Esquema de aislamiento del control del motor mediante tecnología iCoupler
Las aplicaciones robóticas requieren un control preciso de los motores que impulsan muchas juntas de la máquina. El sistema de control necesita conocer las posiciones de posicionamiento de los diferentes brazos y actuadores del robot para garantizar un funcionamiento seguro y confiable. Para ser eficiente, necesita saber más sobre el movimiento del rotor en la carcasa del motor con mayor profundidad.
Sin información sobre el ángulo del rotor (fácil de deslizar bajo cargas elevadas), el controlador electrónico puede proporcionar demasiada corriente, que simplemente se desperdicia con el calor. Para detectar la posición y el estado del rotor, una variable importante del algoritmo de control es el nivel actual de los devanados del motor. Conceptualmente, esta es una variable de bajo costo que es fácil de monitorear porque solo implica proporcionar un enlace desde el motor al circuito de control. Sin embargo, hay muchos factores que deben considerarse para garantizar que la señal sea lo más precisa posible. Los errores pueden dar como resultado la detección inexacta de ubicaciones y un mayor consumo innecesario de energía.
Los sensores de corriente más utilizados en el control de motores son las resistencias de derivación, los sensores de efecto Hall y los transformadores de corriente. Los dos últimos dispositivos proporcionan aislamiento, lo que, a la vez que aumenta el costo general, es importante cuando se trata de alta potencia. Los circuitos de resistencia de derivación generalmente se limitan a medir corrientes de 50 A o menos, pero tienen la ventaja de tener la mayor linealidad de respuesta en dispositivos de tipo sensor y menor costo. Estos dispositivos también son adecuados para mediciones de CA y CC.
Se pueden lograr resultados precisos y sensibles al acoplar la resistencia de derivación al modulador delta-sigma. Las técnicas de muestreo y filtrado integrales triangulares ayudan a suprimir los efectos de ruido transitorio y admiten una resolución superior a 12 bits. El ADS1203 de Texas Instruments es un modulador delta-sigma diseñado para aplicaciones de instrumentación, incluido el control del motor. Este dispositivo es un modulador delta-sigma de segundo orden de un solo canal, diseñado para la conversión de analógico a digital de alta resolución de CC a 39 kHz. La salida de este convertidor es una serie de números 1 y 0 cuyo promedio de tiempo es proporcional al voltaje de entrada analógica. Una ventaja clave de utilizar una señal de modulador delta-sigma filtrada es que la fuente de ruido de cuantificación y la fuente de ruido transitorio se pueden convertir a altas frecuencias, lo que facilita el filtrado a través del filtro de paso bajo.
Al usar un modulador en lugar de un completo convertidor de analógico a digital, los diseñadores pueden ajustar el rendimiento del filtrado digital para cumplir mejor los requisitos de control del motor. Esto incluye una sincronización estricta con los eventos de conmutación de transistores en el circuito del puente H que suministra energía al propio motor. El filtro en sí puede implementarse utilizando un procesador de señal digital (DSP), un microcontrolador o una matriz de puerta programable de campo (FPGA), dependiendo de los objetivos de costo y rendimiento. Al utilizar un filtro personalizado, es mejor elegir entre la respuesta transitoria y la resolución de muestreo final. Una mayor tasa de sobremuestreo da como resultado una mayor precisión, pero da como resultado una tasa de actualización de menor valor, ya que la reducción del sobremuestreo reduce la resolución pero proporciona una mayor tasa de actualización.
En términos de procesamiento de datos, hay una comparación con un convertidor analógico-digital de aproximación sucesiva tradicional (SAR). Al usar un convertidor SAR, el muestreo se puede realizar con la ayuda de un circuito de muestreo y retención, que le permite al diseñador del sistema controlar estrechamente la sincronización del instante de muestreo. Por otro lado, la conversión integral triangular utiliza un proceso de muestreo continuo, por lo que el valor muestreado no tiene un tiempo de activación definido. A la inversa, el valor muestreado en este momento es un promedio ponderado de una serie de valores muestrales de 1 bit que pueden abarcar el valor de este punto en el tiempo representado por este valor muestreado.
El filtrado de un flujo de bits de 1 bit y su extracción a un valor de muestra de flujo de bits múltiples de velocidad más baja se puede realizar en dos fases diferentes. Un enfoque muy común es utilizar un filtro SINC que realice ambas tareas en una fase. El tercer orden, comúnmente conocido como sinc3, es actualmente la opción más común para estas aplicaciones.
El filtro es en gran parte una suma ponderada de una ventana de valor muestreado que otorga más peso a los valores muestreados en el centro de la secuencia, mientras que otorga menos peso a los valores muestreados al principio y al final de la secuencia. En vista de la influencia del componente de conmutación del transistor de potencia en la corriente de medición, este efecto debe considerarse, de lo contrario el algoritmo de realimentación se verá afectado por el aliasing y similares.
La respuesta de impulso del filtro sinc3 es simétrica con la contribución del valor de muestra anterior al valor de muestra central, y el valor de muestra central es el mismo que el valor de muestra que lo sigue. El componente de conmutación de la corriente también es simétrico a lo largo del punto de corriente promedio: de modo que la suma de los componentes de conmutación es cero. Si el centro de la ventana de muestreo está alineado con el pulso de sincronización PWM utilizado para conducir el puente H, la corriente de fase se puede medir sin aliasing, pero se debe tener cuidado para asegurar que los valores de la muestra estén alineados correctamente al leer los datos Del filtro. El filtrado impone un retraso, por lo que la salida del valor muestreado del filtro será de múltiples períodos de tiempo previos cuando se utilice el pulso de sincronización PWM. Esto tiene un impacto significativo en la programación de programas de software en comparación con las mediciones de corriente basadas en SAR.
En el caso de SAR, el pulso de sincronización PWM puede activar el convertidor analógico a digital para realizar una serie de conversiones. Cuando los datos se preparan para el bucle de control, el sistema genera una interrupción y comienza a ejecutar el bucle de control. Estos valores de muestra se generan continuamente mediante el uso de un modulador y filtro delta-sigma, pero los valores de muestra importantes para las mediciones de corriente de fase están listos después de un retraso fijo. Los temporizadores o contadores deben usarse para generar una interrupción cuando hay una señal de sincronización PWM presente. La demora en contar valores de muestra es en realidad la mitad de la respuesta de impulso sinc3.
En un sistema de control típico, el efecto de espera de orden cero del temporizador PWM es mucho más que la mitad de la respuesta de impulso, por lo que el filtro SINC no afecta significativamente la temporización del bucle. Al utilizar un modulador delta-sigma y un filtro personalizado, el usuario puede cambiar libremente el retardo del filtro SINC para obtener una resolución de valor muestreado. Esta flexibilidad es una gran ventaja al diseñar algoritmos de control de motores. Generalmente, algunas partes del algoritmo son sensibles al retraso, pero menos sensibles a la precisión de la retroalimentación. El resto del algoritmo se usa junto con una menor dinámica y beneficios de precisión, pero es menos sensible a los retrasos.
Considere un algoritmo de controlador integral proporcional (PI). La parte P y el componente I pueden usar la misma señal de realimentación. Sin embargo, la ruta P y la ruta I se pueden separar y la señal de realimentación se puede combinar con diferentes tipos de funciones de filtrado. En el controlador PI, el componente P se utiliza principalmente para suprimir el efecto de cambio rápido de la carga y la velocidad. Por lo tanto, debe ser capaz de responder a cambios rápidos en los niveles de señal. El componente I se centra en el rendimiento en estado estable y se centra más en la precisión de la medición. Por lo tanto, el componente P puede beneficiarse de una señal de realimentación de corriente de baja resolución y alta velocidad de actualización, lo que significa que el filtro sinc3 tiene una baja tasa de sobremuestreo y decimación. El componente I se beneficiará de una mayor tasa de sobremuestreo y puede soportar el aumento resultante en la tasa de actualización.
Es importante tener en cuenta que cuando se utiliza un modulador delta-sigma en un sistema que maneja grandes cargas, otro factor a considerar es el aislamiento. Una opción es usar solo el amplificador de aislamiento y usar un modulador no aislado para la conversión analógica a digital, o colocar un optoacoplador entre la salida del modulador y la entrada del dispositivo para el filtrado digital. Alternativamente, se puede seleccionar un modulador delta-sigma aislado. Al usar un modulador aislado, el circuito de protección de sobrecorriente analógico puede eliminarse porque el filtro digital también puede configurarse para eliminar los efectos de sobrecorriente.
El AD7403 es proporcionado por AnalogDevices, un ejemplo de esto. Al implementar un modulador de segundo orden, este dispositivo permite una selección flexible de especificaciones de derivación y proporciona más de 14 bits de bits significativos y una velocidad de flujo de salida de 20 MHz. Al utilizar un filtro digital apropiado, el dispositivo logra una relación señal / ruido de 88 dB a 78.100 muestras / segundo. Este esquema de aislamiento utiliza la tecnología iCoupler de la compañía, y la compañía afirma que supera el rendimiento de un arreglo típico de optoacoplador.
Con la adición de características como el aislamiento y el rendimiento de filtrado creciente de los microcontroladores y los dispositivos lógicos programables, los diseñadores pueden continuar optimizando el control del motor para aplicaciones robóticas.
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