รูปแบบการแยกการควบคุมมอเตอร์โดยใช้เทคโนโลยี iCoupler

รูปแบบการแยกการควบคุมมอเตอร์โดยใช้เทคโนโลยี iCoupler

แอปพลิเคชั่นหุ่นยนต์ต้องการการควบคุมมอเตอร์ที่แม่นยำซึ่งขับเคลื่อนข้อต่อเครื่องจักรจำนวนมาก ระบบควบคุมจำเป็นต้องทราบตำแหน่งการวางแขนของแขนกลและแอคชูเอเตอร์ต่างๆเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานปลอดภัยและเชื่อถือได้ เพื่อให้มีประสิทธิภาพคุณจำเป็นต้องรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของโรเตอร์ในตัวเรือนมอเตอร์ในเชิงลึก

หากไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับมุมโรเตอร์ (ง่ายต่อการเลื่อนภายใต้แรงสูง) คอนโทรลเลอร์อิเล็กทรอนิกส์อาจให้กระแสไฟฟ้ามากเกินไปซึ่งสูญเสียไปโดยความร้อน เพื่อให้ทราบถึงตำแหน่งและสถานะของโรเตอร์ตัวแปรสำคัญของอัลกอริธึมควบคุมคือระดับปัจจุบันของขดลวดมอเตอร์ แนวคิดนี้เป็นตัวแปรราคาต่ำที่ง่ายต่อการตรวจสอบเพราะเกี่ยวข้องกับการให้ลิงก์จากมอเตอร์ไปยังวงจรควบคุมเท่านั้น อย่างไรก็ตามมีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณมีความถูกต้องมากที่สุด ข้อผิดพลาดอาจส่งผลให้การตรวจจับตำแหน่งไม่ถูกต้องและเพิ่มการใช้พลังงานที่ไม่จำเป็น

เซ็นเซอร์กระแสที่ใช้กันมากที่สุดในการควบคุมมอเตอร์คือตัวต้านทาน shunt, เซนเซอร์ Hall Effect และหม้อแปลงกระแส อุปกรณ์สองตัวหลังมีการแยกซึ่งในขณะที่การเพิ่มต้นทุนโดยรวมเป็นสิ่งสำคัญเมื่อจัดการกับพลังงานสูง โดยทั่วไปวงจรตัวต้านทานแบบแบ่งจะ จำกัด อยู่ที่การวัดกระแส 50A หรือน้อยกว่า แต่มีข้อได้เปรียบในการตอบสนองเชิงเส้นสูงสุดในอุปกรณ์ประเภทเซนเซอร์และค่าใช้จ่ายที่ต่ำกว่า อุปกรณ์เหล่านี้ยังเหมาะสำหรับการวัด AC และ DC

ผลลัพธ์ที่แม่นยำและละเอียดอ่อนสามารถทำได้โดยเชื่อมต่อตัวต้านทาน shunt เข้ากับตัวดัดแปลงเดลตาซิกม่า เทคนิคการสุ่มตัวอย่างและการกรองแบบสามเหลี่ยมที่เป็นรูปสามเหลี่ยมช่วยในการลดเอฟเฟกต์เสียงรบกวนชั่วคราวและรองรับความละเอียดสูงกว่า 12 บิต Texas Instruments 'ADS1203 เป็นตัวดัดแปลงเดลต้าซิกมาออกแบบมาสำหรับการใช้งานด้านเครื่องมือรวมถึงการควบคุมมอเตอร์ อุปกรณ์นี้เป็นตัวดัดแปลงเดลตา - ซิกม่าช่องทางลำดับที่สองที่ออกแบบมาสำหรับการแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอลความละเอียดสูงจาก DC เป็น 39kHz เอาท์พุทของตัวแปลงนี้เป็นชุดของตัวเลข 1 และ 0 ซึ่งเวลาเฉลี่ยเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าอินพุตแบบอะนาล็อก ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการใช้สัญญาณเดลตา - ซิกม่าโมเดอเรเตอร์ที่กรองแล้วคือแหล่งกำเนิดเสียงเชิงปริมาณและแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนชั่วคราวสามารถแปลงเป็นความถี่สูงทำให้ง่ายต่อการกรองผ่านตัวกรองความถี่ต่ำ

ด้วยการใช้โมดูเลเตอร์แทนตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลที่สมบูรณ์ผู้ออกแบบสามารถปรับประสิทธิภาพการกรองแบบดิจิทัลเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการควบคุมมอเตอร์ได้ดีที่สุด ซึ่งรวมถึงการซิงโครไนซ์ที่เข้มงวดกับเหตุการณ์การสลับทรานซิสเตอร์ในวงจร H-bridge ที่จ่ายพลังงานให้กับมอเตอร์เอง ตัวกรองสามารถดำเนินการได้โดยใช้ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล (DSP), ไมโครคอนโทรลเลอร์หรือเกทอาร์เรย์แบบตั้งโปรแกรมได้ (FPGA) ขึ้นอยู่กับเป้าหมายด้านต้นทุนและประสิทธิภาพ โดยการใช้ตัวกรองที่กำหนดเองจะเป็นการดีกว่าที่จะเลือกระหว่างการตอบสนองชั่วคราวและความละเอียดการสุ่มตัวอย่างสุดท้าย อัตรา oversampling ที่สูงขึ้นส่งผลให้ความแม่นยำสูงขึ้น แต่ส่งผลให้อัตราการอัปเดตค่าต่ำลง - ลดการ oversampling ลดความละเอียด แต่ให้อัตรารีเฟรชที่สูงขึ้น

ในแง่ของการประมวลผลข้อมูลมีการเปรียบเทียบกับตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลแบบประมาณต่อเนื่อง (SAR) แบบต่อเนื่อง ด้วยการใช้ตัวแปลง SAR การสุ่มตัวอย่างสามารถทำได้ด้วยความช่วยเหลือของวงจรตัวอย่างและค้างไว้ซึ่งช่วยให้ผู้ออกแบบระบบสามารถควบคุมจังหวะเวลาของการสุ่มตัวอย่างได้อย่างแน่นหนา ในทางกลับกันการแปลงอินทิกรัลสามเหลี่ยมใช้กระบวนการสุ่มตัวอย่างอย่างต่อเนื่องดังนั้นค่าตัวอย่างจะไม่มีเวลาทริกเกอร์ที่กำหนด ในทางกลับกันค่าตัวอย่าง ณ เวลานี้คือค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักของชุดค่าตัวอย่าง 1 บิตที่อาจขยายค่าของจุดนี้ในเวลาที่แสดงโดยค่าตัวอย่างนี้

การกรองบิตสตรีม 1 บิตและการแยกไปยังค่าตัวอย่างมัลติบิตสตรีมอัตราที่ต่ำกว่าสามารถทำได้ในสองขั้นตอนที่แตกต่างกัน วิธีการทั่วไปมากคือการใช้ตัวกรอง SINC ที่ดำเนินการทั้งสองงานในเฟสเดียว คำสั่งที่สามที่เรียกกันทั่วไปว่า sinc3 ปัจจุบันเป็นตัวเลือกที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันเหล่านี้

ตัวกรองส่วนใหญ่เป็นผลรวมถ่วงน้ำหนักของหน้าต่างค่าตัวอย่างที่ให้น้ำหนักมากขึ้นกับค่าตัวอย่างที่กึ่งกลางของลำดับในขณะที่ให้น้ำหนักน้อยลงกับค่าตัวอย่างที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของลำดับ ในมุมมองของอิทธิพลขององค์ประกอบการสลับของทรานซิสเตอร์พลังงานในการวัดกระแสผลกระทบนี้จำเป็นต้องได้รับการพิจารณามิฉะนั้นอัลกอริทึมข้อเสนอแนะจะได้รับผลกระทบจากนามแฝงและไม่ชอบ

การตอบสนองแบบอิมพัลส์ของตัวกรอง sinc3 นั้นมีความสมมาตรพร้อมกับการมีส่วนร่วมของค่าตัวอย่างก่อนค่าตัวอย่างกลางและค่าตัวอย่างกลางนั้นเหมือนกับค่าตัวอย่างที่ตามมา ส่วนประกอบสวิตชิ่งของกระแสไฟยังมีความสมมาตรตามจุดกระแสเฉลี่ย: เพื่อให้ผลรวมของส่วนประกอบสวิตชิ่งเป็นศูนย์ หากกึ่งกลางของหน้าต่างสุ่มตัวอย่างสอดคล้องกับพัลส์การซิงค์ PWM ที่ใช้ในการขับเคลื่อน H-bridge เฟสปัจจุบันจะได้รับอนุญาตให้วัดได้โดยไม่ต้องใช้นามแฝง แต่ต้องใช้ความระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าค่าตัวอย่างได้รับการจัดตำแหน่งอย่างเหมาะสมเมื่ออ่านข้อมูล จากตัวกรอง การกรองกำหนดความล่าช้าเพื่อให้ผลลัพธ์ค่าตัวอย่างของตัวกรองจะมาจากหลายช่วงเวลาก่อนหน้านี้เมื่อใช้พัลส์การซิงค์ PWM สิ่งนี้มีผลกระทบอย่างมากต่อการจัดตารางเวลาโปรแกรมซอฟต์แวร์เปรียบเทียบกับการวัดในปัจจุบันของ SAR

ในกรณีของ SAR, พัลส์การซิงค์ PWM สามารถเรียกใช้ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอลเพื่อทำการแปลงเป็นชุด เมื่อข้อมูลถูกเตรียมไว้สำหรับลูปควบคุมระบบจะสร้างอินเตอร์รัปต์และเริ่มดำเนินการลูปควบคุม ค่าตัวอย่างเหล่านี้สร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องโดยใช้ตัวดัดแปลงและตัวกรองเดลต้าซิกม่า แต่ค่าตัวอย่างที่สำคัญสำหรับการวัดกระแสเฟสจะพร้อมหลังจากการหน่วงเวลาคงที่ ควรใช้ตัวจับเวลาหรือตัวนับเพื่อสร้างการขัดจังหวะเมื่อมีสัญญาณซิงค์ PWM ความล่าช้าในการนับค่าตัวอย่างเป็นจริงครึ่งหนึ่งของการตอบสนองแรงกระตุ้น sinc3

ในระบบควบคุมทั่วไปผลของการจับเวลาแบบ zero-order ของตัวจับเวลา PWM นั้นมากกว่าครึ่งหนึ่งของการตอบสนองแบบอิมพัลส์ดังนั้นตัวกรอง SINC จึงไม่มีผลต่อการจับเวลาแบบลูป ด้วยการใช้ตัวปรับเปลี่ยนเดลต้าซิกม่าและตัวกรองแบบกำหนดเองผู้ใช้สามารถสลับการหน่วงเวลาตัวกรอง SINC ได้อย่างอิสระเพื่อรับการแก้ไขค่าตัวอย่าง ความยืดหยุ่นนี้เป็นข้อได้เปรียบที่ยิ่งใหญ่เมื่อออกแบบอัลกอริทึมการควบคุมมอเตอร์ โดยปกติบางส่วนของอัลกอริทึมจะมีความไวต่อการหน่วงเวลา แต่มีความไวต่อความถูกต้องของความคิดเห็นน้อย ส่วนที่เหลือของอัลกอริทึมจะใช้ร่วมกับการเปลี่ยนแปลงที่ลดลงและผลประโยชน์จากความแม่นยำ แต่มีความไวต่อความล่าช้าน้อยกว่า

พิจารณาอัลกอริธึมแบบควบคุมสัดส่วน (PI) ส่วน P และองค์ประกอบ I สามารถใช้สัญญาณตอบรับเดียวกัน อย่างไรก็ตามเส้นทาง P และเส้นทาง I สามารถแยกออกจากกันและสัญญาณความคิดเห็นสามารถรวมกับฟังก์ชั่นการกรองประเภทต่างๆ ในคอนโทรลเลอร์ PI ส่วนประกอบ P ส่วนใหญ่จะใช้เพื่อระงับผลการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของโหลดและความเร็ว ดังนั้นจึงจำเป็นต้องสามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงระดับสัญญาณอย่างรวดเร็ว ส่วนประกอบ I มุ่งเน้นไปที่ประสิทธิภาพการทำงานที่มั่นคงและเน้นความแม่นยำในการวัดมากขึ้น ดังนั้นส่วนประกอบ P สามารถได้รับประโยชน์จากสัญญาณตอบรับความละเอียดต่ำ, อัตราการอัพเดทอย่างรวดเร็ว, หมายความว่าฟิลเตอร์ sinc3 มีอัตราการสุ่มตัวอย่างและอัตราการทำลายล้างต่ำ องค์ประกอบ I จะได้รับประโยชน์จากอัตราการสุ่มตัวอย่างที่สูงขึ้นและสามารถทนต่อการเพิ่มขึ้นของอัตราการอัพเดทได้

เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องทราบว่าเมื่อใช้ตัวดัดแปลงเดลต้าซิกม่าในระบบที่จัดการโหลดขนาดใหญ่ปัจจัยอื่นที่ต้องพิจารณาคือการแยก ทางเลือกหนึ่งคือการใช้เฉพาะแอมพลิฟายเออร์แบบแยกและใช้มอดุเลเตอร์ไม่แยกสำหรับการแปลงแบบอะนาล็อกเป็นดิจิตอลหรือวางออปโตคัปเปลอร์ระหว่างเอาท์พุทโมดูเลเตอร์และอินพุตของอุปกรณ์สำหรับการกรองแบบดิจิตอล อีกทางเลือกหนึ่งตัวดัดแปลงเดลต้าซิกม่าสามารถเลือกได้ ด้วยการใช้ตัวดัดแปลงแบบแยกตัววงจรป้องกันกระแสเกินแบบอะนาล็อกสามารถถูกกำจัดได้เนื่องจากตัวกรองดิจิตอลสามารถกำหนดค่าเพื่อกำจัดเอฟเฟกต์กระแสเกินได้

AD7403 จัดทำโดย AnalogDevices ซึ่งเป็นตัวอย่างของสิ่งนี้ ด้วยการใช้มอดุลาร์อันดับสองอุปกรณ์นี้จะช่วยให้สามารถเลือกข้อมูลจำเพาะของการสับเปลี่ยนได้อย่างยืดหยุ่นและให้บิตที่มีนัยสำคัญมากกว่า 14 บิตและอัตราการส่งออก 20 MHz ด้วยการใช้ฟิลเตอร์ดิจิตอลที่เหมาะสมทำให้อุปกรณ์บรรลุอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนที่ 88dB ที่ 78,100 ตัวอย่าง / วินาที รูปแบบการแยกนี้ใช้เทคโนโลยี iCoupler ของ บริษัท และ บริษัท อ้างว่าเกินประสิทธิภาพของการจัดเรียง optocoupler ทั่วไป

ด้วยการเพิ่มคุณสมบัติเช่นการแยกและการเพิ่มประสิทธิภาพการกรองของไมโครคอนโทรลเลอร์และอุปกรณ์ลอจิกที่โปรแกรมได้ผู้ออกแบบสามารถทำการควบคุมมอเตอร์ให้เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานหุ่นยนต์

หากคุณต้องการซื้อมอเตอร์อุปกรณ์ทางการแพทย์โปรดใส่ใจกับ Precision Medical Motors