Схема изоляции управления двигателем с использованием технологии iCoupler
Робототехнические приложения требуют точного управления двигателями, которые приводят в движение множество машинных соединений. Система управления должна знать положения позиционирования различных манипуляторов и приводов робота для обеспечения безопасной и надежной работы. Чтобы быть эффективным, вам нужно больше узнать о движении ротора в корпусе двигателя.
Без информации об угле ротора (легко скользить при высоких нагрузках) электронный контроллер может выдавать слишком большой ток, который просто теряется из-за нагрева. Для определения положения и состояния ротора важной переменной алгоритма управления является текущий уровень обмоток двигателя. Концептуально это недорогая переменная, которую легко отслеживать, поскольку она предусматривает только соединение двигателя с цепью управления. Однако существует множество факторов, которые необходимо учитывать, чтобы обеспечить максимально точный сигнал. Ошибки могут привести к неточному определению местоположений и увеличению ненужного энергопотребления.
Наиболее часто используемые датчики тока в управлении двигателем - это шунтирующие резисторы, датчики Холла и трансформаторы тока. Последние два устройства обеспечивают изоляцию, что, хотя и увеличивает общую стоимость, важно при работе с большой мощностью. Схемы шунтирующих резисторов, как правило, ограничены измерительными токами 50 А или менее, но имеют то преимущество, что они имеют самую высокую линейную характеристику в устройствах сенсорного типа и более низкую стоимость. Эти устройства также подходят для измерений переменного и постоянного тока.
Точных и чувствительных результатов можно достичь, подключив шунтирующий резистор к дельта-сигма-модулятору. Треугольные интегральные методы выборки и фильтрации помогают подавлять эффекты переходного шума и поддерживают разрешение выше 12-битных. ADS1203 от Texas Instruments - это дельта-сигма-модулятор, разработанный для применения в приборостроении, включая управление двигателем. Это устройство представляет собой одноканальный дельта-сигма-модулятор второго порядка, предназначенный для аналого-цифрового преобразования высокого разрешения от постоянного тока до 39 кГц. Выход этого преобразователя представляет собой последовательность чисел 1 и 0, среднее время которых пропорционально напряжению аналогового входа. Ключевое преимущество использования отфильтрованного сигнала дельта-сигма-модулятора состоит в том, что источник шума квантования и источник переходного шума могут быть преобразованы в высокие частоты, что упрощает фильтрацию через фильтр нижних частот.
Используя модулятор вместо полного аналого-цифрового преобразователя, разработчики могут регулировать производительность цифровой фильтрации, чтобы наилучшим образом соответствовать требованиям управления двигателем. Это включает в себя строгую синхронизацию с событиями переключения транзистора в цепи H-моста, которая подает питание на сам двигатель. Сам фильтр может быть реализован с использованием цифрового сигнального процессора (DSP), микроконтроллера или программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA), в зависимости от стоимости и целей производительности. Используя пользовательский фильтр, лучше выбирать между переходным процессом и окончательным разрешением выборки. Более высокая частота передискретизации приводит к более высокой точности, но приводит к снижению частоты обновления значений - уменьшение передискретизации снижает разрешение, но обеспечивает более высокую частоту обновления.
Что касается обработки данных, то есть сравнение с традиционным аналого-цифровым преобразователем с последовательным приближением (SAR). При использовании преобразователя SAR выборка может выполняться с помощью схемы выборки и удержания, которая позволяет разработчику системы жестко контролировать синхронизацию момента выборки. С другой стороны, в треугольном интегральном преобразовании используется непрерывный процесс выборки, поэтому значение выборки не имеет определенного времени запуска. И наоборот, значение выборки в этот момент времени является средневзвешенным значением из серии значений 1-битной выборки, которые могут охватывать значение этого момента времени, представленное этим значением выборки.
Фильтрация 1-битного потока битов и извлечение его в значение выборки мультибитового потока с более низкой скоростью может выполняться в два разных этапа. Очень распространенным подходом является использование фильтра SINC, который выполняет обе задачи за один этап. Третий порядок, обычно называемый sinc3, в настоящее время является наиболее распространенным выбором для этих приложений.
Фильтр в значительной степени представляет собой взвешенную сумму окна выборочных значений, которое придает больший вес выборочным значениям в центре последовательности, в то же время придавая меньший вес выборочным значениям в начале и конце последовательности. Принимая во внимание влияние переключающей составляющей силового транзистора на измеряемый ток, этот эффект необходимо учитывать, в противном случае на алгоритм обратной связи будут влиять псевдонимы и тому подобное.
Импульсная характеристика фильтра sinc3 симметрична вкладу значения выборки до значения центральной выборки, а значение центральной выборки совпадает со значением выборки, следующей за ним. Коммутационная составляющая тока также симметрична вдоль средней точки тока: так что сумма переключающих составляющих равна нулю. Если центр окна выборки выровнен с импульсом синхронизации ШИМ, используемым для управления H-мостом, то фазовый ток можно измерять без наложения частот, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить правильное выравнивание значений выборки при чтении данных из фильтра. Фильтрация налагает задержку, так что выходные данные выборочного значения фильтра будут из нескольких предыдущих периодов времени, когда используется импульс ШИМ-синхронизации. Это оказывает существенное влияние на планирование программ по сравнению с измерениями тока на основе SAR.
В случае SAR импульс синхронизации ШИМ может запускать аналого-цифровой преобразователь для выполнения серии преобразований. Когда данные подготавливаются для цикла управления, система генерирует прерывание и начинает выполнение цикла управления. Эти значения выборки непрерывно генерируются с использованием дельта-сигма-модулятора и фильтра, но важные значения выборки для измерений фазного тока готовы после фиксированной задержки. Таймеры или счетчики должны использоваться для генерации прерывания при наличии сигнала синхронизации ШИМ. Задержка в подсчете значений выборки фактически равна половине импульсной характеристики sinc3.
В типичной системе управления эффект удержания нулевого порядка таймера ШИМ намного больше половины импульсной характеристики, поэтому фильтр SINC не оказывает существенного влияния на синхронизацию цикла. Используя дельта-сигма-модулятор и пользовательский фильтр, пользователь может свободно переключать задержку фильтра SINC для получения разрешения дискретизированного значения. Эта гибкость является большим преимуществом при разработке алгоритмов управления двигателем. Обычно некоторые части алгоритма чувствительны к задержке, но менее чувствительны к точности обратной связи. Остальная часть алгоритма используется в сочетании с более низкой динамикой и преимуществами точности, но менее чувствительна к задержкам.
Рассмотрим алгоритм пропорционального интегрального регулятора (PI). P-часть и I-компонент могут использовать один и тот же сигнал обратной связи. Однако путь P и путь I могут быть разделены, и сигнал обратной связи может быть объединен с различными типами функций фильтрации. В PI-контроллере P-компонент в основном используется для подавления эффекта быстрого изменения нагрузки и скорости. Следовательно, он должен быть в состоянии реагировать на быстрые изменения уровней сигнала. Компонент I ориентирован на работу в устойчивом состоянии и больше ориентирован на точность измерений. Поэтому P-компонент может выиграть от сигнала обратной связи по току с низкой разрешающей способностью и высокой частотой обновления, что означает, что фильтр sinc3 имеет низкую частоту передискретизации и прореживания. Компонент I извлечет выгоду из более высокой частоты передискретизации и может выдержать результирующее увеличение частоты обновления.
Важно отметить, что при использовании дельта-сигма-модулятора в системе, которая обрабатывает большие нагрузки, еще одним фактором, который следует учитывать, является изоляция. Один из вариантов - использовать только изолирующий усилитель и использовать неизолированный модулятор для аналого-цифрового преобразования или разместить оптопару между выходом модулятора и входом устройства цифровой фильтрации. Альтернативно, может быть выбран изолированный дельта-сигма-модулятор. При использовании изолированного модулятора аналоговая схема защиты от сверхтока может быть исключена, поскольку цифровой фильтр также может быть настроен для устранения эффектов сверхтока.
AD7403 предоставлен AnalogDevices, пример этого. Благодаря реализации модулятора второго порядка это устройство позволяет гибко выбирать спецификации шунтов и обеспечивает более 14 бит значащих бит и частоту выходного потока 20 МГц. Используя соответствующий цифровой фильтр, устройство достигает отношения сигнал / шум 88 дБ при 78 100 выборках в секунду. Эта схема изоляции использует технологию iCoupler компании, и компания заявляет, что она превосходит производительность типовой схемы оптопары.
С добавлением таких функций, как изоляция и увеличение производительности фильтрации микроконтроллеров и программируемых логических устройств, разработчики могут продолжать оптимизировать управление двигателем для роботизированных приложений.
Если вы хотите купить мотор для медицинского устройства, обратите внимание на Precision Medical Motors.
