Motorstyringsisoleringsplan ved hjælp af iCoupler-teknologi
Robotiske applikationer kræver præcis styring af de motorer, der kører mange maskinled. Kontrolsystemet skal kende positioneringspositionerne for de forskellige robotarm og aktuatorer for at sikre sikker og pålidelig drift. For at være effektiv skal du vide mere om rotorbevægelsen i motorhuset i dybden.
Uden information om rotorvinklen (let at glide under høje belastninger) kan elektronikstyringen give for meget strøm, som simpelthen spildes af varme. For at fornemme positionen og rotortilstanden er en vigtig variabel af kontrolalgoritmen det aktuelle niveau for motorviklingene. Konceptuelt er dette en billig variabel, som er let at overvåge, fordi den kun indebærer at give et link fra motoren til styrekredsløbet. Der er dog mange faktorer, der skal overvejes for at sikre, at signalet er så præcist som muligt. Fejl kan resultere i unøjagtig registrering af steder og øget unødvendigt energiforbrug.
De mest anvendte nuværende sensorer i motorstyring er shunt-modstande, Hall-effektfølere og strømtransformatorer. De sidstnævnte to enheder giver isolering, som, samtidig med at den samlede omkostning øges, er vigtig, når man beskæftiger sig med høj effekt. Shunt-modstandskredsløb er typisk begrænset til måleværdier på 50A eller mindre, men har den fordel at have den højeste linearitet af respons i sensortypenheder og lavere omkostninger. Disse enheder er også velegnet til AC og DC målinger.
Nøjagtige og følsomme resultater kan opnås ved at kopiere shuntmotstanden til delta-sigma modulatoren. Triangulære integrerede prøveudtagnings- og filtreringsteknikker hjælper med at undertrykke forbigående støjeffekter og understøtte godt over 12-bit opløsning. Texas Instruments 'ADS1203 er en delta-sigma modulator designet til instrumentering applikationer, herunder motorstyring. Denne enhed er en enkeltkanals, deltids-sigma modulator med anden orden, der er designet til analog opløsning til høj opløsning fra DC til 39kHz. Udgangen af denne konverter er en række tal 1 og 0, hvis tidsgennemsnit er proportional med den analoge indgangsspænding. En væsentlig fordel ved at anvende et filtreret delta-sigma modulatorsignal er, at kvantiseringsstøjkilden og den forbigående støjkilde kan konverteres til høje frekvenser, hvilket gør det lettere at filtrere ud gennem lavpasfilteret.
Ved at bruge en modulator i stedet for en komplet analog-til-digital-konverter, kan designerne tilpasse den digitale filtreringsevne for bedst at opfylde kravene til motorstyring. Dette omfatter strenge synkronisering med transistoromkoblingshændelser i H-brokredsløbet, der leverer strøm til motoren selv. Filtret selv kan implementeres ved hjælp af en digital signalprocessor (DSP), mikrocontroller eller feltprogrammerbar gate array (FPGA), afhængigt af omkostninger og ydeevne. Ved at bruge et brugerdefineret filter er det bedre at vælge mellem det forbigående svar og den endelige prøveudtagningsopløsning. En højere oversamplinghastighed resulterer i højere nøjagtighed, men resulterer i en lavere opdateringshastighed - reducerende oversampling reducerer opløsningen, men giver en højere opdateringshastighed.
Med hensyn til databehandling er der en sammenligning med en traditionel successiv tilnærmelse (SAR) analog til digital konverter. Ved anvendelse af en SAR-konverter kan prøveudtagning udføres ved hjælp af et prøve-og-hold-kredsløb, som gør det muligt for systemdesigneren at styre tidspunkterne for prøveudtagnings øjeblikket. På den anden side bruger den trekantede integrerede konvertering en kontinuerlig prøveudtagningsproces, så den samplede værdi har ingen defineret triggertid. Omvendt er den samplede værdi på dette tidspunkt et vægtet gennemsnit af en serie af 1-bit prøveværdier, som kan spænde over værdien af dette punkt i tid repræsenteret ved denne samplede værdi.
Filtrering af en bitbitbitbit på 1 bit og udtrækning af den til en multipelbitstreamprøveværdi med lavere hastighed kan ske i to forskellige faser. En meget almindelig tilgang er at bruge et SINC-filter, der udfører begge opgaver i en fase. Den tredje rækkefølge, der almindeligvis betegnes sinc3, er i øjeblikket det mest almindelige valg for disse applikationer.
Filtret er stort set en vægtet sum af et samplet værdi vindue, der giver større vægt til de samplede værdier i midten af sekvensen, samtidig med at man giver mindre vægt til de samplede værdier ved begyndelsen og slutningen af sekvensen. I lyset af indflydelsen af omskiftningskomponenten i strømtransistoren i målestrømmen skal denne effekt overvejes, ellers vil feedbackalgoritmen blive påvirket af aliasing og lignende.
Impulsresponsen af sinc3-filteret er symmetrisk med bidraget fra prøveværdien forud for centerprøveværdien, og centrumprøveværdien er den samme som den prøveværdi, der følger efter den. Strømkontaktkomponenten i strømmen er også symmetrisk langs det gennemsnitlige strømpunkt: således at summen af omskiftningskomponenterne er nul. Hvis midten af prøveudtagningsvinduet er justeret med PWM-synkroniseringspulsen, der bruges til at drive H-broen, må fasestrømmen måles uden aliasing, men det skal sikres, at prøveværdierne er korrekt justeret, når de læser data fra filteret. Filtrering pålægger en forsinkelse, så filterets samplede værdiudgang kommer fra flere tidligere tidsperioder, når PWM-synkroniseringspulsen anvendes. Dette har en væsentlig indflydelse på programplanlægning i forhold til SAR-baserede aktuelle målinger.
I tilfælde af SAR kan PWM synkroniseringspulsen udløse analog til digital konverter til at udføre en række konverteringer. Når der udarbejdes data til kontrolsløjfen, genererer systemet en afbrydelse og begynder at udføre kontrolsløjfen. Disse prøveværdier genereres kontinuerligt ved hjælp af en delta-sigma modulator og filter, men vigtige prøveværdier for fasestrømmålinger er klare efter en fast forsinkelse. Timere eller tællere skal bruges til at generere en afbrydelse, når et PWM synkroniseringssignal er til stede. Forsinkelsen i tælleprøveværdier er faktisk halvdelen af sinc3-impulsresponset.
I et typisk styresystem er PWM-timerens nul-ordre-holdingseffekt meget mere end halvdelen af impulssvaret, så SINC-filteret ikke påvirker sløjtidimingen signifikant. Ved at anvende en delta-sigma modulator og et brugerdefineret filter kan brugeren frit omdanne SINC-filterforsinkelsen til opnåelse af samplet værdibesparelse. Denne fleksibilitet er en stor fordel ved design af motorstyringsalgoritmer. Normalt er nogle dele af algoritmen følsomme for forsinkelse, men mindre følsomme for nøjagtigheden af tilbagemeldingen. Resten af algoritmen bruges sammen med lavere dynamik og fordele ved nøjagtighed, men er mindre følsom for forsinkelser.
Overvej en proportional integral controller (PI) algoritme. P-delen og I-komponenten kan bruge det samme feedbacksignal. P-banen og I-banen kan dog adskilles, og feedbacksignalet kan kombineres med forskellige typer filtreringsfunktioner. I PI-controlleren anvendes P-komponenten hovedsagelig til at undertrykke den hurtige forandringseffekt af belastning og hastighed. Derfor skal den kunne reagere på hurtige ændringer i signalniveauer. I-komponenten fokuserer på stabil tilstand og er mere fokuseret på målepræcision. Derfor kan P-komponenten drage fordel af et lavopløsende, hurtig opdateringshastighedstrøms feedback-signal, hvilket betyder, at sinc3-filteret har en lav oversampling og decimationsrate. I-komponenten vil drage fordel af en højere oversampling rate og kan modstå den resulterende stigning i opdateringshastigheden.
Det er vigtigt at bemærke, at når man bruger en delta-sigma modulator i et system der håndterer store belastninger, er en anden faktor at overveje isolering. En mulighed er at bruge kun isolationsforstærkeren og anvende en ikke-isoleret modulator til analog til digital konvertering eller placere en optokobler mellem modulatorens udgang og indgangen til enheden til digital filtrering. Alternativt kan en isoleret delta-sigma modulator vælges. Ved anvendelse af en isoleret modulator kan det analoge overstrømskredsløbskredsløb elimineres, fordi det digitale filter også kan konfigureres til at eliminere overstrømseffekter.
AD7403 leveres af AnalogDevices, et eksempel på dette. Ved at implementere en andenordensmodulator muliggør denne enhed fleksibelt valg af shunt-specifikationer og tilvejebringer mere end 14 bits signifikante bits og en udgangsstrømshastighed på 20 MHz. Ved at anvende et passende digitalt filter opnår enheden et signal-til-støjforhold på 88dB ved 78.100 prøver / sekund. Denne isolationsskema anvender virksomhedens iCoupler-teknologi, og selskabet hævder, at det overstiger udførelsen af et typisk optocoupler arrangement.
Med tilføjelsen af funktioner som isolering og den stigende filtrering af mikrocontrollere og programmerbare logiske enheder, kan designere fortsætte med at optimere motorstyringen til robotapplikationer.
Hvis du vil købe en medicinsk udstyr motor, skal du være opmærksom på Precision Medical Motors.
