工業(yè)執(zhí)行器的有效控制需要精確、可重復(fù)的控制。線性執(zhí)行器控制具有高精度控制環(huán)路，具有高分辨率、單調(diào)性、低建立時間和低代碼到代碼的毛刺能量。該設(shè)計解決方案簡要討論了與實現(xiàn)精確線性執(zhí)行器控制相關(guān)的問題，并說明了為什么線性執(zhí)行器是許多應(yīng)用的不錯選擇。然后，它揭示了如何利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的超低建立時間和毛刺能量。

介紹

與電動機的圓周運動相反，線性執(zhí)行器產(chǎn)生直線運動。機床和工業(yè)機械在計算機打印機、閥門和阻尼器以及需要直線運動的地方使用線性執(zhí)行器。

工業(yè)執(zhí)行器的有效控制需要精確、可重復(fù)的控制。有效的線性執(zhí)行器控制具有具有高分辨率、單調(diào)性、低建立時間和低代碼到代碼毛刺能量的精密控制環(huán)路。

這種設(shè)計對設(shè)計人員來說具有挑戰(zhàn)性，因為精密執(zhí)行器需要高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）來啟動線性運動。線性致動器通常是機械的，對于應(yīng)用來說太慢，而離散致動器不夠精確。

在許多應(yīng)用中，高精度線性執(zhí)行器控制的解決方案在于機床。工業(yè)機械必須具有精確、低毛刺和快速的DAC，為計算機打印機、閥門和阻尼器以及某些需要線性運動的應(yīng)用創(chuàng)建高精度控制系統(tǒng)。

該設(shè)計解決方案簡要討論了與實現(xiàn)精確線性執(zhí)行器控制相關(guān)的問題，并說明了為什么線性執(zhí)行器是許多應(yīng)用的不錯選擇。然后介紹精密DAC，并揭示如何利用其單調(diào)性、超低建立時間和毛刺能量。

線性運動控制

精密運動控制應(yīng)用利用高精度控制回路，如線性執(zhí)行器控制。圖2顯示了DAC驅(qū)動的線性執(zhí)行器電路的框圖。

圖2.精密DAC驅(qū)動的線性執(zhí)行器在執(zhí)行器動作期間提供精確的位置。

在圖2中，高速DAC通過驅(qū)動放大器驅(qū)動線性執(zhí)行器。精密 16 位 DAC 發(fā)送模擬輸出電壓，該電壓可隨滿量程執(zhí)行器變化或運動中的微小增加或減少而變化。

DAC單調(diào)性

DAC單調(diào)性意味著數(shù)字代碼輸入的增加（或減少）將始終不會改變或增加（或減少）模擬輸出。

對于線性促動器，非單調(diào)DAC會導(dǎo)致促動器因預(yù)期的延長事件而縮短。使用反饋回路時，該誤差會導(dǎo)致發(fā)生振蕩，執(zhí)行器中的電氣元件將嘗試糾正該誤差。

如果DAC數(shù)據(jù)手冊中沒有單調(diào)性規(guī)格，則差分非線性（DNL）規(guī)格意味著DAC的單調(diào)性能力。

DNL誤差是模擬實際步寬與一個LSB的理想模擬值之間的差值。對于DNL等于0 LSB的理想DAC，每個數(shù)字步進等于1 LSB。1 LSB 等于 V司 司長/2N，其中 V司 司長是DAC的滿量程范圍，N是DAC的分辨率。如果從代碼到代碼的實際DAC步長小于1 LSB，則DNL為負數(shù)。

小于-1 LSB的DNL誤差表示轉(zhuǎn)換值與預(yù)期轉(zhuǎn)換直接相反，從而產(chǎn)生缺失代碼或模擬值隨著數(shù)字輸入代碼的增加而減少的實例。換句話說，小于-1 LSB的DNL誤差意味著DAC是非單調(diào)的。

在圖3中，DAC的DNL圖在X軸上顯示數(shù)字輸入代碼，在Y軸上顯示模擬輸出（電壓或電流）。

圖3.在此圖中，DAC DNL確定轉(zhuǎn)換器的單調(diào)性，使該DAC成為單調(diào)器件。

DNL 小于 -1 LSB 表示非單調(diào) DAC。對于此圖，即使DNL誤差為-1/2 LSB，模擬輸出也會隨著數(shù)字代碼的增加而增加。在圖3中，DAC是單調(diào)的。

DAC建立時間和轉(zhuǎn)換速度

輸出建立時間是DAC輸出從零輸出到滿量程建立到指定電平所需的最長時間。在該電路中，DAC建立時間定義了執(zhí)行器的速度。

建立時間測量從LDAC的下降沿開始（圖4）。

圖4.16位DAC的典型建立時間為750ns。

圖4顯示了實際DAC的建立時間示例。值得注意的是，模擬輸出信號從零到滿量程的特性表現(xiàn)出一階低通濾波器。750ns（典型值）DAC建立時間發(fā)生在信號穩(wěn)定在理想最終模擬電壓附近的±1 LSB頻帶內(nèi)時。將建立時間乘以 2 確定 DAC 的帶寬，等于 667kHz。

數(shù)字轉(zhuǎn)換器毛刺能量

理想情況下，DAC輸出從一個值單調(diào)移動到下一個值。實際電路可能有輕微的下沖或過沖。這種動態(tài)規(guī)格的DAC特性會暫時輸出錯誤電壓，從而破壞閉環(huán)線性執(zhí)行器系統(tǒng)的運行。代碼到代碼轉(zhuǎn)換發(fā)生的過沖或欠沖量化了毛刺脈沖規(guī)格（圖 5）。

圖5.（A） 當數(shù)字主載波與DAC的其余代碼相反而變化時，就會發(fā)生DAC毛刺能量。（B） 串式DAC產(chǎn)生單個波瓣的毛刺能量。（C） R-2R DAC產(chǎn)生雙瓣。

圖5顯示了DAC容性耦合電荷注入誤差如何在主代碼轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生過沖和下沖（當DAC代碼從1000...到 0111...內(nèi)部DAC開關(guān)同步并不總是完美的，這會在DAC的輸出端產(chǎn)生過沖和/或下沖信號。

串式DAC產(chǎn)生的毛刺脈沖產(chǎn)生單瓣毛刺脈沖（B） R-2R DAC（C）產(chǎn)生兩個區(qū)域的代碼轉(zhuǎn)換誤差。在這種情況下，從負毛刺脈沖 （G1） 中減去正毛刺脈沖 （G2）。

由于毛刺脈沖非?？?，因此捕獲毛刺所含區(qū)域的測量單位為納伏秒（nV-s）（圖6）。

圖6.該R-2R DAC主承載（7FFF至8000）輸出毛刺為0.05nV-s。

在圖6中，20位DAC的0.05nV-s低毛刺會對線性執(zhí)行器的工作產(chǎn)生很小的干擾。

DAC的執(zhí)行器精度

MAX5717/MAX5719是16位、精密、高速DAC，具有單調(diào)性、750ns建立時間和0.05nV-s超低毛刺能量，可預(yù)先確定線性執(zhí)行器的精密性能（圖7）。

圖7.具有3線SPI、QSPI?、微線和DSP兼容串行接口的16位/20位DAC框圖。

MAX5717/MAX5719為串行輸入、無緩沖、16位和20位電壓輸出單極性DAC，集成反饋電阻，與外部運算放大器配合使用時允許雙極性工作。 在單極性模式下，DAC在上電時復(fù)位至零。這些DAC提供低噪聲、緊密的雙極性電阻匹配和高精度。集成的精密設(shè)置電阻使DAC易于使用。

結(jié)論

對精確的線性執(zhí)行器控制的需求不一定是事后的想法。簡單的解決方案通常是機械的，而且速度太慢，而離散的執(zhí)行器缺乏精度。在規(guī)劃過程中，重要的是要考慮各種規(guī)格優(yōu)勢并應(yīng)用集成解決方案。精密、低毛刺、高速DAC提供了一種簡單、有效的反饋解決方案，讓線性執(zhí)行器控制設(shè)計人員高枕無憂。

審核編輯：郭婷