Esquema de isolamento de controle motor utilizando a tecnologia iCoupler
Robóticas aplicações requerem um controle preciso dos motores que impulsionam muitas articulações de máquina. O sistema de controle precisa saber as posições de posicionamento dos vários braços do robô e atuadores para garantir a operação segura e confiável. Para ser eficiente, você precisa saber mais sobre o movimento do rotor na carcaça do motor de forma mais aprofundada.
Sem informações sobre o ângulo do rotor (fácil de deslizar sob cargas elevadas), o controlador da eletrônica pode fornecer muita corrente, que é simplesmente desperdiçada pelo calor. A fim de perceber a posição e o estado do rotor, uma variável importante do algoritmo de controle é o nível atual dos enrolamentos do motor. Conceitualmente, isso é uma variável de baixo custo que é fácil de controlar porque envolve apenas fornecendo uma ligação do motor para o circuito de controle. No entanto, existem muitos fatores que precisam ser considerados para garantir que o sinal é tão preciso quanto possível. Erros podem resultar na detecção imprecisa locais e consumo desnecessário de energia aumentada.
Os sensores de corrente mais comumente usados em controle motor são resistores de derivação, sensores de efeito Hall e transformadores atuais. Os dois últimos dispositivos fornecem isolamento, que, ao aumentar o custo global, é importante quando se lida com alta potência. Circuitos de resistor de derivação são geralmente limitadas para medir correntes de 50A ou menos, mas tem a vantagem de ter a maior linearidade de resposta em dispositivos do tipo de sensor e menor custo. Estes dispositivos são também adequados para medições AC e DC.
Resultados precisos e sensíveis podem ser alcançados pelo acoplamento o resistor de derivação para o modulador sigma-delta. Amostragem integral triangular e técnicas de filtragem ajudam a suprimir os efeitos de ruído transiente e apoiar bem acima da resolução de 12 bits. Texas Instruments ADS1203 é um modulador sigma-delta, projetado para aplicações de instrumentação, incluindo o controle motor. Este dispositivo é um modulador de canal único, segunda ordem delta-sigma projetado para conversão de analógico para digital de alta resolução de DC para 39kHz. A saída deste conversor é uma série de números 1 e 0, cuja média de tempo é proporcional a tensão de entrada analógica. A principal vantagem de usar um sinal do modulador sigma-delta filtrada é que a fonte de ruído de quantização e a fonte de ruído transiente podem ser convertidos em altas frequências, tornando mais fácil filtrar para fora através do filtro passa-baixa.
Usando um modulador em vez de um conversor analógico-digital completo, desenhadores podem ajustar o desempenho de filtragem digital para melhor atender aos requisitos de controle motor. Isso inclui sincronização estrita com transistor de comutação eventos do circuito de ponte H que fornece energia para o motor em si. O filtro propriamente dito pode ser implementado usando um processador de sinal digital (DSP), microcontrolador ou campo matriz de porta programável (FPGA), dependendo das metas de custo e desempenho. Usando um filtro personalizado, é melhor escolher entre a resposta transitória e a resolução de amostragem final. Uma maior taxa de sobreamostragem resulta em maior precisão, mas resulta em uma menor taxa de atualização de valor - reduzindo sobreamostragem reduz a resolução mas fornece uma maior taxa de atualização.
Em termos de processamento de dados, existe uma comparação com um conversor de analógico para digital tradicional aproximação sucessiva (SAR). Usando um conversor de SAR, a amostragem pode ser realizada com o auxílio de um circuito sample-and-hold, que permite que o designer de sistema para controlar rigidamente o tempo de amostragem instantânea. Por outro lado, a conversão integral triangular usa um processo de amostragem contínua, então o valor amostrado não tem gatilho definido tempo. Por outro lado, o valor amostrado, neste momento é uma média ponderada de uma série de valores de amostra de 1-bit que pode abranger o valor deste ponto no tempo, representado por este valor amostrado.
Filtragem de um 1 bit bitstream e extraí-lo para um valor de amostra de multi-bitstream taxa inferior podem ser feitos em duas fases diferentes. Uma abordagem muito comum é usar um filtro SINC que executa ambas as tarefas em uma fase. A ordem terceira, comumente referida como sinc3, atualmente é a escolha mais comum para estas aplicações.
O filtro é em grande parte uma soma ponderada de uma janela de valor amostrado que dá mais peso aos valores amostrados no centro da sequência, dando menos peso para os valores amostrados no início e no final da sequência. Tendo em conta a influência do componente comutação do transistor de potência na medição atual, este efeito deve ser considerado, caso contrário o algoritmo do gabarito será afetado pelo aliasing e afins.
A resposta de impulso do filtro sinc3 é simétrica com a contribuição do valor amostra antes o valor de amostra do centro, e o valor de amostra do centro é o mesmo que o valor de amostra, seguindo-o. O componente de comutação de corrente também é simétrico ao longo o ponto médio de corrente: para que a soma dos componentes de comutação é zero. Se o centro da janela de amostragem está alinhado com o pulso de sincronização PWM costumava dirigir a ponte-H, a fase atual é permitida para ser medido sem serrilhado, mas deve ter cuidado para garantir que os valores da amostra estão devidamente alinhados ao ler dados do filtro. Filtragem impõe um atraso para que a saída de amostra valor do filtro será de vários períodos de tempo anterior, quando o pulso de sincronização PWM é usado. Isto tem um impacto significativo na programação do programa de software em comparação com medições atuais baseados no SAR.
No caso de SAR, o pulso de sincronização do PWM pode desencadear o conversor digital para realizar uma série de conversões analógico. Quando dados estão preparados para a malha de controle, o sistema gera uma interrupção e começa a executar o loop de controle. Esses valores de amostra são continuamente gerados usando um modulador sigma-delta e o filtro, mas valores de amostra importante para medições de corrente de fase estão prontos após um atraso fixo. Timers ou contadores devem ser usados para gerar uma interrupção quando um sinal de sincronização PWM está presente. O atraso na contagem de valores da amostra é, na verdade, metade da resposta sinc3 impulso.
Em um sistema de controle típico, o efeito de ordem zero espera do timer PWM é muito mais do que metade da resposta do impulso, então o filtro SINC não afeta significativamente o tempo de ciclo. Utilizando um modulador sigma-delta e um filtro personalizado, o usuário pode livremente alternar o atraso de filtro SINC para obter resolução de valor amostrado. Essa flexibilidade é uma grande vantagem ao projetar algoritmos de controle motor. Geralmente, algumas partes do algoritmo são sensíveis ao atraso, mas menos sensível para a precisão do feedback. O resto do algoritmo é usado em conjunto com baixa dinâmica e beneficia de precisão mas é menos sensível a atrasos.
Considere um algoritmo de controlador proporcional integral (PI). A parte de P e o componente que pode usar o mesmo sinal de realimentação. No entanto, o caminho P e o caminho pode ser separado e o sinal de realimentação pode ser combinado com diferentes tipos de funções de filtragem. O controlador PI, o componente de P é usado principalmente para suprimir o efeito de rápida mudança de carga e velocidade. Portanto, ele precisa ser capaz de responder às rápidas mudanças nos níveis de sinal. O componente I centra-se em estado estacionário desempenho e é mais focado na exatidão da medida. Portanto, o componente de P pode beneficiar de uma resolução baixa, atualização rápida taxa atual gabarito sinal, significando que o filtro sinc3 tem uma baixa taxa de sobreamostragem e dizimação. O componente que irá beneficiar de uma maior taxa de sobreamostragem e pode suportar o aumento resultante na taxa de atualização.
É importante notar que ao usar um modulador sigma-delta em um sistema que lida com grandes cargas, outro fator a considerar é o isolamento. Uma opção é usar apenas o amplificador de isolamento e usar um modulador não isoladas para a conversão analógico-digital ou coloque um acoplador entre a saída do modulador e a entrada do dispositivo de filtragem digital. Alternativamente, um modulador sigma-delta isolado pode ser selecionado. Usando um modulador de isolado, o circuito de proteção de sobrecorrente analógico pode ser eliminado porque o filtro digital também pode ser configurado para eliminar os efeitos da sobrecarga.
O AD7403 é fornecido pelo AnalogDevices, um exemplo disso. Implementando um modulador de segunda ordem, este dispositivo permite seleção flexível de derivação especificações e fornece mais de 14 bits de bits significativos e uma taxa de fluxo de saída de 20 MHz. Utilizando um filtro digital apropriada, o dispositivo alcança uma relação sinal-ruído de 88dB em 78.100 amostras/segundo. Este regime de isolamento utiliza a tecnologia da empresa iCoupler, e a empresa alega que excede o desempenho de um arranjo típico do acoplador ótico.
Com a adição de características tais como o isolamento e o desempenho de filtragem crescente de microcontroladores e dispositivos lógicos programáveis, designers podem continuar otimizar o controle motor para aplicações de robóticas.
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