多轴伺服系统的状态采集有两个突出特点:一是需要测量的通道多,各轴位置、电流、母线电压等信号要在同一控制周期内取得,通道之间的相位一致性直接影响解算结果;二是现场信号并不"干净",传感器输出幅度不一、共模电平各异,且与功率回路共处同一平台,对前端调理和配电隔离提出了很高要求。采用板级分散搭建采集链路,往往面临通道同步困难、调理参数离散、占用面积大等问题。JLH232615伺服数据采集模块基于厚膜生产工艺,将伺服控制电路与数据采集电路分别集成,为上述问题提供了模块化答案。
智腾JLH232615的数据采集部分内部集成了两片国产化AD7656以及对应的12组由运算放大器搭建的前端调理电路,在外部处理器的控制下实现模拟/数字转换。AD7656本身是多路同步采样ADC,单片提供6个采样通道,两片合计构成12路模拟采集通道;采样精度16bit,采样速率250kSPS,采样范围±10V,采用并行控制方式,等效进口型号即为AD7656。对伺服应用而言,16bit分辨率在±10V量程内提供了细密的量化台阶,250kSPS的吞吐率远高于伺服环路通常所需的数千至数十千赫兹采样率,为过采样、数字滤波和多通道轮巡留出了充足余量。
采集电路内部包含两组独立的数据采集及前端调理电路,每一组都由ADC及其配套的模拟调理电路组成,两组之间相互独立,可以根据需要进行独立配电。这一设计的工程价值体现在两方面:在电磁兼容层面,敏感的小信号通道与靠近功率级的通道可以分网供电,避免共阻抗耦合把开关噪声带入基准与运放电源;在系统冗余层面,两组链路可分别归属不同的控制解算单元,单路配电异常不波及另一组,提高采集功能的任务可靠性。
数据采集电路特性

12组运放前端调理电路是模块性能落地的关键。来自现场的信号先要经过调理才能匹配ADC的±10V输入区间,典型处理包括阻抗变换、电平搬移与比例缩放、抗混叠低通滤波以及必要的过压限幅。将这些环节与ADC同模块集成,一方面缩短了高阻抗模拟节点的走线长度,降低噪声拾取;另一方面保证了各通道调理参数的一致性,使通道间增益和相位差异处于受控范围,这对需要比较多轴信号(如电流平衡、位置同步)的伺服系统尤为重要。
在模块的控制侧,JLH232615内部集成了2只国产化TMS320F28335处理器,每只处理器均对外提供ADC采集通道、CAN总线、RS-422总线、PWM通道,并配置一只I²C接口、容量256kbit的EEPROM用于参数存储。模块同时集成一只FPGA,与各个DSP通过EMIF接口互连,数据位宽16位、地址位宽19位,片选信号CS7/CS0;FPGA对外提供121路3.3V LVTTL电平端口和48路3.3V/5V转换接口,并设置LVDS、RS-422和CAN通信接口。处理器端另有16路模拟输入可供利用,配合采集模块的12路高精度通道,可覆盖伺服系统从状态监测到闭环反馈的不同信号等级。
这种"双DSP采集解算加FPGA调度"的拓扑,使12路同步采样数据可以按并行方式高速回传:FPGA统一编排两片ADC的转换启动与读取时序,保证各通道采样时刻对齐,再经EMIF分发到对应DSP;RS-422、CAN等接口则承担与上位机和外设的通信。并行控制模式相比逐通道串行读取,显著缩短了多通道数据的获取窗口,降低了通道间的时间斜移。
工程应用中建议把握三点:第一,前端调理参数结合实际传感器输出范围配置,使常态信号落在ADC满量程的合理区间,避免长期工作在码值边缘;第二,充分利用两组链路独立配电的条件,按信号性质划分供电网络,并为每组基准和运放电源单独去耦;第三,同步采样时刻与PWM开关时刻错开安排,减少功率级开关瞬间对采集数据的噪声污染。校准数据和通道配置可存入板上EEPROM,实现模块级可替换。
JLH232615以两片国产化AD7656为核心、配合12组运放调理和独立配电架构,为多轴伺服状态采集提供了同步、高精度且国产化的SIP方案,有助于系统设计师在保证测量质量的同时压缩板级面积与器件数量。
青岛智腾微电子有限公司成立于2002年,是国家级专精特新重点"小巨人"企业,20余年型号任务配套经验沉淀于厚膜集成与SIP设计,已通过高可靠质量管理体系认证。