Sistem za izolacijo krmiljenja motorja s tehnologijo iCoupler
Robotske aplikacije zahtevajo natančno kontrolo motorjev, ki poganjajo številne strojne spoje. Krmilni sistem mora poznati pozicije pozicioniranja različnih robotskih ročic in aktuatorjev, da zagotovi varno in zanesljivo delovanje. Za večjo učinkovitost morate vedeti več o gibanju rotorja v ohišju motorja.
Brez informacij o kotu rotorja (lahko ga je drseti pod visokimi obremenitvami) lahko krmilnik elektronike zagotovi preveč toka, ki ga enostavno izgubimo zaradi vročine. Za zaznavanje položaja in stanja rotorja je pomembna spremenljivka krmilnega algoritma trenutna raven navitja motorja. Konceptualno je to nizkocenovna spremenljivka, ki jo je enostavno nadzorovati, ker vključuje le zagotavljanje povezave od motorja do krmilnega vezja. Vendar je treba upoštevati številne dejavnike, ki zagotavljajo, da je signal čim bolj natančen. Napake lahko povzročijo nepravilno odkrivanje lokacij in povečano nepotrebno porabo energije.
Najpogosteje uporabljeni tokovni senzorji v krmiljenju motorja so uporni upori, Hallov senzorji in tokovni transformatorji. Slednji dve napravi zagotavljata izolacijo, ki je ob povečanju skupnih stroškov pomembna pri obravnavi velike moči. Sklopi upornih uporov so običajno omejeni na merilne tokove 50A ali manj, vendar imajo prednost, ker imajo najvišjo linearnost odziva v napravah tipa senzorja in nižje stroške. Te naprave so primerne tudi za AC in DC meritve.
Natančne in občutljive rezultate lahko dosežemo s spajanjem upornika proti delta-sigma modulatorju. Trikotne integralne tehnike vzorčenja in filtriranja pomagajo preprečiti prehodne učinke hrupa in podpirajo precej nad 12-bitno ločljivostjo. Texas Instruments 'ADS1203 je modulator delta-sigma, zasnovan za aplikacije instrumentacije, vključno z motornim krmiljenjem. Ta naprava je enokanalni, delta-sigma modulator drugega reda, ki je zasnovan za analogno-digitalno pretvorbo visoke ločljivosti z DC na 39 kHz. Izhod tega pretvornika je serija številk 1 in 0, katerih časovno povprečje je sorazmerno analogni vhodni napetosti. Ključna prednost uporabe filtriranega delta-sigma modulatorskega signala je, da se vir kvantizacijskega hrupa in prehodni vir hrupa lahko pretvorita v visoke frekvence, kar olajša filtriranje skozi nizkopasovni filter.
Z uporabo modulatorja namesto celotnega analogno-digitalnega pretvornika lahko oblikovalci prilagodijo zmogljivost digitalnega filtriranja, da najbolje zadovoljijo zahteve motornega nadzora. To vključuje strogo sinhronizacijo s preklopnimi dogodki tranzistorja v H-mostnem vezju, ki napaja sam motor. Sam filter lahko izvedemo z uporabo digitalnega procesorja signalov (DSP), mikrokrmilnika ali poljskega programabilnega polja vrat (FPGA), odvisno od ciljev stroškov in učinkovitosti. Z uporabo filtra po meri je bolje izbrati med prehodnim odzivom in končno ločljivostjo vzorčenja. Višja hitrost presežka vzorčenja povzroči večjo natančnost, toda ima za posledico nižjo stopnjo posodobitve - zmanjšanje presežne vzorčenja zmanjša ločljivost, vendar zagotavlja višjo hitrost osveževanja.
V smislu obdelave podatkov obstaja primerjava s tradicionalnim analogno-digitalnim pretvornikom za zaporedno približevanje (SAR). Z uporabo pretvornika SAR lahko vzorčenje izvedete s pomočjo vzorčnega in zadrževalnega vezja, ki omogoča oblikovalcu sistema, da natančno nadzoruje časovni potek vzorčnega vzorca. Po drugi strani pa trikotna integralna pretvorba uporablja postopek neprekinjenega vzorčenja, tako da vzorčena vrednost nima definiranega časa sprožitve. Nasprotno pa je vzorčena vrednost v tem trenutku tehtano povprečje serije 1-bitnih vzorčnih vrednosti, ki lahko zajame vrednost te točke v času, ki jo predstavlja ta vzorčena vrednost.
Filtriranje 1-bitnega bitnega toka in njegovo izvlečenje na nizko hitrost vzorca z več bitnimi tokovi se lahko izvede v dveh različnih fazah. Zelo pogost pristop je uporaba filtra SINC, ki opravlja obe nalogi v eni fazi. Tretji red, imenovan sinc3, je trenutno najpogostejša izbira za te aplikacije.
Filter je večinoma tehtana vsota okna vzorčene vrednosti, ki daje večjo težo vzorčenim vrednostim v središču zaporedja, hkrati pa daje manjšo težo vzorčenim vrednostim na začetku in koncu zaporedja. Glede na vpliv preklopne komponente močnostnega tranzistorja na merilni tok je treba upoštevati ta učinek, sicer bo na algoritem povratne zveze vplivalo preklapljanje in podobno.
Impulzni odziv sinc3 filtra je simetričen s prispevkom vzorčne vrednosti pred sredinsko vrednostjo vzorca, sredinska vrednost vzorca pa je enaka vzorčni vrednosti, ki ji sledi. Preklopna komponenta toka je tudi simetrična vzdolž povprečne trenutne točke: tako je vsota preklopnih komponent nič. Če je središče okna za vzorčenje poravnano s sinhronizacijskim impulzom PWM, ki se uporablja za pogon H-mostu, je dovoljeno izmeriti fazni tok brez prekrivanja, vendar je treba paziti, da so vrednosti vzorca pri branju podatkov pravilno poravnane iz filtra. Filtriranje nalaga zakasnitev, tako da bo izhodna vrednost vzorčene vrednosti filtra iz več predhodnih časovnih obdobij, ko se uporablja sinhronizacijski impulz PWM. To ima pomemben vpliv na načrtovanje programske opreme v primerjavi s trenutnimi meritvami na osnovi SAR.
V primeru SAR lahko PWM sinhronizacijski impulz sproži analogno-digitalni pretvornik, da izvede vrsto pretvorb. Ko so podatki pripravljeni za krmilno zanko, sistem generira prekinitev in začne izvajati krmilno zanko. Te vrednosti vzorca se stalno generirajo z uporabo modulatorja in filtra delta-sigma, vendar so pomembne vrednosti vzorcev za meritve faznega toka pripravljene po določeni zakasnitvi. Za generiranje prekinitve je treba uporabiti merilnike ali števce, kadar je prisoten signal za sinhronizacijo PWM. Zamuda pri štetju vzorčnih vrednosti je dejansko polovica impulznega odziva sinc3.
V tipičnem kontrolnem sistemu je učinek zadrževanja ničelnega reda PWM timerja veliko več kot polovica impulznega odziva, zato filter SINC ne vpliva bistveno na časovni potek zanke. Z uporabo modulatorja delta-sigma in filtra po meri lahko uporabnik prosto preklopi zakasnitev filtra SINC, da pridobi ločljivost vzorčene vrednosti. Ta fleksibilnost je velika prednost pri načrtovanju algoritmov krmiljenja motorjev. Običajno so nekateri deli algoritma občutljivi na zamudo, vendar manj občutljivi na točnost povratnih informacij. Preostali del algoritma se uporablja v povezavi z manjšo dinamiko in koristi od natančnosti, vendar je manj občutljiv na zamude.
Upoštevajte algoritem s sorazmernim integralnim krmilnikom (PI). Del P in komponenta I lahko uporabljata isti povratni signal. Vendar se lahko pot P in pot I ločita in povratni signal se lahko kombinira z različnimi tipi funkcij filtriranja. V PI krmilniku se komponenta P večinoma uporablja za preprečevanje hitrega vpliva obremenitve in hitrosti. Zato se mora biti sposoben odzvati na hitre spremembe v stopnjah signala. Komponenta I se osredotoča na stabilno stanje delovanja in je bolj osredotočena na natančnost meritev. Zato lahko komponenta P koristi od nizke ločljivosti, hitrega toka povratne informacije o hitrosti posodabljanja, kar pomeni, da ima sinc3 filter nizko stopnjo prevelikega vzorčenja in decimacije. Komponenta I bo imela koristi od višje stopnje odvzemanja vzorcev in lahko prenese posledično povečanje hitrosti posodabljanja.
Pomembno je omeniti, da pri uporabi modulatorja delta-sigma v sistemu, ki obravnava velike obremenitve, je treba upoštevati tudi izolacijo. Ena od možnosti je, da uporabite samo izolacijski ojačevalnik in uporabite neizolirani modulator za analogno-digitalno pretvorbo ali pa postavite optični sklopnik med izhodom modulatorja in vhodom naprave za digitalno filtriranje. Alternativno lahko izberemo izoliran delta-sigma modulator. Z uporabo izoliranega modulatorja je mogoče odpraviti analogno prekomerno tokovno zaščito, ker je lahko tudi digitalni filter konfiguriran tako, da odpravlja prekomerne učinke.
Primer AD7403 je AnalogDevices. Z uporabo modulatorja drugega reda ta naprava omogoča prilagodljiv izbor specifikacij skeniranja in zagotavlja več kot 14 bitov pomembnih bitov in hitrost izhodnega toka 20 MHz. Z uporabo ustreznega digitalnega filtra doseže naprava razmerje signal-šum 88dB pri 78.100 vzorcih / sekundo. Ta izolacijska shema uporablja tehnologijo podjetja iCoupler, podjetje pa trdi, da presega zmogljivost tipične razporeditve optičnih sklopov.
Z dodatkom funkcij, kot sta izolacija in povečana učinkovitost filtriranja mikrokrmilnikov in programabilnih logičnih naprav, lahko oblikovalci nadaljujejo z optimizacijo krmiljenja motorja za robotske aplikacije.
Če želite kupiti motor medicinskega pripomočka, bodite pozorni na Precision Medical Motors.
