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(shí)間和低代碼到代碼的毛刺能量。該設(shè)計(jì)解決方案簡(jiǎn)要討論了與實(shí)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(cuò)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(shí)間和毛刺能量。

介紹

與電動(dòng)機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)相反，線性執(zhí)行器產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)床和工業(yè)機(jī)械在計(jì)算機(jī)打印機(jī)、閥門和阻尼器以及需要直線運(yùn)動(dòng)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(shí)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(jì)對(duì)設(shè)計(jì)人員來說具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榫軋?zhí)行器需要高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）來啟動(dòng)線性運(yùn)動(dòng)。線性致動(dòng)器通常是機(jī)械的，對(duì)于應(yīng)用來說太慢，而離散致動(dòng)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(jī)床。工業(yè)機(jī)械必須具有精確、低毛刺和快速的DAC，為計(jì)算機(jī)打印機(jī)、閥門和阻尼器以及某些需要線性運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用創(chuàng)建高精度控制系統(tǒng)。

該設(shè)計(jì)解決方案簡(jiǎn)要討論了與實(shí)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(cuò)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(shí)間和毛刺能量。

線性運(yùn)動(dòng)控制

精密運(yùn)動(dòng)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(dòng)的線性執(zhí)行器電路的框圖。

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

在圖2中，高速DAC通過驅(qū)動(dòng)放大器驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(huì)改變或增加（或減少）模擬輸出。

對(duì)于線性促動(dòng)器，非單調(diào)DAC會(huì)導(dǎo)致促動(dòng)器因預(yù)期的延長(zhǎng)事件而縮短。使用反饋回路時(shí)，該誤差會(huì)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(cè)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(shí)際步寬與一個(gè)LSB的理想模擬值之間的差值。對(duì)于DNL等于0 LSB的理想DAC，每個(gè)數(shù)字步進(jìn)等于1 LSB。1 LSB 等于 V司 司長(zhǎng)/2N，其中 V司 司長(zhǎng)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(shí)際DAC步長(zhǎng)小于1 LSB，則DNL為負(fù)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(shí)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(duì)于此圖，即使DNL誤差為-1/2 LSB，模擬輸出也會(huì)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(shí)間和轉(zhuǎn)換速度

輸出建立時(shí)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(zhǎng)時(shí)間。在該電路中，DAC建立時(shí)間定義了執(zhí)行器的速度。

建立時(shí)間測(cè)量從LDAC的下降沿開始（圖4）。

圖4.16位DAC的典型建立時(shí)間為750ns。

圖4顯示了實(shí)際DAC的建立時(shí)間示例。值得注意的是，模擬輸出信號(hào)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(shí)間發(fā)生在信號(hào)穩(wěn)定在理想最終模擬電壓附近的±1 LSB頻帶內(nèi)時(shí)。將建立時(shí)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(gè)值單調(diào)移動(dòng)到下一個(gè)值。實(shí)際電路可能有輕微的下沖或過沖。這種動(dòng)態(tài)規(guī)格的DAC特性會(huì)暫時(shí)輸出錯(cuò)誤電壓，從而破壞閉環(huán)線性執(zhí)行器系統(tǒng)的運(yùn)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(dāng)數(shù)字主載波與DAC的其余代碼相反而變化時(shí)，就會(huì)發(fā)生DAC毛刺能量。（B） 串式DAC產(chǎn)生單個(gè)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(shí)產(chǎn)生過沖和下沖（當(dāng)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(huì)在DAC的輸出端產(chǎn)生過沖和/或下沖信號(hào)。

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(gè)區(qū)域的代碼轉(zhuǎn)換誤差。在這種情況下，從負(fù)毛刺脈沖 （G1） 中減去正毛刺脈沖 （G2）。

由于毛刺脈沖非常快，因此捕獲毛刺所含區(qū)域的測(cè)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(huì)對(duì)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(shí)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(yùn)算放大器配合使用時(shí)允許雙極性工作。 在單極性模式下，DAC在上電時(shí)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(duì)精確的線性執(zhí)行器控制的需求不一定是事后的想法。簡(jiǎn)單的解決方案通常是機(jī)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(shì)并應(yīng)用集成解決方案。精密、低毛刺、高速DAC提供了一種簡(jiǎn)單、有效的反饋解決方案，讓線性執(zhí)行器控制設(shè)計(jì)人員高枕無憂。

審核編輯：郭婷