Sơ đồ cách ly điều khiển động cơ bằng công nghệ iCoupler
Các ứng dụng robot yêu cầu điều khiển chính xác các động cơ điều khiển nhiều khớp máy. Hệ thống điều khiển cần biết vị trí định vị của các cánh tay và bộ truyền động robot khác nhau để đảm bảo hoạt động an toàn và đáng tin cậy. Để hiệu quả, bạn cần biết thêm về chuyển động của rôto trong vỏ động cơ ở độ sâu hơn.
Không có thông tin về góc rôto (dễ trượt dưới tải trọng cao), bộ điều khiển điện tử có thể cung cấp quá nhiều dòng điện, đơn giản là lãng phí nhiệt. Để cảm nhận vị trí và trạng thái rôto, một biến quan trọng của thuật toán điều khiển là mức hiện tại của cuộn dây động cơ. Về mặt khái niệm, đây là một biến có chi phí thấp, dễ theo dõi vì nó chỉ liên quan đến việc cung cấp một liên kết từ động cơ đến mạch điều khiển. Tuy nhiên, có nhiều yếu tố cần được xem xét để đảm bảo tín hiệu chính xác nhất có thể. Lỗi có thể dẫn đến việc phát hiện vị trí không chính xác và tăng mức tiêu thụ năng lượng không cần thiết.
Các cảm biến hiện tại được sử dụng phổ biến nhất trong điều khiển động cơ là điện trở shunt, cảm biến hiệu ứng Hall và máy biến dòng. Hai thiết bị sau cung cấp sự cách ly, trong khi, tăng chi phí tổng thể, rất quan trọng khi xử lý công suất cao. Mạch điện trở shunt thường bị giới hạn trong việc đo dòng điện từ 50A trở xuống, nhưng có ưu điểm là có độ phản ứng tuyến tính cao nhất trong các thiết bị loại cảm biến và chi phí thấp hơn. Các thiết bị này cũng phù hợp cho các phép đo AC và DC.
Kết quả chính xác và nhạy cảm có thể đạt được bằng cách ghép điện trở shunt với bộ điều chế delta-sigma. Các kỹ thuật lấy mẫu và lọc tích hợp hình tam giác giúp triệt tiêu các hiệu ứng nhiễu thoáng qua và hỗ trợ tốt hơn độ phân giải 12 bit. ADS1203 của Texas Cụ là một bộ điều biến delta-sigma được thiết kế cho các ứng dụng thiết bị bao gồm điều khiển động cơ. Thiết bị này là bộ điều chế delta-sigma đơn kênh thứ hai được thiết kế để chuyển đổi tương tự sang số có độ phân giải cao từ DC sang 39kHz. Đầu ra của bộ chuyển đổi này là một chuỗi các số 1 và 0 có trung bình thời gian tỷ lệ với điện áp đầu vào tương tự. Một lợi thế chính của việc sử dụng tín hiệu bộ điều chế delta-sigma được lọc là nguồn nhiễu lượng tử hóa và nguồn nhiễu tạm thời có thể được chuyển đổi thành tần số cao, giúp dễ dàng lọc qua bộ lọc thông thấp hơn.
Bằng cách sử dụng bộ điều biến thay vì bộ chuyển đổi tương tự sang số hoàn chỉnh, các nhà thiết kế có thể điều chỉnh hiệu suất lọc kỹ thuật số để đáp ứng tốt nhất các yêu cầu điều khiển động cơ. Điều này bao gồm đồng bộ hóa nghiêm ngặt với các sự kiện chuyển mạch bóng bán dẫn trong mạch cầu H cung cấp năng lượng cho chính động cơ. Bản thân bộ lọc có thể được thực hiện bằng bộ xử lý tín hiệu số (DSP), vi điều khiển hoặc mảng cổng lập trình trường (FPGA), tùy thuộc vào mục tiêu chi phí và hiệu suất. Bằng cách sử dụng bộ lọc tùy chỉnh, tốt hơn là chọn giữa phản hồi thoáng qua và độ phân giải lấy mẫu cuối cùng. Tỷ lệ quá khổ cao hơn dẫn đến độ chính xác cao hơn, nhưng dẫn đến tốc độ cập nhật giá trị thấp hơn - giảm quá khổ làm giảm độ phân giải nhưng cung cấp tốc độ làm mới cao hơn.
Về mặt xử lý dữ liệu, có một so sánh với bộ chuyển đổi tương tự sang số gần đúng kế tiếp (SAR) truyền thống. Bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi SAR, việc lấy mẫu có thể được thực hiện với sự trợ giúp của mạch giữ mẫu, cho phép người thiết kế hệ thống kiểm soát chặt chẽ thời gian lấy mẫu ngay lập tức. Mặt khác, chuyển đổi tích phân tam giác sử dụng quy trình lấy mẫu liên tục, do đó giá trị được lấy mẫu không có thời gian kích hoạt xác định. Ngược lại, giá trị được lấy mẫu tại thời điểm này là trung bình có trọng số của một chuỗi các giá trị mẫu 1 bit có thể kéo dài giá trị của thời điểm này được biểu thị bằng giá trị được lấy mẫu này.
Lọc một dòng bit 1 bit và trích xuất nó thành giá trị mẫu đa dòng có tốc độ thấp hơn có thể được thực hiện theo hai giai đoạn khác nhau. Một cách tiếp cận rất phổ biến là sử dụng bộ lọc SINC thực hiện cả hai tác vụ trong một pha. Lệnh thứ ba, thường được gọi là chân3, hiện là lựa chọn phổ biến nhất cho các ứng dụng này.
Bộ lọc phần lớn là tổng trọng số của cửa sổ giá trị được lấy mẫu, mang lại nhiều trọng số hơn cho các giá trị được lấy mẫu ở trung tâm của chuỗi, đồng thời giảm trọng lượng cho các giá trị được lấy mẫu ở đầu và cuối chuỗi. Theo quan điểm về ảnh hưởng của thành phần chuyển mạch của bóng bán dẫn điện trong dòng đo, hiệu ứng này cần được xem xét, nếu không, thuật toán phản hồi sẽ bị ảnh hưởng bởi răng cưa và tương tự.
Đáp ứng xung của bộ lọc chân 3 đối xứng với sự đóng góp của giá trị mẫu trước giá trị mẫu trung tâm và giá trị mẫu trung tâm giống như giá trị mẫu theo sau nó. Thành phần chuyển mạch của dòng điện cũng đối xứng dọc theo điểm dòng trung bình: sao cho tổng các thành phần chuyển mạch bằng không. Nếu tâm của cửa sổ lấy mẫu được căn chỉnh với xung đồng bộ hóa PWM được sử dụng để điều khiển cầu H, thì dòng pha được phép đo mà không có răng cưa, nhưng phải cẩn thận để đảm bảo các giá trị mẫu được căn chỉnh chính xác khi đọc dữ liệu từ bộ lọc. Lọc áp đặt độ trễ để đầu ra giá trị được lấy mẫu của bộ lọc sẽ từ nhiều khoảng thời gian trước đó khi sử dụng xung đồng bộ hóa PWM. Điều này có tác động đáng kể đến việc lập lịch trình chương trình phần mềm so với các phép đo hiện tại dựa trên SAR.
Trong trường hợp SAR, xung đồng bộ hóa PWM có thể kích hoạt bộ chuyển đổi tương tự sang số để thực hiện một loạt các chuyển đổi. Khi dữ liệu được chuẩn bị cho vòng điều khiển, hệ thống sẽ tạo ra một ngắt và bắt đầu thực hiện vòng điều khiển. Các giá trị mẫu này được tạo liên tục bằng cách sử dụng bộ điều chế và bộ lọc delta-sigma, nhưng các giá trị mẫu quan trọng cho các phép đo dòng pha đã sẵn sàng sau một độ trễ cố định. Bộ hẹn giờ hoặc bộ đếm nên được sử dụng để tạo ra ngắt khi có tín hiệu đồng bộ hóa PWM. Độ trễ trong việc đếm các giá trị mẫu thực sự là một nửa của đáp ứng xung động3.
Trong một hệ thống điều khiển thông thường, hiệu ứng giữ không thứ tự của bộ định thời PWM là hơn một nửa đáp ứng xung, do đó bộ lọc SINC không ảnh hưởng đáng kể đến thời gian vòng lặp. Bằng cách sử dụng bộ điều chế delta-sigma và bộ lọc tùy chỉnh, người dùng có thể tự do chuyển đổi độ trễ của bộ lọc SINC để có được độ phân giải giá trị được lấy mẫu. Tính linh hoạt này là một lợi thế lớn khi thiết kế các thuật toán điều khiển động cơ. Thông thường một số phần của thuật toán nhạy cảm với độ trễ nhưng ít nhạy cảm hơn với độ chính xác của phản hồi. Phần còn lại của thuật toán được sử dụng cùng với động lực học thấp hơn và lợi ích từ độ chính xác nhưng ít nhạy cảm hơn với độ trễ.
Hãy xem xét một thuật toán bộ điều khiển tích phân tỷ lệ (PI). Phần P và thành phần I có thể sử dụng cùng một tín hiệu phản hồi. Tuy nhiên, đường dẫn P và đường dẫn I có thể được tách ra và tín hiệu phản hồi có thể được kết hợp với các loại chức năng lọc khác nhau. Trong bộ điều khiển PI, thành phần P chủ yếu được sử dụng để triệt tiêu hiệu ứng thay đổi nhanh chóng của tải và tốc độ. Do đó, nó cần có khả năng đáp ứng với những thay đổi nhanh chóng về mức tín hiệu. Thành phần I tập trung vào hiệu suất trạng thái ổn định và tập trung nhiều hơn vào độ chính xác của phép đo. Do đó, thành phần P có thể được hưởng lợi từ tín hiệu phản hồi hiện tại có độ phân giải thấp, tốc độ cập nhật nhanh, có nghĩa là bộ lọc chân số 3 có tốc độ quá khổ và số thập phân thấp. Thành phần I sẽ được hưởng lợi từ tỷ lệ quá khổ cao hơn và có thể chịu được sự gia tăng tỷ lệ cập nhật.
Điều quan trọng cần lưu ý là khi sử dụng bộ điều chế delta-sigma trong một hệ thống xử lý tải lớn, một yếu tố khác cần xem xét là sự cô lập. Một tùy chọn là chỉ sử dụng bộ khuếch đại cách ly và sử dụng bộ điều biến không cách ly để chuyển đổi tương tự sang số hoặc đặt bộ ghép quang giữa đầu ra của bộ điều biến và đầu vào của thiết bị để lọc kỹ thuật số. Ngoài ra, một bộ điều biến delta-sigma bị cô lập có thể được chọn. Bằng cách sử dụng một bộ điều biến riêng biệt, mạch bảo vệ quá dòng tương tự có thể được loại bỏ vì bộ lọc kỹ thuật số cũng có thể được cấu hình để loại bỏ các hiệu ứng quá dòng.
AD7403 được cung cấp bởi AnalogDevices, một ví dụ về điều này. Bằng cách triển khai bộ điều biến bậc hai, thiết bị này cho phép lựa chọn linh hoạt các thông số kỹ thuật shunt và cung cấp hơn 14 bit bit đáng kể và tốc độ luồng đầu ra là 20 MHz. Bằng cách sử dụng bộ lọc kỹ thuật số phù hợp, thiết bị đạt được tỷ lệ tín hiệu / nhiễu là 88dB ở mức 78.100 mẫu / giây. Sơ đồ cách ly này sử dụng công nghệ iCoupler của công ty và công ty tuyên bố rằng nó vượt quá hiệu suất của sự sắp xếp bộ ghép quang điển hình.
Với việc bổ sung các tính năng như cách ly và tăng hiệu suất lọc của vi điều khiển và các thiết bị logic lập trình, các nhà thiết kế có thể tiếp tục tối ưu hóa điều khiển động cơ cho các ứng dụng robot.
Nếu bạn muốn mua một động cơ thiết bị y tế, xin vui lòng chú ý đến Precision Medical Motors.
