implementiert, basierend auf entweder optischer oder induktiver Abtastung. Bei einem optischem Drehgeber moduliert die Encoder-Scheibe einen Lichtstrahl, dessen Intensität von fotoelektrischen Zellen gemessen wird. Diese erzeugen zwei um 90 Grad phasenverschobene sinusförmige Inkrementalsignale A und B. B liegt von der Welle des Encoders aus gesehen im Uhrzeigersinn hinter A. Die Anzahl der Perioden der Signale A und B über eine mechanische Umdrehung entspricht der Zeilenanzahl N des Encoders. Eine weitere Spur trägt den Referenzmarker R, der einmal pro mechanischer Umdrehung auftritt. Der Referenzmarker ermöglicht die Messung der absoluten Winkelposition.

TIDA-00176 Vereinfachte Sinus- und Cosinus-Signale für einen Sin/Cos-Encoder über eine mechanische Umdrehung bei einer Zeilenanzahl von 16Abbildung 1-2 Vereinfachte Sinus- und Cosinus-Signale für einen Sin/Cos-Encoder über eine mechanische Umdrehung bei einer Zeilenanzahl von 16

Sin/Cos-Encoder mit einer 1-V-PP-Schnittstelle liefern die analogen Differenzialausgangssignale A (A+, A–) und B (B+, B–) mit 1VPP und typischerweise einem 2,5-V-DC-Offset. Das differenzielle Referenzmarker-Signal R (R+, R-) hat in der Regel eine etwas niedrigere Amplitude und der Peak tritt nur einmal pro Umdrehung auf. Abbildung 1-3 zeigt die differenziellen Ausgangssignale A, B und R. Beachten Sie, dass A, B und R jeweils das differenzielle Signal von A+ minus A–, B+ minus B– bzw. R+ minus R– darstellen.

TIDA-00176 Ausgangsspannungssignale A, B und Marker R von Sin/Cos-Encodern mit Zeilenanzahl N pro UmdrehungAbbildung 1-3 Ausgangsspannungssignale A, B und Marker R von Sin/Cos-Encodern mit Zeilenanzahl N pro Umdrehung

Die Frequenz des Differenzialausgangssignals des Sin/Cos-Encoders hängt von der Zeilenanzahl des Encoders sowie von der mechanischen Drehzahl ab, wie in Gleichung 1 erläutert:

Gleichung 1. TIDA-00176

N steht für die Zeilenanzahl des Sin/Cos-Encoders und V die mechanische Drehzahl der Encoder-Welle in U/min dar.

Abbildung 1-4 bietet einen Überblick über die Ausgangsfrequenz von Encodern mit Zeilenumfängen N = 100, 1000 und 2000 im Vergleich zur mechanischen Drehzahl.

TIDA-00176 Elektrische Frequenz der Sin/Cos-Encoder-Ausgangssignale A und B im Vergleich zu mechanischer Drehzahl und ZeilenanzahlAbbildung 1-4 Elektrische Frequenz der Sin/Cos-Encoder-Ausgangssignale A und B im Vergleich zu mechanischer Drehzahl und Zeilenanzahl

Ein Sin/Cos-Encoder mit einer Zeilenanzahl von N = 2000, der bei einer mechanischen Drehzahl von
12000 U/min läuft, gibt die Signale A und B mit einer Frequenz von 400 kHz aus.