Motorvezérlés elszigetelési sémája iCoupler technológiával
A robotos alkalmazásokhoz nagyszámú gépi csatlakozást vezérlő motorok pontos vezérlése szükséges. A vezérlőrendszernek meg kell ismernie a különböző robotkarok és hajtóművek pozícionálási pozícióit a biztonságos és megbízható működés biztosítása érdekében. Ahhoz, hogy hatékony legyen, többet kell tudni a motorházban a forgórész mozgásáról.
A forgórészszög információ nélkül (nagy terhelésnél könnyen csúsztatható) az elektronikai vezérlő túl sok áramot biztosíthat, amit egyszerűen a hőt pazarol. A pozíció és a rotorállapot érzékeléséhez a vezérlő algoritmus fontos változója a motortekercsek aktuális szintje. Koncepcionálisan ez egy alacsony költségű változó, amelyet könnyen megfigyelhetünk, mert csak egy összeköttetést biztosít a motorról a vezérlő áramkörre. Számos tényezőt kell figyelembe venni annak biztosítására, hogy a jelzés a lehető legpontosabb legyen. A hibák pontatlanul érzékelhetik a helyeket és növelhetik a felesleges energiafogyasztást.
A motorvezérlés leggyakrabban használt áramérzékelői a sönt ellenállások, a Hall effektérzékelők és az áramváltók. Az utóbbi két eszköz elszigetelést biztosít, amely - bár az összköltséget növeli - fontos a nagy teljesítmény kezelésében. A sönt ellenállás áramkörök jellemzően 50A vagy kisebb mérőáramokra korlátozódnak, de előnyük az, hogy a szenzor-típusú készülékeknél a válasz legmagasabb linearitása és az alacsonyabb költség. Ezek az eszközök AC és DC mérésekre is alkalmasak.
Pontos és érzékeny eredményeket érhetünk el a shunt ellenállás és a delta-sigma modulátor összekapcsolásával. A háromszög alakú integrált mintavételi és szűrési technikák segítik a tranziens zajhatások elnyomását és a 12 bites felbontás jóval magasabb szintű támogatását. A Texas Instruments ADS1203 egy delta-sigma modulátor, amelyet műszeres alkalmazásokhoz terveztek, beleértve a motorvezérlést is. Ez az eszköz egycsatornás, másodrendű delta-sigma modulátor, amelyet nagyfelbontású analóg-digitális átalakításra terveztek DC-ről 39 kHz-re. Ennek az átalakítónak a kimenete az 1-es és 0-as számok sorozata, amelynek időértéke arányos az analóg bemeneti feszültséggel. A szűrt delta-sigma modulátor jel használatának egyik fő előnye, hogy a kvantálási zajforrás és az átmeneti zajforrás magas frekvenciákká alakítható, így könnyebb lesz kiszűrni az aluláteresztő szűrőt.
Modulátor használatával a teljes analóg-digitális átalakító helyett a tervezők beállíthatják a digitális szűrési teljesítményt, hogy a legjobban megfeleljen a motorvezérlés követelményeinek. Ez magában foglalja a H-híd áramkörben a tranzisztoros kapcsolási eseményekkel való szigorú szinkronizálást, amely a motorhoz áramot szolgáltat. Magának a szűrőnek egy digitális jelfeldolgozó (DSP), mikrokontroller vagy terepi programozható kapu tömb (FPGA) segítségével valósítható meg, a költség- és teljesítménycéloktól függően. Egyéni szűrő használatával jobb választani a tranziens válasz és a végső mintavételi felbontás között. A magasabb mintavételi arány nagyobb pontosságot eredményez, de alacsonyabb értékfrissítési sebességet eredményez - a túlzott mintavétel csökkentése csökkenti a felbontást, de magasabb frissítési sebességet biztosít.
Az adatfeldolgozás szempontjából összehasonlításra kerül egy hagyományos egymás utáni közelítés (SAR) analóg-digitális konverter. SAR-konverter használatával a mintavételezés egy minta- és tartási áramkör segítségével végezhető el, amely lehetővé teszi a rendszertervező számára, hogy szorosan szabályozza a mintavételi pillanat időzítését. Másrészt, a háromszög alakú integrált konverzió folyamatos mintavételi eljárást alkalmaz, így a mintavételezett értéknek nincs meghatározott triggerideje. Ezzel szemben a mintavételezett érték ebben az időpontban az 1-bites mintaértékek sorozatának súlyozott átlaga, amely az adott időpont értékét képviseli a mintavételezett érték által.
Az 1-bites bitfolyam szűrése és az alacsonyabb sebességű, többbites áramlású mintavételre történő kivonása két különböző fázisban végezhető el. Egy nagyon gyakori megközelítés egy olyan SINC-szűrő használata, amely mindkét feladatot egy fázisban végzi. A harmadik sorrend, amelyet általában sinc3-nak neveznek, jelenleg a leggyakoribb választás ezekhez az alkalmazásokhoz.
A szűrő nagyrészt egy olyan mintavételezett értékablak súlyozott összege, amely nagyobb súlyt ad a szekvencia középpontjában lévő mintavételezett értékeknek, miközben kisebb súlyt ad a mintavételezett értékeknek a szekvencia elején és végén. Tekintettel a teljesítményáram-tranzisztor kapcsolási összetevőjének a mérési áramra gyakorolt hatására, ezt a hatást figyelembe kell venni, ellenkező esetben a visszacsatolási algoritmust befolyásolja az álnév és hasonlók.
A sinc3 szűrő impulzusválaszja szimmetrikus a mintaértéknek a középső mintaérték előtti hozzájárulásával, és a középső minta értéke megegyezik az azt követő minta értékével. Az áram kapcsolási komponense szintén szimmetrikus az átlagos árampont mentén: úgy, hogy a kapcsolóelemek összege nulla. Ha a mintavételi ablak középpontja a H-híd meghajtásához használt PWM szinkronimpulzushoz igazodik, akkor a fázisáram mérése aliasing nélkül történik, de ügyelni kell arra, hogy a mintaértékek megfelelően illeszkedjenek az adatok olvasásakor a szűrőből. A szűrés késleltetést eredményez, hogy a szűrő mintavételezett értéke több korábbi időperiódusból származzon, amikor a PWM szinkronimpulzust használja. Ez jelentős hatással van a szoftverprogramok ütemezésére az SAR alapú mérésekhez képest.
A SAR esetében a PWM szinkronizálási impulzus aktiválhatja az analóg-digitális átalakítót egy sor konverzió végrehajtására. Amikor az adatokat a vezérlőhurokhoz készítik, a rendszer megszakítást generál és elkezdi végrehajtani a vezérlőhurkot. Ezeket a mintaértékeket folyamatosan generáljuk delta-sigma modulátor és szűrő használatával, de a fázisáram mérésekhez fontos mintavételi értékek készek egy rögzített késleltetés után. A PWM szinkronjel jelenlétében megszakítások generálásához időzítőket vagy számlálókat kell használni. A mintaértékek számlálásának késleltetése valójában a sinc3 impulzusválasz fele.
Egy tipikus vezérlőrendszerben a PWM időzítő nulla rendű tartási hatása sokkal több, mint az impulzusválasz fele, így a SINC szűrő nem befolyásolja jelentősen a hurok időzítését. Egy delta-sigma modulátor és egy egyéni szűrő használatával a felhasználó szabadon válthat a SINC szűrő késleltetéséről, hogy megkapja a mintavételezett értékfelbontást. Ez a rugalmasság nagy előnye a motorvezérlő algoritmusok tervezésekor. Az algoritmus egyes részei általában érzékenyek a késleltetésre, de kevésbé érzékenyek a visszajelzés pontosságára. Az algoritmus többi részét alacsonyabb dinamikával és a pontosságból származó előnyökkel együtt használják, de kevésbé érzékenyek a késésekre.
Tekintsünk egy arányos integrált vezérlő (PI) algoritmust. A P rész és az I komponens ugyanazt a visszacsatolási jelet használhatja. A P útvonal és az I útvonal azonban elválasztható, és a visszacsatoló jel kombinálható a különböző szűrési funkciókkal. A PI-szabályozóban a P-komponenst elsősorban a terhelés és a sebesség gyors változásának csökkentésére használják. Ezért képesnek kell lennie arra, hogy reagáljon a jelszintek gyors változására. Az I komponens az egyensúlyi állapot teljesítményére összpontosít, és inkább a mérési pontosságra összpontosít. Ezért a P komponens előnyös lehet egy alacsony felbontású, gyors frissítési sebességű aktuális visszacsatoló jelből, ami azt jelenti, hogy a sinc3 szűrő alacsony mintavételi és dekompressziós sebességgel rendelkezik. Az I komponens előnye a magasabb túlmintavételi aránynak, és ellenáll a frissítési sebesség növekedésének.
Fontos megjegyezni, hogy delta-sigma modulátor használata nagy terheléssel kezelő rendszerben egy másik tényező, amelyet figyelembe kell venni az izolálás. Az egyik lehetőség az, hogy csak az elszigetelő erősítőt használjuk, és nem izolált modulátort használunk analóg-digitális átalakításhoz, vagy helyezzünk el egy optocsatolót a modulátor kimenete és a digitális szűrés eszközének bemenete között. Egy másik változat szerint egy izolált delta-sigma modulátor választható. Egy izolált modulátor segítségével az analóg túláram védelmi áramkör megszüntethető, mert a digitális szűrő konfigurálható a túláramhatások kiküszöbölésére is.
Az AD7403-at AnalogDevices nyújtja, amely egy példa erre. Egy másodrendű modulátor alkalmazásával ez az eszköz lehetővé teszi a shunt specifikációk rugalmas kiválasztását, és több mint 14 bitet és 20 MHz kimeneti adatfolyamot biztosít. Egy megfelelő digitális szűrő alkalmazásával a készülék 88 dB jel / zaj arányt ér el 78,100 minta / másodperc alatt. Ez az elkülönítési rendszer a vállalat iCoupler technológiáját használja, és a vállalat azt állítja, hogy meghaladja a tipikus optocsatoló elrendezésének teljesítményét.
A mikrokontrollerek és a programozható logikai eszközök elszigeteltsége és növekvő szűrési teljesítménye mellett a tervezők továbbra is optimalizálhatják a motorvezérlést a robot alkalmazásokhoz.
Ha orvosi készüléket szeretne vásárolni, kérjük, vegye figyelembe a Precíziós orvosi motorokat.
