Схема ізоляції керування двигуном з використанням технології iCoupler
Робототехнічні додатки вимагають точного керування двигунами, які приводять у рух багато зчленувачів. Система управління повинна знати позиційні позиції різних роботів і приводів для забезпечення безпечної та надійної роботи. Щоб бути ефективним, потрібно знати більше про рух ротора в корпусі двигуна більш глибоко.
Без інформації про кут ротора (легко ковзати під високими навантаженнями), контролер електроніки може забезпечити занадто велику кількість струму, який просто витрачається теплом. Для визначення положення і стану ротора важливою змінною алгоритму управління є поточний рівень обмоток двигуна. Концептуально це - недорога змінна, яку легко контролювати, оскільки вона передбачає лише надання зв'язку від двигуна до схеми керування. Однак існує багато факторів, які необхідно розглянути, щоб забезпечити максимальну точність сигналу. Помилки можуть призвести до неточного виявлення місць та збільшення непотрібного споживання енергії.
Найбільш часто використовуваними датчиками струму в керуванні двигуном є шунтові резистори, датчики ефекту Холла та трансформатори струму. Останні два пристрої забезпечують ізоляцію, яка, збільшуючи загальну вартість, є важливою при роботі з високою потужністю. Шунт-резисторні схеми, як правило, обмежені вимірювальними струмами 50A або менше, але мають перевагу, що мають найвищу лінійність відгуку в пристроях типу датчиків і меншу вартість. Ці пристрої також підходять для вимірювань змінного і постійного струму.
Точні та чутливі результати можуть бути досягнуті шляхом з'єднання шунтуючого резистора з дельта-сигма модулятором. Трикутні інтегральні методи відбору та фільтрації допомагають придушити перехідні ефекти шуму і підтримують значно вище 12-бітової роздільної здатності. Texas Instruments 'ADS1203 - це дельта-сигма модулятор, призначений для застосування в приладах, включаючи управління двигуном. Цей пристрій є одноканальним, дельта-сигма модулятором другого порядку, призначеним для аналого-цифрового перетворення з високою роздільною здатністю від постійного струму до 39 кГц. Вихід цього перетворювача являє собою серію цифр 1 і 0, середній час яких пропорційно аналоговій вхідній напрузі. Ключовою перевагою використання фільтрованого сигналу модулятора дельта-сигма є те, що джерело шуму квантування і джерело перехідного шуму можуть бути перетворені на високі частоти, що полегшує фільтрування через фільтр низьких частот.
Використовуючи модулятор замість повного аналого-цифрового перетворювача, дизайнери можуть налаштувати продуктивність цифрової фільтрації, щоб найкращим чином відповідати вимогам керування двигуном. Це включає в себе сувору синхронізацію з транзисторними перемикаючими подіями в H-мостовій схемі, яка подає живлення на сам двигун. Сам фільтр може бути реалізований з використанням цифрового сигнального процесора (DSP), мікроконтролера, або програмованої польової схеми воріт (FPGA), в залежності від витрат і цілей виконання. Використовуючи спеціальний фільтр, краще вибирати між тимчасовою відповіддю та остаточним дозволом вибірки. Більш висока швидкість передискретизації призводить до більшої точності, але призводить до зниження швидкості оновлення - зменшення передискретизації зменшує дозвіл, але забезпечує більш високу частоту оновлення.
З точки зору обробки даних існує порівняння з традиційним послідовним наближенням (SAR) аналого-цифрового перетворювача. Використовуючи перетворювач SAR, вибірка може бути виконана за допомогою схеми вибірки та утримання, яка дозволяє конструктору системи жорстко контролювати час вибірки. З іншого боку, трикутне інтегральне перетворення використовує процес безперервної вибірки, так що вибіркове значення не має визначеного часу спрацьовування. І навпаки, вибіркове значення в цей момент часу є середньозваженим ряду значень 1-бітових вибірок, які можуть охоплювати значення цього моменту часу, представлене цим значенням вибірки.
Фільтрування 1-бітового бітового потоку і вилучення його в більш низьку швидкість багатобітового вибіркового значення можуть бути виконані в двох різних фазах. Дуже поширеним підходом є використання фільтра SINC, який виконує обидва завдання в одну фазу. Третій порядок, який зазвичай називають sinc3, в даний час є найпоширенішим вибором для цих додатків.
Фільтр значною мірою є зваженою сумою вікна вибіркового значення, що надає більшу вагу вибірковим значенням у центрі послідовності, надаючи меншу вагу вибірковим значенням на початку та в кінці послідовності. З огляду на вплив перемикаючої складової силового транзистора на струм вимірювання, цей ефект необхідно враховувати, інакше на алгоритм зворотного зв'язку впливатиме аліасинг і подібне.
Імпульсна характеристика фільтра sinc3 є симетричною з вкладом значення вибірки перед значенням вибірки в центрі, а значення вибірки центру є таким же, як значення вибірки, що слідує за ним. Компонент перемикання струму також симетричний по середній точці струму: так що сума компонентів перемикання дорівнює нулю. Якщо центр вікна вибірки узгоджується з імпульсом синхронізації ШІМ, який використовується для керування H-мостом, то фазовий струм може бути виміряний без накладення на накладання, але слід дотримуватися обережності, щоб гарантувати, що значення зразків правильно вирівняні при читанні даних від фільтра. Фільтрація накладає затримку, так що вибіркове значення виходу фільтра буде відбуватися з декількох попередніх періодів часу, коли використовується синхроімпульс PWM. Це має значний вплив на планування програмних програм порівняно з поточними вимірюваннями на основі SAR.
У випадку SAR, PWM синхронізуючий імпульс може викликати аналого-цифровий перетворювач для виконання серії перетворень. Коли дані готуються для циклу управління, система генерує переривання і починає виконувати цикл управління. Ці значення вибірки безперервно генеруються за допомогою модулятора дельта-сигма і фільтра, але важливі значення зразків для вимірювань фазового струму готові після фіксованої затримки. Таймери або лічильники повинні використовуватися для генерування переривання, коли присутній сигнал синхронізації ШІМ. Затримка підрахунку значень вибірки - це фактично половина імпульсної характеристики sinc3.
У типовій системі управління ефект нульового порядку таймера ШІМ набагато перевищує половину імпульсної характеристики, тому фільтр SINC істотно не впливає на синхронізацію циклу. Використовуючи модулятор дельта-сигма і користувальницький фільтр, користувач може вільно перемикати затримку фільтра SINC, щоб отримати роздільну здатність вибірки. Ця гнучкість є великою перевагою при розробці алгоритмів керування двигуном. Зазвичай деякі частини алгоритму чутливі до затримки, але менш чутливі до точності зворотного зв'язку. Решта алгоритму використовується в поєднанні з більш низькою динамікою і має вигоду від точності, але менш чутлива до затримок.
Розглянемо пропорційний інтегральний контролер (PI) алгоритм. Частина P і компонент I можуть використовувати той самий сигнал зворотного зв'язку. Однак шлях P і шлях I можуть бути розділені, і сигнал зворотного зв'язку може бути об'єднаний з різними типами функцій фільтрації. У PI-контролері компонент P в основному використовується для придушення швидкого ефекту зміни навантаження і швидкості. Тому він повинен бути здатним реагувати на швидкі зміни рівнів сигналів. I компонент фокусується на стабільному виконанні стану та є більше сфокусований на точності вимірювання. Таким чином, P-компонент може отримати вигоду з низького дозволу, швидкого сигналу зворотного зв'язку зі швидкістю оновлення, що означає, що фільтр sinc3 має низьку швидкість передискретизації і децимації. Компонент I виграє від вищої швидкості передискретизації і може витримати в результаті збільшення швидкості оновлення.
Важливо відзначити, що при використанні дельта-сигма-модулятора в системі, яка обробляє великі навантаження, іншим фактором є розгляд ізоляції. Одним з варіантів є використання тільки ізоляційного підсилювача і використання неізольованого модулятора для аналого-цифрового перетворення або розміщення оптопари між виходом модулятора і входом пристрою для цифрової фільтрації. Альтернативно, можна виділити ізольований модулятор дельта-сигма. За допомогою ізольованого модулятора може бути усунена аналогова схема захисту від струму, оскільки цифровий фільтр також може бути налаштований для усунення ефектів надтоку.
AD7403 забезпечується AnalogDevices, прикладом цього. Впроваджуючи модулятор другого порядку, цей пристрій дозволяє гнучко вибирати специфікації шунта і забезпечує більше 14 біт значних бітів і швидкість виходу потоку 20 МГц. Використовуючи відповідний цифровий фільтр, пристрій досягає відношення сигнал / шум 88 дБ при 78,100 зразках / секунда. Ця схема ізоляції використовує технологію компанії iCoupler, і компанія стверджує, що вона перевищує продуктивність типового пристрою оптопар.
З додаванням таких функцій, як ізоляція і збільшення продуктивності фільтрації мікроконтролерів і програмованих логічних пристроїв, дизайнери можуть продовжувати оптимізувати управління двигуном для роботизованих додатків.
Якщо ви хочете купити двигун медичного пристрою, зверніть увагу на Precision Medical Motors.
