介绍

磁性编码器用于感知机械运动，并产生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步采样、平衡差分输入和每个通道单独数据输出的ADC。MAX11192 / MAX11195 / MAX11198是专门为这种电机监测和控制应用而设计的。这些adc具有同类最佳的采样率和分辨率，封装尺寸为2mm × 3mm。集成电压基准和基准缓冲器帮助设计人员最大限度地减少电路板空间，元件数量和系统成本。为了充分发挥该器件的优势和最佳性能，为不同类型的应用选择适当的输入驱动放大器至关重要。本应用说明概述了如何使用典型的电机系统来测量速度和位置，并讨论了adc所需的性能以及适合的驱动放大器，以实现最佳的电机监控和控制。

概述

图1显示了电机监控系统的典型框图。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。基于这些数据，电机驱动控制器生成所需的命令来调节电机。磁编码器中的霍尔传感器根据电机旋转轴产生的磁场变化来感知位置信息。霍尔传感器输出的信号随后由adc转换为速度和位置信息。这些反馈数据使电机驱动控制器能够对这些信息进行处理，并提供命令来准确地控制系统。

图2显示了带有内置磁性编码器的SEW MOVITRAC 。欲了解更多信息，请参阅SEW EURODRIVE。

速度和位置测量

图3显示了一个典型的磁性编码器框图。磁性编码器是电机的一个集成部分，包含一个霍尔传感器来感知速度和旋转位置，并根据该运动产生信号。霍尔传感器只能检测一个方向的磁场强度。因此，为了捕捉旋转电机的位置变化，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铁的角度位置，并提供正交的两个输出电压值。这两个正交输出(正弦和余弦)被馈送到驱动放大器的输入，然后是adc，为微控制器生成相应的数字信号。这两个得到的X(余弦)和Y(正弦)信号然后使用三角函数转换为角度，如下所示。

晒黑?X = Y /
还是?=反正切(Y / X)

这种磁性编码器需要快速和精确的adc，如MAX11192/MAX11195/MAX11198系列，采样率为2Msps，以便能够捕捉电机的快速运动。此外，adc需要适当的驱动放大器，如MAX44242, MAX44263或MAX4432，以产生准确的数据。

使用MAX11192/MAX11195/MAX11198测量高精度编码器的速度和位置

电机中的磁性编码器暴露在非常嘈杂的环境中。此外，它们还需要准确地捕捉高速和快速变化的电机旋转位置。因此，需要能够以每秒百万样本(Msps)的高速率对数据进行采样的adc。为了获得最佳性能，这些adc需要以下特性:

1. 精密测量:为了精确测量电机在kHz范围内的高速和位置，需要具有至少12位分辨率或更高的ADC，采样率至少为最大信号频率的10倍，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。

2. 差分测量:为了最大限度地减少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。

3. 双路和同步采样:为了准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专为提供这三个基本功能而设计，使其成为电机监测和控制应用中磁性编码器的理想设备。

输入

MAX11192/MAX11195/MAX11198的输入AIN+和AIN-设计用于平衡差分信号。输入信号可以从0V到V(REF)。因此，差分输入区间[V(DIFF) = (AIN+) - (AIN-)]的取值范围为- V(REF) ~ +V(REF)，满量程范围为FSR = 2 × VREF。图4显示了MAX11192/MAX11195/MAX11198输入信号的电压范围。

差分输入必须相对于共模信号V(REF)/2居中，公差为±100mV。参考电压范围为250mV至2.5V，低于参考电源AVDD。这个参考电压范围保证了内部参考缓冲器有足够的净空空间。对于输入信号以外的这需要单极差分配置，电平移位和相位转换可以实现，以达到指定的输入电压范围。有关更多信息，请参阅驱动放大器的不同配置部分。

驱动放大器

ADC驱动放大器在目标带宽内的噪声密度应足够低，为6nV/vHz或更低，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，驱动放大器必须具有与MAX11192/MAX11195/MAX11198相同或更好的总谐波失真(THD)性能。这可以防止信号路径中的驱动放大器失真限制整个系统的动态性能。表1列出了一些可能用于MAX11192/MAX11195/MAX11198 ADC的ADC驱动放大器。

MAX11198 ADC动态性能与各种驱动放大器

利用各种驱动放大器对MAX11198的动态性能进行了评估。除非另有说明，否则条件为AVDD = 5V, OVDD = 3.3V, V(REF) = 2.5V。

表2显示了有效比特数(ENOB)的结果。

表3总结了不同驱动放大器的信噪比结果。

表4显示了不同驱动放大器的THD性能。

图5总结了带有不同驱动放大器的MAX11198 ENOB在10kHz的情况。

图6显示了MAX11198评估套件(EV套件)软件图形用户界面(GUI)在1kHz/100ksps下捕获的MAX4432驱动放大器与MAX11198的动态性能。

MAX4432的动态性能最好，因为它具有2.8nV/vHz的最低噪声密度和180MHz的最宽带宽。

图7显示了MAX11198 ADC在输入端捕获的1kHz正弦和余弦波形。

结论

MAX11192/MAX11195/MAX11198采用双差分和同步adc，具有2Msps的高采样率和精确的内部参考电压，针对电机监测和控制应用中的精密磁编码器进行了优化。差分输入减少了电机的噪声，这些adc的集成电压基准降低了成本和电路板尺寸。2Msps的高采样率是电机要求的高速应用的完美特性。从实验室的实验数据来看，由于MAX4432具有低电压噪声密度和宽频率带宽，因此是MAX11198的最佳驱动放大器。MAX44242是具有14位分辨率ADC的MAX11195的绝佳选择，而MAX44263是与12位MAX11192 ADC配对的合适选择。