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

2 Designmerkmale

Wie in Sektion 1 erläutert, realisiert dieses TI-Design einen industriellen Temperaturbereich, eine EMV-konforme Schnittstelle zu Sin/Cos-Inkrementalpositions-Encodern mit differenziellen analogen 1-V-PP-Ausgangssignalen A, B und Index-Marker R mit Eingangsfrequenzen bis zu 500 kHz und einer 5-V-Versorgungsspannung. Die wichtigsten Bausteine dieses TI-Designs sind die analoge Zweiweg-Signalkette, der Hochgeschwindigkeits-Komparatorblock, der Power-Management-Block und die Schnittstellen zum Sin/Cos-Encoder sowie die Schnittstelle zu einem Host-Mikrocontroller zur digitalen Signalverarbeitung und hochauflösenden Positionsberechnung.

Um die einfache Evaluierung dieses TI-Designs zu ermöglichen, wird eine Beispiel-Firmware für das InstaSPIN-MOTION-LaunchPad TMS320F28069M bereitgestellt. TMS320F28069M berechnet die hochauflösende Winkelposition für beide Signalwege unter Verwendung des externen 16-Bit-ADC über SPI und des Analogkanals mit dem internen dualen S/H-12-Bit-ADC und gibt die Winkelpositionsdaten mit bis zu 28 Bit Auflösung über einen virtuellen USB-COM-Port aus.

TIDA-00176-Funktionsüberblick

  • Großer Eingangsspannungsbereich: 24 V (17 bis 36 V) mit Verpolungsschutz liefern die notwendigen Spannungen für die analoge Signalkette sowie die 5,25 V für den Sin/Cos-Encoder.
  • Encoderschnittstelle: Sub-D15- oder 8-polige Stiftleisten-Schnittstelle zu 5-V-Sin/Cos-Encodern mit differenziellen Ausgangssignalen A, B und Marker R von 0,3 V bis 1,2 VPP bei 2,5 V ± 1 V Offset, Eingangsbandbreite bis zu 500kHz.
  • Analoge Zwei-Wege-Signalverarbeitung: Zwei-Wege-Option mit einem integrierten hochauflösenden dualen Hochgeschwindigkeits-16-Bit-ADC mit simultaner Abtastung und SPI sowie zwei Analogausgängen mit 1,65-V-Vorspannung zur Schnittstelle mit einem externen dualen S/H-ADC. Hochgeschwindigkeits-Komparatoren mit geringer Ausbreitungsverzögerung und einer einstellbaren 160-mV-Hysterese für bessere Störfestigkeit zur Umwandlung der analogen Signale A, B und
    R in 3,3-V-TTL-Signale, die oft als ABZ-Signale bezeichnet werden.
  • Hochauflösende interpolierte Winkelposition, bis zu 28 Bit Auflösung, Kabellänge getestet bis zu 70 m
  • EMV-Störfestigkeit: Das Design wurde nach IEC 61000-4-2, 4-4, und 4-5 (ESD, EFT und Stoßspannungen) getestet, wie in der Norm IEC 61800-3 für EMV-Störfestigkeitsanforderungen und spezifischen Prüfverfahren für drehzahlregulierbare elektrische Antriebssysteme festgelegt.
  • Schnittstelle zum Hostprozessor mit digitalen 3,3-V-Schnittstellensignalen zum MCU-QEP und -SPI und optionalen unsymmetrischen analogen 0- bis 3,3-V-Ausgängen für einen MCU-integrierten dualen S/H-ADC.
  • Evaluierungs-Firmware: Beispiel-Firmware für Piccolo-F28069M-MCU mit hochauflösender dualer Winkelpositionsberechnung bei 16 kHz. Die Benutzerschnittstelle läuft über einen virtuellen USB-COM-Anschluss zur einfachen Leistungsbewertung.