Sistema d'aïllament del control del motor amb tecnologia iCoupler
Les aplicacions robòtiques requereixen un control precís dels motors que condueixen moltes juntes de màquines. El sistema de control ha de conèixer les posicions de posicionament dels diversos braços i actuadors robotitzats per garantir un funcionament segur i fiable. Per ser eficient, necessiteu més informació sobre el moviment del rotor a l'habitatge del motor.
Sense informació sobre l'angle del rotor (fàcil de lliscar sota càrregues elevades), el controlador electrònic pot proporcionar massa corrent, que simplement es desaprofita per la calor. Per tal de detectar la posició i l'estat del rotor, una variable important de l'algoritme de control és el nivell actual dels bobinats del motor. Conceptualment, es tracta d'una variable de baix cost que és fàcil de monitoritzar, ja que només implica proporcionar un enllaç del motor al circuit de control. Tanmateix, hi ha molts factors que cal tenir en compte per garantir que el senyal sigui el més precís possible. Els errors poden provocar una detecció incorrecta de les ubicacions i augmentar el consum d'energia innecessari.
Els sensors de corrent més utilitzats en el control del motor són les resistències de derivació, els sensors d'efecte Hall i els transformadors de corrent. Els dos últims dispositius proporcionen aïllament, que, tot i augmentar el cost global, és important quan es tracta d'alta potència. Els circuits de resistència Shunt solen limitar-se a corrents de mesura de 50A o menys, però tenen l'avantatge de tenir la major linealitat de resposta en els dispositius de tipus de sensor i un menor cost. Aquests dispositius també són adequats per als mesuraments de CA i CC.
Es poden obtenir resultats precisos i sensibles mitjançant l'acoblament de la resistència de derivació al modulador delta-sigma. Les tècniques triangulars de mostreig i filtració integrals ajuden a suprimir els efectes de soroll transitori i suporten molt per sobre de la resolució de 12 bits. ADS1203 de Texas Instruments és un modulador delta-sigma dissenyat per a aplicacions d'instrumentació, inclòs el control del motor. Aquest dispositiu és un modulador delta-sigma de segon ordre d'un sol canal dissenyat per a conversions analògiques d'alta resolució des de DC fins a 39 kHz. La sortida d'aquest convertidor és una sèrie de números 1 i 0 la mitjana del temps és proporcional a la tensió d'entrada analògica. Un avantatge clau d'utilitzar un senyal de modulador delta-sigma filtrat és que la font de soroll de quantificació i l'origen del soroll transitori es poden convertir a freqüències altes, cosa que facilita el filtre a través del filtre de pas baix.
Mitjançant l'ús d'un modulador en comptes d'un convertidor analògic a digital complet, els dissenyadors poden ajustar el rendiment del filtratge digital per satisfer millor els requisits de control del motor. Això inclou una estricta sincronització amb esdeveniments de commutació de transistors en el circuit H-bridge que subministra energia al propi motor. El propi filtre es pot implementar utilitzant un processador de senyal digital (DSP), microcontrolador o matriu de porta programable (FPGA), depenent del cost i els objectius de rendiment. Mitjançant l'ús d'un filtre personalitzat, és millor triar entre la resposta transitòria i la resolució de mostreig final. Un percentatge d'sobreamplificació superior resulta en una major precisió, però genera una menor taxa d'actualització de valor: la reducció de l'amago permet reduir la resolució, però proporciona una major taxa d'actualització.
Pel que fa al processament de dades, hi ha una comparació amb un convertidor analògic-digital a aproximació successiva (SAR) tradicional. Mitjançant l'ús d'un convertidor SAR, el mostreig es pot realitzar amb un circuit d'exemple i espera, que permet que el dissenyador del sistema controli el temps de l'instant de mostreig. D'altra banda, la conversió integral triangular utilitza un procés de mostreig continu, de manera que el valor de la mostra no té un temps d'activació definit. A la inversa, el valor mostrat en aquest moment és una mitjana ponderada d'una sèrie de valors de mostra de 1 bits que poden abastar el valor d'aquest punt en el temps representat per aquest valor mostrat.
Filtrar un bitstream de 1 bit i extreure'l a un valor de mostra de freqüència múltiple de velocitat més baixa es pot fer en dues fases diferents. Un enfocament molt comú és utilitzar un filtre SINC que realitza ambdues tasques en una fase. El tercer ordre, comunament anomenat sinc3, és actualment l'opció més comuna per a aquestes aplicacions.
El filtre és en gran mesura una suma ponderada d'una finestra de valor de mostra que dóna més pes als valors mostrats al centre de la seqüència, mentre que dóna menys pes als valors mostrats al principi i al final de la seqüència. Tenint en compte la influència del component de commutació del transistor de potència en el corrent de mesura, cal tenir en compte aquest efecte, en cas contrari, l'algorisme de retroalimentació es veurà afectat per aliasing i similars.
La resposta d'impuls del filtre sinc3 és simètrica amb l'aportació del valor de la mostra abans del valor de la mostra central, i el valor de la mostra central és el mateix que el valor de mostra següent. El component de commutació del corrent també és simètric al llarg del punt actual mitjà: de manera que la suma dels components de commutació és zero. Si el centre de la finestra de mostreig està alineat amb el polsador de sincronització PWM utilitzat per conduir el pont H, es pot mesurar la fase de corrent sense alteracions, però s'ha de tenir cura de que els valors de la mostra estiguin correctament alineats quan es llegeixin dades del filtre. El filtratge imposa un retard perquè la sortida del valor del resultat del filtre sigui de diversos períodes de temps anteriors quan s'utilitzi el pols de sincronització PWM. Això té un impacte important en la programació del programa en comparació amb les mesures actuals basades en SAR.
En el cas de SAR, el polsador de sincronització PWM pot activar el convertidor analògic al digital per realitzar una sèrie de conversions. Quan es prepara la informació del bucle de control, el sistema genera una interrupció i comença a executar el bucle de control. Aquests valors de mostra es generen contínuament utilitzant un modulador i filtre delta sigma, però els valors d'exemple importants per a les mesures de fase actual estan preparats després d'un retard fix. Els temporitzadors o comptadors s'han d'utilitzar per generar una interrupció quan hi ha un senyal de sincronització PWM. El retard en el recompte dels valors de la mostra és en realitat la meitat de la resposta a l'impuls de sinc3.
En un sistema de control típic, l'efecte de retenció de l'ordre zero del temporitzador PWM és molt més que la meitat de la resposta d'impuls, de manera que el filtre SINC no afecta significativament el temps de cronòmetre. Mitjançant la utilització d'un modulador delta-sigma i un filtre personalitzat, l'usuari pot canviar lliurement el retard del filtre SINC per obtenir una resolució de valor de mostra. Aquesta flexibilitat suposa un gran avantatge en el disseny d'algorismes de control del motor. En general, algunes parts de l'algoritme són sensibles al retard, però menys sensibles a la precisió dels comentaris. La resta de l'algorisme s'utilitza juntament amb una menor dinàmica i es beneficia de la precisió, però és menys sensible als retards.
Considereu un algoritme de control integral integral (PI) proporcional. La part P i el component I poden utilitzar el mateix senyal de retroalimentació. No obstant això, la ruta P i la ruta I es poden separar i el senyal de retroalimentació es pot combinar amb diferents tipus de funcions de filtratge. En el controlador PI, el component P s'utilitza principalment per a suprimir l'efecte de canvi ràpid de la càrrega i la velocitat. Per tant, ha de poder respondre a canvis ràpids en els nivells de senyal. El component I se centra en el rendiment de l'estat estacionari i està més centrat en la precisió del mesurament. Per tant, el component P pot beneficiar-se d'una baixa resolució, actualització ràpida del senyal de retroalimentació actual, el que significa que el filtre sinc3 té una baixa taxa de sobreexplotació i decimació. El component I es beneficiarà d'una taxa d'sobreamplificació superior i pot suportar l'augment resultant de la taxa d'actualització.
És important tenir en compte que quan s'utilitza un modulador delta-sigma en un sistema que controla grans càrregues, un altre factor a considerar és l'aïllament. Una opció és utilitzar només l'amplificador d'aïllament i utilitzar un modulador no aïllat per a la conversió analògica a digital, o col·loqueu un optoacoplador entre la sortida del modulador i l'entrada del dispositiu per al filtratge digital. Alternativament, es pot seleccionar un modulador delta-sigma aïllat. Mitjançant l'ús d'un modulador aïllat, es pot eliminar el circuit de protecció de sobrecàrrega analògica, ja que el filtre digital també es pot configurar per eliminar els efectes de sobrecorriente.
L'AD7403 és proporcionat per AnalogDevices, un exemple d'això. Mitjançant la implementació d'un modulador de segon ordre, aquest dispositiu permet una selecció flexible de les especificacions de derivació i proporciona més de 14 bits de bits significatius i una velocitat de sortida de 20 MHz. Mitjançant la utilització d'un filtre digital adequat, el dispositiu aconsegueix una relació senyal-soroll de 88dB a 78.100 mostres / segon. Aquest esquema d'aïllament utilitza la tecnologia iCoupler de l'empresa, i la companyia afirma que supera el rendiment d'un arranjament d'optoacoplador típic.
Amb l'addició de funcions com l'aïllament i el rendiment creixent del filtratge de microcontroladors i dispositius lògics programables, els dissenyadors poden continuar optimitzant el control del motor per a aplicacions robotitzades.
Si voleu comprar un motor de dispositiu mèdic, si us plau, preste atenció a Precision Medical Motors.
