Shema izolacije upravljanja motorom pomoću tehnologije iCoupler
Robotske aplikacije zahtevaju preciznu kontrolu motora koji pokreću mnoge zglobove mašina. Upravljački sistem treba znati pozicije pozicioniranja raznih robota i aktuatora kako bi se osigurao siguran i pouzdan rad. Da biste bili efikasni, morate znati više o kretanju rotora u kućištu motora.
Bez informacija o kutu rotora (lako klizanje pod velikim opterećenjima), kontroler elektronike može pružiti previše struje, koja se jednostavno gubi toplinom. Da bi se osetio položaj i stanje rotora, važna varijabla algoritma upravljanja je trenutni nivo namotaja motora. Konceptualno, ovo je jeftina varijabla koju je lako nadgledati jer uključuje samo povezivanje motora s upravljačkim krugovom. Međutim, postoje mnogi faktori koje treba razmotriti kako bi se osiguralo da je signal što je moguće točniji. Greške mogu dovesti do netačnog otkrivanja lokacija i povećane nepotrebne potrošnje energije.
Najčešće korišteni strujni senzori u kontroli motora su šant otpornici, Hall efekti i strujni transformatori. Posljednja dva uređaja pružaju izolaciju, koja je, iako povećava ukupne troškove, važna kada se radi o visokoj snazi. Sklopovi otpornika su obično ograničeni na mjerne struje od 50A ili manje, ali imaju prednost što imaju najveću linearnost odziva u senzorskim uređajima i niže troškove. Ovi uređaji su takođe pogodni za AC i DC merenja.
Tačni i osetljivi rezultati mogu se postići spajanjem šant otpornika na delta-sigma modulator. Tehnike trouglastog integralnog uzorkovanja i filtriranja pomažu u suzbijanju prolaznih efekata buke i podržavaju znatno iznad 12-bitne rezolucije. Texas Instruments 'ADS1203 je delta-sigma modulator dizajniran za instrumentacijske aplikacije uključujući kontrolu motora. Ovaj uređaj je jednokanalni, delta-sigma modulator drugog reda dizajniran za analogno-digitalnu konverziju visoke rezolucije od DC do 39kHz. Izlaz ovog pretvarača je serija brojeva 1 i 0 čiji je vremenski prosjek proporcionalan analognom ulaznom naponu. Ključna prednost korištenja filtriranog delta-sigma modulatorskog signala je da se izvor kvantizacijskog šuma i izvor prolazne buke mogu pretvoriti u visoke frekvencije, što olakšava filtriranje kroz nisko-propusni filter.
Koristeći modulator umjesto kompletnog analogno-digitalnog pretvarača, dizajneri mogu prilagoditi performanse digitalnog filtriranja kako bi najbolje zadovoljili zahtjeve kontrole motora. Ovo uključuje striktnu sinhronizaciju sa događajima tranzistorskog preklapanja u H-mostu koji napaja sam motor. Sam filter može se implementirati pomoću digitalnog procesora signala (DSP), mikrokontrolera ili polja programabilnih polja (FPGA), u zavisnosti od ciljeva troškova i performansi. Korišćenjem prilagođenog filtera, bolje je odabrati između prolaznog odgovora i konačne rezolucije uzorkovanja. Veća brzina uzorkovanja rezultira većom preciznošću, ali rezultira nižom stopom ažuriranja - smanjenje prekomjernog uzorkovanja smanjuje rezoluciju, ali pruža veću brzinu osvježavanja.
U smislu obrade podataka, postoji poređenje sa tradicionalnim analogno-digitalnim konvertorom (SAR). Korišćenjem SAR konvertera, uzorkovanje se može izvesti uz pomoć kola za uzorkovanje i zadržavanje, što omogućava dizajneru sistema da čvrsto kontroliše vrijeme trenutka uzorkovanja. S druge strane, trokutna integralna konverzija koristi proces kontinuiranog uzorkovanja, tako da uzorkovana vrijednost nema definirano vrijeme okidanja. Obrnuto, uzorkovana vrijednost u ovom trenutku je ponderirani prosjek niza 1-bitnih uzoraka vrijednosti koje mogu obuhvatiti vrijednost ove točke u vremenu predstavljenu ovom uzorkovanom vrijednošću.
Filtriranje bitnog toka od 1 bita i njegovo izvlačenje u višestruku bit-stream vrijednost uzorka može se obaviti u dvije različite faze. Vrlo čest pristup je korištenje SINC filtra koji obavlja oba zadatka u jednoj fazi. Treći red, koji se obično naziva sinc3, trenutno je najčešći izbor za ove aplikacije.
Filter je u velikoj mjeri ponderirana suma prozora vrijednosti uzorka koji daje veću težinu uzorkovanim vrijednostima u središtu sekvence, dok daje manju težinu uzorkovanim vrijednostima na početku i na kraju sekvence. Imajući u vidu uticaj komutacione komponente energetskog tranzistora u struji merenja, ovaj efekat se mora uzeti u obzir, inače će algoritam povratne sprege biti pod uticajem preklapanja i slično.
Impulsni odziv sinc3 filtera je simetričan sa doprinosom vrijednosti uzorka prije vrijednosti uzorka u centru, a vrijednost uzorka u centru jednaka je vrijednosti uzorka nakon nje. Komutacijska komponenta struje također je simetrična duž prosječne strujne točke: tako da je zbroj komutacijskih komponenti nula. Ako je središte prozora za uzorkovanje usklađeno sa PWM sinhronizacionim impulsom koji se koristi za pogon H-mosta, dozvoljeno je da se fazna struja izmjeri bez preklapanja, ali treba paziti da se osigura da su vrijednosti uzorka ispravno poravnate pri čitanju podataka iz filtera. Filtriranje nameće kašnjenje, tako da će izlazna vrednost filtera biti uzorkovana iz više prethodnih vremenskih perioda kada se koristi PWM sinhronizacioni impuls. Ovo ima značajan uticaj na planiranje softverskih programa u odnosu na trenutna mjerenja koja se temelje na SAR-u.
U slučaju SAR-a, PWM sinhronizacioni impuls može pokrenuti analogno-digitalni pretvarač za obavljanje niza pretvorbi. Kada se podaci pripreme za kontrolnu petlju, sistem generira prekid i počinje izvršavanje kontrolne petlje. Ove vrijednosti uzorka se kontinuirano generiraju korištenjem delta-sigma modulatora i filtra, ali važne vrijednosti uzoraka za mjerenje fazne struje su spremne nakon fiksnog kašnjenja. Tajmeri ili brojači bi trebali biti korišteni za generiranje prekida kada je PWM signal sinkronizacije prisutan. Kašnjenje u brojanju uzoraka je zapravo polovina sinc3 impulsnog odgovora.
U tipičnom kontrolnom sistemu, efekt zadržavanja nultog reda PWM tajmera je mnogo više od polovine impulsnog odziva, tako da SINC filter ne utiče značajno na tajming petlje. Koristeći delta-sigma modulator i prilagođeni filter, korisnik može slobodno prebaciti kašnjenje SINC filtra da bi dobio rezoluciju vrijednosti uzorka. Ova fleksibilnost je velika prednost kod dizajniranja algoritama upravljanja motorom. Obično su neki dijelovi algoritma osjetljivi na kašnjenje, ali manje osjetljivi na točnost povratne informacije. Ostatak algoritma se koristi u kombinaciji sa nižom dinamikom i koristi od preciznosti, ali je manje osjetljiv na kašnjenja.
Razmotrimo algoritam proporcionalnog integralnog kontrolera (PI). P dio i komponenta I mogu koristiti isti povratni signal. Međutim, putanja P i putanja I mogu se razdvojiti, a povratni signal se može kombinovati sa različitim tipovima funkcija filtriranja. U PI kontroleru, P komponenta se uglavnom koristi za suzbijanje efekta opterećenja i brzine brzih promena. Stoga, on mora biti sposoban da odgovori na brze promjene u razinama signala. Komponenta I se fokusira na performanse stabilnog stanja i više je fokusirana na točnost mjerenja. Stoga, P komponenta može imati koristi od niske rezolucije, brzog ažuriranja trenutne povratne informacije signala, što znači da sinc3 filter ima nisku oversampling i decimation rate. Komponenta I će imati koristi od veće brzine preuzimanja i može izdržati rezultirajuće povećanje brzine ažuriranja.
Važno je napomenuti da kada se koristi delta-sigma modulator u sistemu koji obrađuje velika opterećenja, drugi faktor koji treba uzeti u obzir je izolacija. Jedna opcija je da se koristi samo izolacioni pojačavač i koristi se ne-izolovani modulator za analogno-digitalno pretvaranje, ili da se postavi optički sprežnik između izlaza modulatora i ulaza uređaja za digitalno filtriranje. Alternativno, može se odabrati izolirani delta-sigma modulator. Koristeći izolovani modulator, analogni prekostrujni zaštitni krug se može eliminisati jer se digitalni filter može konfigurirati da eliminiše prekomerne struje.
AD7403 je obezbeđen od strane AnalogDevices, primer za to. Uvođenjem modulatora drugog reda, ovaj uređaj omogućava fleksibilnu selekciju šant specifikacija i pruža više od 14 bitova značajnih bitova i brzinu izlaznog toka od 20 MHz. Koristeći odgovarajući digitalni filter, uređaj postiže omjer signala i šuma od 88 dB na 78,100 uzoraka / sekundi. Ova izolaciona šema koristi iCoupler tehnologiju kompanije, a kompanija tvrdi da ona premašuje performanse tipičnog rasporeda optokaplera.
Uz dodatak funkcija kao što su izolacija i povećane performanse filtriranja mikrokontrolera i programabilnih logičkih uređaja, dizajneri mogu nastaviti optimizirati kontrolu motora za robotske aplikacije.
Ako želite kupiti motor medicinskog uređaja, obratite pažnju na Precision Medical Motors.
