İCoupler teknolojisini kullanan motor kontrol yalıtım şeması
Robotik uygulamalar, birçok makine eklemi çalıştıran motorların hassas bir şekilde kontrol edilmesini gerektirir. Kontrol sisteminin güvenli ve güvenilir çalışmasını sağlamak için çeşitli robot kollarının ve aktüatörlerin konumlandırma konumlarını bilmesi gerekir. Verimli olmak için, motor muhafazasındaki rotor hareketi hakkında daha fazla bilgi sahibi olmanız gerekir.
Rotor açısı hakkında bilgi olmadan (yüksek yükler altında kolayca kayabilir), elektronik kontrol cihazı, ısı ile harcanan çok fazla akım sağlayabilir. Konumu ve rotor durumunu hissetmek için, kontrol algoritmasının önemli bir değişkeni motor sargılarının mevcut seviyesidir. Kavramsal olarak, bu, izlemesi kolay olan düşük maliyetli bir değişkendir, çünkü yalnızca motordan kontrol devresine bir bağlantı sağlamayı gerektirir. Ancak, sinyalin mümkün olduğu kadar doğru olmasını sağlamak için göz önünde bulundurulması gereken birçok faktör vardır. Hatalar, konumların yanlış algılanmasına ve gereksiz enerji tüketiminin artmasına neden olabilir.
Motor kontrolünde en sık kullanılan akım sensörleri şönt dirençleri, Hall efekt sensörleri ve akım transformatörleridir. Son iki cihaz, toplam maliyeti arttırırken, yüksek güçle çalışırken önemli olan izolasyonu sağlar. Şönt direnç devreleri, tipik olarak 50A veya daha düşük ölçüm akımlarıyla sınırlıdır, ancak sensör tipi cihazlarda en yüksek yanıt doğrusallığına sahip olma ve düşük maliyet avantajına sahiptir. Bu cihazlar AC ve DC ölçümleri için de uygundur.
Şönt direncini delta-sigma modülatörüne bağlayarak doğru ve hassas sonuçlar elde edilebilir. Üçgen integral örnekleme ve filtreleme teknikleri, geçici gürültü etkilerini bastırmaya yardımcı olur ve 12 bit çözünürlüğün çok üstünde desteklenir. Texas Instruments ADS1203, motor kontrolü dahil enstrümantasyon uygulamaları için tasarlanmış bir delta-sigma modülatörüdür. Bu cihaz, DC'den 39kHz'e yüksek çözünürlüklü analog-dijital dönüşüm için tasarlanmış tek kanallı, ikinci dereceden bir delta-sigma modülatörüdür. Bu dönüştürücünün çıkışı, zaman ortalaması analog giriş voltajıyla orantılı olan 1 ve 0 sayıları dizisidir. Filtrelenmiş bir delta-sigma modülatör sinyalini kullanmanın en önemli avantajı, niceleme gürültüsü kaynağının ve geçici gürültü kaynağının yüksek frekanslara dönüştürülebilmesi ve böylece düşük geçişli filtreden filtre edilmesinin daha kolay olmasıdır.
Tasarımcılar, tamamen analog-dijital dönüştürücü yerine bir modülatör kullanarak, motor filtreleme gereksinimlerini en iyi şekilde karşılayacak şekilde dijital filtreleme performansını ayarlayabilirler. Bu, H-köprüs devresinde, motora kendi kendine güç sağlayan transistör anahtarlama olaylarıyla katı senkronizasyonu içerir. Filtrenin kendisi, maliyet ve performans hedeflerine bağlı olarak bir dijital sinyal işlemcisi (DSP), mikrodenetleyici veya alan programlanabilir kapı dizisi (FPGA) kullanılarak uygulanabilir. Özel bir filtre kullanarak, geçici yanıt ile son örnekleme çözünürlüğü arasında seçim yapmak daha iyidir. Daha yüksek bir örnekleme oranı daha yüksek doğrulukla sonuçlanır, ancak daha düşük bir değer güncelleme oranıyla sonuçlanır - aşırı örneklemenin azaltılması çözünürlüğü azaltır, ancak daha yüksek bir yenileme hızı sağlar.
Veri işleme açısından, geleneksel ardışık yaklaşım (SAR) analog-dijital dönüştürücüsü ile bir karşılaştırma var. Bir SAR dönüştürücü kullanarak, örnekleme ve tutma devresinin yardımı ile örnekleme gerçekleştirilebilir; bu, sistem tasarımcısının örnekleme anının zamanlamasını sıkıca kontrol etmesini sağlar. Öte yandan, üçgen integral dönüşüm sürekli bir örnekleme işlemi kullanır, bu nedenle örneklenen değer tanımlanmış bir tetikleme süresine sahip değildir. Tersine, zamandaki bu noktada örneklenen değer, bu örneklenmiş değerle temsil edilen zaman içindeki bu noktanın değerini kapsayabilecek bir dizi 1-bit örnek değerlerin ağırlıklı ortalamasıdır.
1 bitlik bir bit akışının filtrelenmesi ve daha düşük hızda çoklu bit akışlı örnek değerine çıkarılması iki farklı aşamada yapılabilir. Çok yaygın bir yaklaşım, her iki görevi de bir aşamada gerçekleştiren bir SINC filtresi kullanmaktır. Genellikle sinc3 olarak adlandırılan üçüncü derece, bu uygulamalar için şu anda en yaygın seçimdir.
Filtre, büyük ölçüde, dizinin ortasındaki örneklenen değerlere daha fazla ağırlık veren, dizinin başlangıcındaki ve sonundaki örneklenmiş değerlere daha az ağırlık veren, örneklenmiş bir değer penceresinin ağırlıklı bir toplamıdır. Güç transistörünün anahtarlama bileşeninin ölçüm akımındaki etkisi göz önüne alındığında, bu etkinin dikkate alınması gerekir, aksi takdirde geri besleme algoritması takma ve benzerlerinden etkilenir.
Sinc3 filtresinin darbe tepkisi, merkez örnek değerinden önce örnek değerinin katkısı ile simetriktir ve merkez örnek değeri, izleyen örnek değerle aynıdır. Akımın anahtarlama bileşeni ayrıca ortalama akım noktası boyunca simetriktir: böylece anahtarlama bileşenlerinin toplamı sıfır olur. Örnekleme penceresinin merkezi, H köprüsünü çalıştırmak için kullanılan PWM senkronizasyon darbesiyle aynı hizadaysa, faz akımının takma olmadan ölçülmesine izin verilir, ancak veri okunurken örnek değerlerin uygun şekilde hizalanmasına dikkat edilmelidir. Filtreden Filtreleme, PWM senkronizasyon darbesi kullanıldığında filtrenin örneklenen değer çıktısının önceki birkaç zaman diliminden oluşması için bir gecikme uygular. Bunun, SAR tabanlı akım ölçümleriyle karşılaştırıldığında yazılım programı programlaması üzerinde önemli bir etkisi var.
SAR durumunda, PWM senkronizasyon darbesi, bir dizi dönüşüm gerçekleştirmek için analog-dijital dönüştürücüyü tetikleyebilir. Veriler kontrol döngüsü için hazırlandığında, sistem bir kesinti oluşturur ve kontrol döngüsünü çalıştırmaya başlar. Bu örnek değerler bir delta-sigma modülatörü ve filtre kullanılarak sürekli olarak üretilir, ancak faz akımı ölçümleri için önemli numune değerleri sabit bir gecikmeden sonra hazır. Zamanlayıcılar veya sayıcılar, bir PWM senkronizasyon sinyali bulunduğunda bir kesme oluşturmak için kullanılmalıdır. Örnek değerlerin sayılmasındaki gecikme aslında sinc3 dürtü yanıtının yarısıdır.
Tipik bir kontrol sisteminde, PWM zamanlayıcısının sıfır sıra tutma etkisi dürtü yanıtının yarısından daha fazladır, bu nedenle SINC filtresi döngü zamanlamasını önemli ölçüde etkilemez. Bir delta-sigma modülatörü ve özel bir filtre kullanarak kullanıcı, örneklenmiş değer çözünürlüğü elde etmek için SINC filtre gecikmesini serbestçe değiştirebilir. Bu esneklik, motor kontrol algoritmaları tasarlanırken büyük bir avantajdır. Genellikle algoritmanın bazı kısımları gecikmeye duyarlıdır, ancak geri besleme doğruluğuna daha az duyarlıdır. Algoritmanın geri kalan kısmı daha düşük dinamiklerle birlikte kullanılır ve hassasiyetten yararlanır, ancak gecikmelere karşı daha az hassastır.
Orantılı bir integral denetleyici (PI) algoritması düşünün. P kısmı ve I bileşeni aynı geri besleme sinyalini kullanabilir. Bununla birlikte, P yolu ve I yolu ayrılabilir ve geri besleme sinyali, farklı filtreleme fonksiyonları ile birleştirilebilir. PI kontrol cihazında, P bileşeni esas olarak yük ve hızın hızlı değişim etkisini bastırmak için kullanılır. Bu nedenle, sinyal seviyelerindeki hızlı değişikliklere cevap verebilmesi gerekir. I bileşeni sabit durum performansına odaklanır ve ölçüm doğruluğuna daha fazla odaklanır. Bu nedenle, P bileşeni düşük çözünürlüklü, hızlı güncelleme oranlı bir akım geri besleme sinyalinden faydalanabilir; bu, sinc3 filtresinin düşük bir aşırı örnekleme ve decimation oranına sahip olduğu anlamına gelir. I bileşeni daha yüksek bir aşırı örnekleme oranından faydalanacak ve güncelleme oranındaki sonuçtaki artışa dayanabilir.
Büyük yükleri işleyen bir sistemde bir delta-sigma modülatörü kullanırken, göz önünde bulundurulması gereken başka bir faktörün de izolasyon olduğunu belirtmek önemlidir. Bir seçenek, yalnızca izolasyon yükselticisini kullanmak ve analogdan dijitale dönüştürme için izole edilmemiş bir modülatör kullanmak veya modülatör çıktısı ile dijital filtreleme için cihazın girişi arasına bir optocoupler yerleştirmektir. Alternatif olarak, izole edilmiş bir delta-sigma modülatörü seçilebilir. İzole bir modülatör kullanılarak, analog aşırı akım koruma devresi elimine edilebilir, çünkü dijital filtre aşırı akım etkilerini ortadan kaldırmak için yapılandırılabilir.
AD7403, bunun bir örneği olan Analog Aygıtlar tarafından sağlanır. İkinci dereceden bir modülatör uygulayarak, bu cihaz esnek şönt özelliklerinin seçilmesine izin verir ve 14 bitden fazla önemli bit ve 20 MHz'lik bir çıkış akış hızı sağlar. Uygun bir dijital filtre kullanılarak cihaz, saniyede 78.100 numunede 88dB'lik bir sinyal-gürültü oranına ulaşır. Bu izolasyon şeması şirketin iCoupler teknolojisini kullanır ve şirket tipik bir optocoupler düzenlemesinin performansını aştığını iddia eder.
Mikrodenetleyicilerin ve programlanabilir lojik cihazların izolasyonu ve artan filtreleme performansı gibi özelliklerin eklenmesi ile tasarımcılar robotik uygulamalar için motor kontrolünü optimize etmeye devam edebilirler.
Bir tıbbi cihaz motoru satın almak istiyorsanız, lütfen Hassas Tıbbi Motorlara dikkat edin.
