MAX11192/MAX11195/MAX11198 ADC在电机监测和控制中的应用

磁编码器用于感测机械运动并生成与该运动相对应的数字信号，以测量典型电机系统的速度和位置。为了完成这两项任务，需要一个具有两个同时采样、平衡差分输入和每个通道单独数据输出的ADC。MAX11192/MAX11195/MAX11198专为电机监测和控制应用而设计。这些ADC采用微型2mm×3mm封装，具有一流的采样速率和分辨率。集成的基准电压源和基准电压缓冲器可帮助设计人员最大限度地减小电路板空间、元件数量和系统成本。为了充分体现该器件的优势和最佳性能，必须为不同类型的应用正确选择输入驱动放大器。本应用笔记概述了如何使用典型电机系统测量速度和位置，并讨论了ADC所需的性能以及用于优化电机监测和控制的合适驱动放大器。

概述

图1显示了电机监测和控制系统的典型框图。电机驱动控制器根据磁编码器中ADC提供的数据监控电机的状态。根据这些数据，电机驱动控制器生成调节电机所需的命令。磁编码器中的霍尔传感器用于根据电机旋转轴产生的磁场变化来感测位置信息。然后，来自霍尔传感器输出的模拟信号由ADC转换为速度和位置信息。该反馈数据使电机驱动控制器能够处理信息并提供命令以准确控制系统。

图1.电机监测和控制典型框图。

图2显示了带有内置磁编码器的SEW MOVITRAC。

速度和位置测量

图3所示为典型的磁编码器框图。磁性编码器是电机的集成部件，它包含一个霍尔传感器来感测速度和旋转位置，并生成模拟信号以响应该运动。霍尔传感器只能检测一个方向的磁场强度。因此，为了捕获旋转电机中的位置变化，需要两个霍尔传感器来检测 X 轴和 Y 轴。这两个霍尔传感器检测位于编码器上的磁体的角度位置，并提供两个正交的模拟输出电压值。这两个正交模拟输出（正弦和余弦）被馈送到驱动放大器的输入端，然后是ADC，为微控制器生成相应的数字信号。然后使用三角函数将这两个获得的X（余弦）和Y（正弦）信号转换为角度，如下所示。

tan? = Y/X
Or ? = arctan(Y/X)

这种磁性编码器需要快速、精确的ADC，如MAX11192/MAX11195/MAX11198系列2Msps采样速率，以便能够捕捉电机的快速运动。此外，ADC需要合适的驱动放大器，如MAX44242、MAX44263或MAX4432，以产生精确的数据。

图3.典型磁编码器框图。

使用MAX11192/MAX11195/MAX11198进行精密编码器速度和位置测量

电机中的磁编码器暴露在非常嘈杂的环境中。此外，它们还需要准确捕获电机的高速和快速变化的旋转位置。因此，需要能够以每秒兆采样数（Msps）量级的高速率对数据进行采样的ADC。这些ADC需要以下特性才能获得最佳性能：

精密测量：为了精确测量电机在kHz范围和位置的高速，需要至少12位分辨率或更高，采样速率至少为最大信号频率10倍的ADC，例如MAX11192/MAX11195/MAX11198 12位/14位/16位、2Msps ADC。此外，为了提供最佳的输入信号调理，MAX44263或MAX44242/MAX4432等高速低噪声放大器分别用于驱动MAX11192 12位ADC和MAX11195/8 14位/16位ADC。

差分测量：为了最大限度地降低噪声电机环境中的共模噪声，需要具有平衡和差分输入信号的ADC。

双通道和同步采样：为了精确测量编码器的位置，需要具有双通道输出和同步采样的ADC来捕获来自霍尔传感器的正弦和余弦信号。

MAX11192/MAX11195/MAX11198 SAR ADC专门设计用于提供这三个基本特性，使其成为电机监测和控制应用中磁编码器的理想器件。

模拟输入

MAX11192/MAX11195/MAX11198的模拟输入AIN+和AIN-设计用于平衡差分信号。输入信号的范围为 0V 至 VREF。因此，差分输入间隔 [VDIFF = （AIN+） - （AIN-）] 的范围从 –VREF 到 +VREF，满量程范围为 FSR = 2 × VREF。图4给出了MAX11192/MAX11195/MAX11198模拟输入信号电压范围。

图4.MAX11192/MAX11195/MAX11198模拟输入信号电压范围为V裁判+ 250mV = VAVDD= 5.25V。

差分模拟输入必须相对于共模信号V居中裁判/2，容差为±100mV。基准电压范围为比基准电源 AVDD 低 250mV 至 2.5V。该基准电压范围保证了内部基准缓冲器有足够的裕量。对于不需要单极性差分配置的输入信号，可以实现电平转换和相位转换，以实现指定的输入电压范围。有关详细信息，请参阅驱动放大器的不同配置部分。

驱动放大器

ADC驱动放大器的目标带宽应具有足够低的6nV/vHz或更低的噪声密度，因为驱动放大器噪声会显著影响信噪比（SNR）。

此外，为了充分利用ADC出色的动态性能，驱动放大器的总谐波失真（THD）性能必须与MAX11192/MAX11195/MAX11198相同或更好。这可以防止信号路径中的驱动器放大器失真限制整体系统动态性能。表1列出了MAX11192/MAX11195/MAX11198 ADC的一些潜在ADC驱动放大器。

 

放大器	输入噪声密度 （nV/vHz）	总谐波失真 （分贝）	信号带宽（兆赫）	VDC （V）
MAX4432	2.8	不适用	180	±5V
MAX44242	5	-124	10	2.7V 至 20V
MAX44263	12.7	-110	15	1.8V 至 5.5V

 

MAX11198 ADC动态性能，具有各种驱动放大器

MAX11198的动态性能由各种驱动放大器评估。条件为 AVDD = 5V、OVDD = 3.3V 和 V裁判= 2.5V，除非另有说明。

表 2 显示了有效位数 （ENOB） 的结果。

 

f在（千赫）	采样率（千秒）	伊诺布
		MAX11198和MAX44242	MAX11198和MAX44263	MAX11198和MAX4432 （VREF= 2.5V）	MAX11198和MAX443 （VREF= 4.096V）
1	100	14.2	14	14.5	15
10	50	14.2	14	14.5	15
10	100	14.2	14	14.5	15
10	500	14.2	14	14.5	15
10	1000	14	13.8	14.5	15
10	2000	13.1	13.7	14.4	14.9
100	1000	12.2	11.3	14.1	14.8
100	2000	12.5	11.5	14.1	14.8

 

表3总结了不同驱动放大器的SNR结果。

 

f在（千赫）	采样率（千秒）	信 噪 比
		MAX11198和MAX44242	MAX11198和MAX44263	MAX11198和MAX4432 （VREF= 2.5V）	MAX11198和MAX443 （VREF= 4.096V）
1	100	87.5	86.1	89.2	92.4
10	50	87.5	86	89.1	92.3
10	100	87.4	86.1	89.1	92.3
10	500	87.3	86	89.2	92.4
10	1000	86.2	85.1	89.1	92.3
10	2000	81	84.6	88.7	91.9
100	1000	83.5	79.6	87.2	91
100	2000	80.4	78.3	84.3	91

 

表4显示了不同驱动放大器时的THD性能。

 

f在（千赫）	采样率（千秒）	谐波失真
		MAX11198和MAX44242	MAX11198和MAX44263	MAX11198和MAX4432 (VREF= 2.5V）	MAX11198和MAX443 （VREF= 4.096V）
1	100	107.1	109.1	111.2	112.2
10	50	104.7	111	111.6	112.6
10	106.9	116.2	108.9	110.9	112.4
10	500	107.6	108.1	111.8	114.4
10	1000	106.6	102.7	110.1	114.1
10	2000	94.2	99	108.8	107.2
100	1000	75.7	70.2	97.6	102.5
100	2000	79.5	71.8	95.7	104.8

 

图5总结了MAX11198 ENOB在10kHz下采用不同的驱动放大器。

图5.MAX11198 ENOB与不同驱动放大器的采样速率的关系

图6所示为MAX11198的动态性能，MAX4432驱动放大器由MAX11198评估板（EV kit）软件图形用户界面（GUI）捕获，频率为1kHz/100ksps。

MAX4432具有最低的2.8nV/vHz噪声密度和180MHz的宽带宽，具有最佳的动态性能。

图6.MAX11198采用MAX4432驱动放大器，动态性能在在= 1kHz，采样率 = 100ksps，V裁判= 4.096V。

图7所示为MAX1 ADC捕获的模拟输入端的11198kHz正弦和余弦波形。

图7.MAX1评估板捕获的11198kHz正弦和余弦波形

结论

MAX2/MAX11192/MAX11195 ADC采用双路差分和同步ADC，具有11198Msps的高采样速率和精确的内部基准电压，针对电机监测和控制应用中的精密磁编码器进行了优化。差分输入可降低电机噪声，这些ADC的集成基准电压源可降低成本和电路板尺寸。2Msps的高采样率是电机要求的高速应用的完美功能。根据实验室的实验数据，MAX4432具有低电压噪声密度和宽频率带宽，是MAX11198的最佳驱动放大器。MAX44242是具有11195位分辨率ADC的MAX14的绝佳选择，MAX44263是与12位MAX11192 ADC配对的理想选择。

审核编辑：郭婷