طرح انزوای کنترل موتور با استفاده از تکنولوژی iCoupler
برنامه های کاربردی رباتیک نیاز به کنترل دقیق موتورهایی دارند که بسیاری از مفاصل ماشین را درگیر می کنند. سیستم کنترل نیاز به دانستن موقعیت موقعیت سلاح های مختلف ربات و محرک ها برای اطمینان از عملکرد ایمن و قابل اطمینان است. برای کارآمد بودن، شما باید بیشتر در مورد حرکت روتور در محفظه موتور در عمق بیشتری بدانید.
بدون اطلاعات در مورد زاویه روتور (آسان به زیر بارهای اسلاید)، کنترل کننده الکترونیک ممکن است جریان بیش از حد را فراهم کند، که به راحتی با گرما تلف می شود. به منظور حس حالت و روتور، یک متغیر مهم از الگوریتم کنترل سطح فعلی سیم پیچ موتور است. به طور مفهومی، این یک متغیر کم هزینه است که آسان است برای نظارت، زیرا فقط شامل ارائه لینک از موتور به مدار کنترل است. با این حال، عوامل بسیاری وجود دارد که باید در نظر گرفته شود تا اطمینان حاصل شود که سیگنال دقیق تر است. خطاها ممکن است به تشخیص نادرست مکان ها و افزایش مصرف انرژی غیرمجاز منجر شوند.
سنسورهای جریان اصلی در کنترل موتور، مقاومت های شنت، سنسورهای اثر Hall و ترانسفورماتورهای جریان هستند. دو دستگاه دیگر، انزوا را فراهم می کنند که در هنگام برخورد با قدرت زیاد، در حالی که افزایش هزینه های کلی، مهم است. مدارهای مقاومت شنت معمولا به اندازه گیری جریانهای 50A یا کمتر محدود می شوند، اما مزیت داشتن بالاترین خطی بودن پاسخ در دستگاه های سنسور و هزینه های پایین را دارند. این دستگاه ها نیز برای اندازه گیری های AC و DC مناسب هستند.
نتایج دقیق و حساس را می توان با اتصال مقاومت شانت به مدولاتور دلتا سیگما به دست آورد. تکنیک های نمونه برداری و تکنیک های فیلترینگ انتگرال مثلثی برای سرکوب جلوه های نویز گذرا و پشتیبانی بسیار بالاتر از رزولوشن 12 بیتی کمک می کند. ADS1203 Texas Instruments یک مبدل دلتا-سیگما است که برای کاربردهای ابزار دقیق از جمله کنترل موتور طراحی شده است. این دستگاه یک مدولاتور دلتا-سیگما دوم مرتبه چند کاناله است که برای تبدیل باکیفیت تبدیل دیجیتال به دیجیتال از DC به 39 کیلوهرتز طراحی شده است. خروجی این مبدل یک سری از اعداد 1 و 0 است که میانگین زمان آنها متناسب با ولتاژ ورودی آنالوگ است. یک مزیت کلیدی برای استفاده از سیگنال دلال سیگما فیلتر شده، این است که منبع نویز کوانتیزه و منبع نویز گذرا می توانند به فرکانس های بالا تبدیل شوند و فیلتر کردن آن از طریق فیلتر عبور پایین تر آسان تر شود.
با استفاده از یک مبدل به جای یک مبدل آنالوگ به دیجیتال کامل، طراحان می توانند عملکرد فیلتر دیجیتال را به بهترین نحو برای ارزیابی نیازهای موتور کنترل کنند. این شامل هماهنگی دقیق با رویدادهای سوئیچینگ ترانزیستور در مدار H-bridge است که قدرت را به موتور خود تحویل می دهد. فیلتر خود را می توان با استفاده از یک پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP)، میکروکنترلر یا میدان فرمان دروازه قابل برنامه ریزی (FPGA)، بسته به اهداف هزینه و عملکرد، اجرا کرد. با استفاده از یک فیلتر سفارشی، بهتر است بین پاسخ گذرا و قطعنامه نمونه گیری نهایی انتخاب شود. نرخ بیش از حد انتخابی بیشتر باعث دقت بیشتری می شود، اما نتیجه نرخ به روز رسانی پایین تر را در بر می گیرد - کاهش سوءاستفاده باعث کاهش رزولوشن می شود، اما نرخ تازه سازی را افزایش می دهد.
از لحاظ پردازش داده ها، مقایسه ای با مبدل آنالوگ به دیجیتال (SAR) سنتی پیوندی (SAR) وجود دارد. با استفاده از یک مبدل SAR، نمونه برداری با کمک یک مدار نمونه و نگهداری انجام می شود که به طراح سیستم اجازه می دهد تا زمان بندی فوری نمونه گیری را به شدت کنترل کند. از سوی دیگر، تبدیل یکپارچه مثلثی با استفاده از یک فرایند نمونه برداری مستمر، به طوری که مقدار نمونه دارای هیچ زمان ماشه تعریف نشده است. برعکس، مقدار نمونه برداری شده در این نقطه در زمان، یک میانگین وزنی یک سری از مقادیر نمونه 1 بیتی است که ممکن است ارزش این نقطه را در زمان نمایش داده شده با این مقدار نمونه برداری کند.
فیلتر کردن یک بیت بیتی 1 بیتی و استخراج آن به یک مقدار کمتری از نمونه نمونه چند بیتی را می توان در دو مرحله مختلف انجام داد. یک روش بسیار رایج این است که از یک فیلتر SINC استفاده کنید که هر دو کار را در یک فاز انجام می دهد. دستور سوم، که معمولا به عنوان sinc3 نامیده می شود، در حال حاضر رایج ترین انتخاب برای این برنامه ها است.
این فیلتر عمدتا یک مقدار وزنی از یک پنجره ارزش نمونه برداری است که وزن بیشتری را برای مقادیر نمونه در مرکز توالی به دست می دهد، در حالیکه مقدار ابتدایی و انتهای توالی را به مقادیر نمونه گیری کمتری می دهد. با توجه به تأثیر مولفه سوئیچینگ ترانزیستور قدرت در جریان اندازه گیری، این اثر باید مورد توجه قرار گیرد، در غیر این صورت الگوریتم بازخورد تحت تأثیر آلیاژ و مانند آن قرار خواهد گرفت.
پاسخ impulse از فیلتر sinc3 با سهم مقدار نمونه قبل از مقدار نمونه مرکزی متقارن است و مقدار نمونه مرکزی همان مقدار نمونه است که بعد از آن است. مولفه سوئیچینگ جریان نیز در امتداد نقطه جریان متوسط متقارن است: به طوری که مجموع اجزای سوئیچینگ صفر است. اگر مرکز پنجره نمونه برداری با پالس همگام PWM مورد استفاده قرار گیرد برای رانندگی پل H، جریان فاز اجازه داده می شود بدون aliasing اندازه گیری شود، اما باید اطمینان حاصل شود که در صورت خواندن داده ها، مقادیر نمونه درست می شوند از فیلتر فیلتر کردن یک تاخیر را تحمیل می کند تا خروجی مقدار نمونه گرفته شده از فیلتر از چندین دوره زمانی گذشته زمانی که Pulse Sync PWM استفاده می شود باشد. این تأثیر قابل توجهی در برنامه ریزی برنامه های نرم افزاری نسبت به اندازه گیری های جاری مبتنی بر SAR دارد.
در مورد SAR، پالس همگام سازی PWM می تواند مبدل آنالوگ به دیجیتال را برای انجام یک سری از تبدیل تبدیل کند. هنگامی که داده ها برای حلقه کنترل آماده می شوند، سیستم یک وقفه ایجاد می کند و شروع به اجرای حلقه کنترل می کند. این مقدار نمونه به طور مداوم با استفاده از یک مدولاتور دلتا سیگما و فیلتر تولید می شود، اما مقادیر نمونه های مهم برای اندازه گیری جریان فاز بعد از یک تاخیر ثابت آماده می شوند. وقتی یک سیگنال همگام PWM وجود دارد، باید تایمر یا شمارنده برای تولید وقفه استفاده شود. تاخیر در شمارش مقادیر نمونه تقریبا نیمی از پاسخ امپدانس sinc3 است.
در یک سیستم کنترل معمول، صفر نگه داشتن اثر تایمر PWM بسیار بیشتر از نیمی از پاسخ ضربه است، بنابراین فیلتر SINC به طور قابل توجهی بر زمان بندی حلقه تاثیر نمی گذارد. با استفاده از یک مدولاتور دلتا سیگما و یک فیلتر سفارشی، کاربر می تواند به طور آزادانه تاخیر فیلتر SINC را تغییر دهد تا رزولوشن ارزش نمونه را به دست آورد. این انعطاف پذیری یک مزیت بزرگ در طراحی الگوریتم های کنترل موتور است. معمولا بعضی قسمت های الگوریتم حساس به تاخیر هستند، اما کمتر حساس به دقت بازخورد هستند. بقیه الگوریتم در ارتباط با پویایی پایین و سود از دقت استفاده می شود، اما نسبت به تاخیر کمتر حساس است.
یک الگوریتم انتگرال متناسب (PI) را در نظر بگیرید. بخش P و I می توانند از همان سیگنال بازخورد استفاده کنند. با این حال، مسیر P و مسیر I را می توان از هم جدا کرد و سیگنال بازخورد را می توان با انواع مختلف توابع فیلتر ترکیب کرد. در کنترل کننده PI، مولفه P عمدتا برای سرکوب اثر تغییر سریع بار و سرعت استفاده می شود. بنابراین، باید بتواند به تغییرات سریع سطح سیگنال پاسخ دهد. مولفه I بر روی عملکرد حالت پایدار تمرکز می کند و بیشتر بر دقت اندازه گیری تمرکز دارد. به این ترتیب، مولفه P می تواند از یک سیگنال بازخورد جاری با رزولوشن پایین، سریع به روز رسانی بهره مند شود، به این معنی که فیلتر sinc3 دارای میزان کم و نمونه برداري کم است. جزء I از یک نرخ فراتر از حد مجاز استفاده می کند و می تواند به افزایش افزایش سرعت به روز رسانی برسد.
مهم است که توجه داشته باشیم که هنگام استفاده از یک مدولاتور دلتا سیگما در یک سیستم که بارهای بزرگ را مدیریت می کند، عامل دیگری که باید در نظر گرفته شود، جداسازی است. یک گزینه این است که فقط از تقویت کننده انزوا استفاده کنید و از یک مدولاتور غیر جدا شده برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال استفاده کنید یا یک اپتروسیر را بین خروجی مدولاتور و ورودی دستگاه برای فیلتر دیجیتال قرار دهید. به همین ترتیب، یک مدولاتور delta-sigma جدا شده را می توان انتخاب کرد. با استفاده از یک مدولاتور جدا شده، مدار حفاظت اضافه جریان آنالوگ را می توان حذف کرد زیرا فیلتر دیجیتال نیز می تواند برای از بین بردن اثرات بیش از حد پیکربندی شود.
AD7403 توسط AnalogDevices ارائه شده است، نمونه ای از این. با استفاده از مدولاتور دوم مرتب، این دستگاه اجازه می دهد تا انتخاب انعطاف پذیری از مشخصات شانت و ارائه بیش از 14 بیت از بیت های قابل توجه و نرخ جریان خروجی 20 مگاهرتز. با استفاده از یک فیلتر دیجیتال مناسب، دستگاه یک نسبت سیگنال به نویز 88dB را در 78،100 نمونه / ثانیه به دست می آورد. این طرح جداسازی از تکنولوژی iCoupler شرکت استفاده می کند و این شرکت ادعا می کند که بیش از عملکرد یک قرارداد optocoupler معمولی است.
با افزودن ویژگی هایی مانند انزوا و افزایش کارایی فیلتر کردن میکروکنترلرها و دستگاه های منطقی قابل برنامه ریزی، طراحان می توانند بهینه سازی کنترل موتور برای کاربردهای روباتیک را ادامه دهند.
اگر میخواهید یک وسیله نقلیه پزشکی خریداری کنید، لطفا به موتورهای دقیق پزشکی مراجعه کنید.
