Schéma izolácie riadenia motora pomocou technológie iCoupler
Robotické aplikácie vyžadujú presné ovládanie motorov, ktoré poháňajú veľa strojných kĺbov. Riadiaci systém musí poznať polohu poloh rôznych robotov a ramien, aby sa zabezpečila bezpečná a spoľahlivá prevádzka. Aby ste boli efektívni, musíte viac vedieť o pohybe rotora v kryte motora.
Bez informácií o uhle rotora (ľahko sa posúva pri vysokých zaťaženiach) môže regulátor elektroniky poskytnúť príliš veľa prúdu, ktorý sa jednoducho stratí teplom. Na poznanie polohy a stavu rotora je dôležitou premennou riadiaceho algoritmu aktuálna úroveň vinutia motora. Koncepčne ide o nízkonákladovú premennú, ktorá je ľahko monitorovateľná, pretože zahŕňa iba spojenie z motora do riadiaceho obvodu. Existuje však veľa faktorov, ktoré je potrebné zvážiť, aby sa zabezpečil čo najpresnejší signál. Chyby môžu mať za následok nepresnú detekciu miest a zvýšenú nepotrebnú spotrebu energie.
Najčastejšie používané snímače prúdu v riadení motora sú skratové odpory, Hallove snímače a prúdové transformátory. Posledné dve zariadenia poskytujú izoláciu, čo pri zvyšovaní celkových nákladov je dôležité pri riešení vysokého výkonu. Obvody skratového odporu sú typicky obmedzené na meracie prúdy 50A alebo menej, ale majú tú výhodu, že majú najvyššiu lineárnosť odozvy v zariadeniach typu snímača a nižšie náklady. Tieto zariadenia sú vhodné aj na meranie AC a DC.
Presné a citlivé výsledky je možné dosiahnuť spojením bočného odporu s modulátorom delta-sigma. Trojročné integrálne techniky odberu a filtrovania pomáhajú potlačiť prechodné efekty šumu a podporujú výrazne nad 12-bitové rozlíšenie. Texas Instruments 'ADS1203 je modulátor delta-sigma určený pre prístrojové aplikácie vrátane riadenia motora. Toto zariadenie je jednokanálový modulátor delta-sigma druhého rádu navrhnutý pre analógovo-digitálnu konverziu s vysokým rozlíšením z DC na 39kHz. Výstupom tohto meniča je séria čísel 1 a 0, ktorých časový priemer je úmerný analógovému vstupnému napätiu. Kľúčovou výhodou použitia filtrovaného signálu modulátora delta-sigma je to, že zdroj kvantitačného šumu a zdroj prechodného šumu môžu byť konvertované na vysoké frekvencie, čo uľahčuje odfiltrovanie cez nízkofrekvenčný filter.
Použitím modulátora namiesto úplného analógovo-digitálneho konvertora môžu návrhári upraviť výkon digitálneho filtrovania tak, aby čo najlepšie vyhovovali požiadavkám na reguláciu motora. To zahŕňa prísnu synchronizáciu s udalosťami prepínania tranzistorov v obvode mostíka H, ktorý napája samotný motor. Samotný filter môže byť implementovaný pomocou digitálneho signálového procesora (DSP), mikrokontroléra alebo programovateľného poľa brány (FPGA) v závislosti od cieľov nákladov a výkonnosti. Použitím vlastného filtra je lepšie si vybrať medzi prechodovou odpoveďou a výsledným rozlíšením vzorkovania. Vyššia oversamplingová rýchlosť vedie k vyššej presnosti, ale má za následok nižšiu aktualizovanú rýchlosť - redukcia prekrytia znižuje rozlíšenie, ale poskytuje vyššiu obnovovaciu frekvenciu.
Pokiaľ ide o spracovanie údajov, existuje porovnanie s analógovo-digitálnym konvertorom s tradičnou postupnou aproximáciou (SAR). Použitím konvertora SAR môže byť odber vzoriek uskutočnený pomocou okruhu vzorkovania a zadržania, ktorý umožňuje navrhovateľovi systému dôsledne kontrolovať časovanie vzorkovacieho momentu. Na druhej strane triangulárna integrálna konverzia používa kontinuálny proces odberu vzoriek, takže vzorkovaná hodnota nemá žiaden definovaný čas spúšťania. Naopak, vzorkovaná hodnota v tomto okamihu je vážený priemer série 1-bitových vzorových hodnôt, ktoré môžu prekrývať hodnotu tohto bodu v čase reprezentovanom touto vzorkovanou hodnotou.
Filtrovanie 1-bitového bitového prúdu a jeho extrakcia na nižšiu rýchlosť viacerých bitových tokov sa môže uskutočniť v dvoch rôznych fázach. Veľmi častým prístupom je použitie filtra SINC, ktorý vykonáva obe úlohy v jednej fáze. Tretí rad, bežne nazývaný sinc3, je v súčasnosti najčastejšou voľbou pre tieto aplikácie.
Filter je do značnej miery vážený súčet vzorkovaného okna s hodnotami, ktoré dáva väčšiu váhu vzorkovanými hodnotami v strede sekvencie, zatiaľ čo dávajú nižšiu váhu vzorkovaným hodnotám na začiatku a konci sekvencie. Z hľadiska vplyvu spínacieho komponentu výkonového tranzistora na merací prúd je potrebné tento efekt zvážiť, inak spätnoväzbový algoritmus bude ovplyvnený aliasingom a podobne.
Impulzná odozva filtra sinc3 je symetrická s príspevkom hodnoty vzorky pred hodnotou stredovej vzorky a stredná hodnota vzorky je rovnaká ako hodnota vzorky, ktorá nasleduje. Spínacia zložka prúdu je tiež symetrická pozdĺž priemerného prúdového bodu: takže súčet spínacích komponentov je nulový. Ak je stred okna odberu vzoriek zarovnaný so synchronizačným impulzom PWM, ktorý sa používa na riadenie mostíka H, fázový prúd sa môže merať bez aliasu, ale je potrebné dbať na to, aby hodnoty vzoriek boli správne zarovnané pri čítaní údajov z filtra. Filtrovanie spôsobí oneskorenie, takže vzorkovaný výstupný výkon filtra bude z viacerých predchádzajúcich časových období, keď sa použije impulz PWM synchronizácie. To má významný vplyv na plánovanie softvérových programov v porovnaní s aktuálnymi meraniami založenými na SAR.
V prípade SAR môže synchronizačný impulz PWM spustiť konvertor analógovo-digitálny na vykonanie série konverzií. Keď sa údaje pripravujú pre riadiacu slučku, systém generuje prerušenie a začína vykonávať riadiacu slučku. Tieto hodnoty vzoriek sú kontinuálne generované použitím modulátora a filtra delta-sigma, ale dôležité hodnoty vzorky pre merania fázového prúdu sú pripravené po pevnom oneskorení. Časovače alebo počítadlá by mali byť použité na generovanie prerušenia, ak je prítomný signál synchronizácie PWM. Oneskorenie pri výpočte hodnôt vzorky je skutočne polovica impulznej odozvy sinc3.
V typickom riadiacom systéme je efekt zadržania nulového poriadku časovača PWM oveľa viac než polovica impulznej odozvy, takže filter SINC významne neovplyvňuje časovanie slučky. Použitím modulátora delta-sigma a vlastného filtra môže používateľ voľne prepínať oneskorenie filtra SINC, aby získalo rozlíšenie vzorkovanej hodnoty. Táto flexibilita je veľkou výhodou pri navrhovaní algoritmov riadenia motora. Zvyčajne sú niektoré časti algoritmu citlivé na oneskorenie, ale menej citlivé na presnosť spätnej väzby. Zvyšok algoritmu sa používa v spojení s nižšou dynamikou a prináša výhody z presnosti, ale je menej citlivý na oneskorenia.
Zvážte algoritmus proporcionálneho integrálneho riadenia (PI). Časť P a komponent I môžu použiť rovnaký spätnoväzbový signál. Avšak cesta P a cesta I môžu byť oddelené a spätnoväzbový signál môže byť kombinovaný s rôznymi typmi filtračných funkcií. V regulátore PI sa komponent P používa hlavne na potlačenie efektu rýchlej zmeny zaťaženia a rýchlosti. Preto musí byť schopný reagovať na rýchle zmeny úrovní signálu. Komponent I sa zameriava na výkon v ustálenom stave a viac sa zameriava na presnosť merania. Komponent P preto môže mať prospech zo signálu spätnej väzby s nízkou rozlišovacou schopnosťou a rýchlej aktualizácie, čo znamená, že filter sinc3 má nízku mieru prekrvenia a dekimácie. Zložka I bude mať vyššiu mieru prekrvenia a dokáže odolať výslednému zvýšeniu rýchlosti aktualizácie.
Je dôležité poznamenať, že pri použití modulátora delta-sigma v systéme, ktorý zvládne veľké zaťaženie, je ďalším faktorom, ktorý treba zvážiť, izolácia. Jednou z možností je použiť len izolačný zosilňovač a použiť neizolovaný modulátor pre analógovo-digitálnu konverziu alebo umiestniť optočlen medzi výstupom modulátora a vstupom zariadenia pre digitálne filtrovanie. Alternatívne sa môže vybrať izolovaný modulátor delta-sigma. Použitím izolovaného modulátora môže byť analógový nadprúdový ochranný obvod eliminovaný, pretože digitálny filter môže byť tiež konfigurovaný tak, aby eliminoval nadprúdové efekty.
AD7403 je dodávaný pomocou prístroja AnalogDevices. Zavedením modulátora druhého rádu umožňuje toto zariadenie flexibilný výber špecifikácií skratiek a poskytuje viac ako 14 bitov významných bitov a rýchlosť výstupného toku 20 MHz. Použitím príslušného digitálneho filtra zariadenie dosiahne pomer signálu k šumu 88 dB pri 78 100 vzorkách za sekundu. Tento systém izolácie využíva technológiu spoločnosti iCoupler a spoločnosť tvrdí, že prekračuje výkon typického optočlena.
Pridaním funkcií, ako je izolácia a zvyšujúci sa výkon filtrovania mikrokontrolérov a programovateľných logických zariadení, môžu návrhári naďalej optimalizovať riadenie motorov pre robotické aplikácie.
Ak chcete kúpiť motor pre zdravotnícke prístroje, dávajte pozor na Precision Medical Motors.
