ICoupler 技術を用いたモータ制御分離方式

ロボットアプリケーションでは、多くの関節がマシンをドライブモーターの正確な制御を必要とします。制御システムは、さまざまなロボットアームと安全な運航を確保するためのアクチュエータの位置の位置を知っている必要があります。効率的により多くの深さでモーターのハウジングにロータ運動について詳しく知る必要があります。

(高負荷の下で滑りやすい) のローター角度の情報がない電子コントローラーは熱によって浪費されて単にあまりにも多くの電流を提供するかもしれません。位置と回転状態を検出、制御アルゴリズムの重要な変数はモータ巻線の現在レベルです。概念的には、それはのみ、モーターから制御回路へのリンクを提供することを含むので、監視しやすい低コスト変数です。ただし、可能な限り、信号を確実に正確に考慮する必要がある多くの要因があります。エラーは、場所と増加し、不必要なエネルギー消費量の不正確な検出で起因できます。

シャント抵抗器、ホール効果センサー電流トランス、モーターコントロールで最も一般的に使用される電流センサー。後者の 2 つのデバイスは、全体的なコストを増加させながら高エネルギーを取扱うとき重要である分離を提供します。シャント抵抗の回路は通常 50 a の電流を測定する限られたまたはより少しがセンサー型デバイスと低コストで感度の高い直線性を持つことの利点を持っています。これらのデバイスは、AC および DC の測定に適しています。

デルタ・シグマ変調器にシャント抵抗を結合することにより、正確な結果を実現できます。三角形の不可欠なサンプリングおよびフィルタリング技術過渡ノイズの影響を抑制し、12 ビットの分解能をはるかに上回るサポートを助けます。テキサス・インスツルメンツの ADS1203 は、モーター制御を含む計装アプリケーション用に設計されたデルタ・シグマ変調器です。このデバイスは、39 kHz に DC から高分解能アナログ-デジタル変換用に設計されたシングルチャンネル、2 次デルタ・シグマ変調器です。このコンバーターの出力は一連の 1 および 0 時間の平均はアナログ入力電圧に比例した数字です。フィルター処理されたデルタ-シグマ変調信号を使用しての主な利点は、量子化ノイズ源と非定常ノイズの発生源を高周波、低域通過フィルターによって除外しやすくに変換できることです。

変調器を使用すると、完全なアナログ-デジタル変換器ではなく、デザイナーは最高モーター制御の要件を満たすためにデジタルフィルタリングパフォーマンスを調整できます。これにより、イベントをモーター自体に電力を供給する H ブリッジ回路にスイッチングトランジスタと厳密な同期が含まれます。フィルター自体は、コストとパフォーマンスの目標に応じてデジタルシグナルプロセッサ (DSP)、マイクロコントローラー、またはフィールドプログラマブルゲートアレイ (FPGA) を使用して実装できます。カスタムフィルターを使用して、過渡応答と最終サンプリング分解能との間を選択することをお勧めします。高いオーバーサンプリングレートが高い精度で結果しかしより低い値の更新レート - オーバーサンプリングを減らすことで結果の解像度を減らすより高いリフレッシュレートを提供します。

データ処理の面では、従来の逐次近似 (SAR) アナログ-デジタル変換器との比較です。SAR のコンバーターを使用して、インスタントのサンプリングのタイミングを厳密に制御するシステムデザイナーを可能にするサンプル・ホールド回路を用いてサンプリングを実行できます。その一方で、三角形の積分変換は、サンプリングされた値に定義されているトリガー時間があるないように連続サンプリングプロセスを使用します。逆に、サンプリングされた値は、一連の 1 ビットのサンプル値このサンプリングされた値で表される時間のこのポイントの値をまたがる可能性がありますの加重平均値をこの時点でです。

1 ビットのビットストリームをフィルタリングと低い率マルチビットストリームのサンプル値を抽出することは 2 つの段階で行うことができます。非常に一般的なアプローチは、1 つのフェーズで両方のタスクを実行する SINC フィルターを使用します。通称 sinc3、三次は現在、これらのアプリケーションの最も一般的な選択肢です。

フィルターは、シーケンスのセンターでサンプリングされた値に始まりとシーケンスの最後にサンプリングされた値に以下の重量を与えている間より多くの重量を与えるサンプル値ウィンドウの主の加重合計です。現在の測定でパワートランジスタのスイッチングのコンポーネントの影響の点から見てこの効果は考慮する必要があります、エイリアスなどでそれ以外の場合フィードバックアルゴリズムを受けます。

Sinc3 フィルターのインパルス応答は中央のサンプルの値の前にサンプル値の貢献度の対称と中央のサンプルの値は次のサンプル値と同じ。電流のスイッチングのコンポーネントは現在の平均ポイントに沿って対称も:、スイッチコンポーネントの合計は 0 です。サンプリングウィンドウの中心は、H ブリッジをドライブするために使用 PWM 同期パルスに揃えられます、相電流がエイリアシングなしで測定できるが、フィルターからデータを読み取るときにサンプル値が正しく揃っていることを確認する注意する必要があります。できるようにフィルターのサンプリングされた値出力 PWM 同期パルスを使用するとき複数の前の期間から、遅延を課しているフィルタリングします。これは、SAR ベース電流測定と比較してソフトウェアプログラムスケジュールへの重要な影響をは。

SAR、場合、PWM 同期パルスは、アナログデジタルコンバーターに変換のシリーズを実行するをトリガーできます。制御ループのデータを準備システムは割り込みを生成し、制御ループの実行を開始します。これらのサンプル値は継続的にデルタ・シグマ変調器とフィルターを使用して生成されますが、準備の相電流測定の重要なサンプル値が固定の遅延の後。タイマーやカウンターは、PWM 同期信号が存在する場合は、割り込みを生成する使用する必要があります。サンプル値を数える際の遅延は実際に sinc3 インパルス応答の半分です。

典型的なコントロールシステムで PWM タイマーのゼロ次ホールド効果は、SINC フィルターループタイミングは大きく影響しませんのでインパルス応答の半分以上のものです。デルタ・シグマ変調器およびカスタムフィルターを活用することにより、ユーザーは自由にサンプリングされた値の解像度を取得する SINC フィルター遅延を切り替えることができます。この柔軟性は、モータ制御アルゴリズムを設計するときに大きな利点です。通常、アルゴリズムのいくつかの部分は遅延に敏感ですが、フィードバックの精度に敏感です。アルゴリズムの残りの部分は、遅延に敏感である下のダイナミクスと精度の恩恵と共に使用されます。

比例積分制御 (PI) アルゴリズムを検討してください。P 部分と私のコンポーネントは、同じフィードバック信号を使用できます。ただし、P パスと、パスを分離することができ、フィードバック信号フィルタリング関数の種類と組み合わせて使用できます。PI コントローラー P コンポーネントは、荷重および速度の急激な変化の影響を抑制するため主に使用されます。したがって、それは信号レベルの急速な変化に対応できるようにする必要があります。I 成分は定常状態性能に着目し、測定精度を一層重視。したがって、低解像度、高速の更新レート電流フィードバック信号、つまり sinc3 フィルターがオーバーサンプリングとデシメーション率が低い P コンポーネントを利用できます。I 成分はお越しの高いオーバーサンプリング率と更新率の増加に耐えることができます。

大きな負荷を処理するシステムで、デルタ・シグマ変調器を使用する場合を考慮するもう一つの要因は分離することが重要です。1 つのオプションは、絶縁増幅器のみを使用し非分離の変調器を使用して、アナログ-デジタル変換のためまたは変調器の出力とデジタルフィルタリングデバイスの入力光カプラーの場所です。また、孤立したデルタ・シグマ変調器を選択できます。孤立した変調器を使用して、アナログの過電流保護回路は過電流の影響を排除するために、ディジタルフィルターを構成もできますので排除できます。

AD7403 は、AnalogDevices、この例によって提供されます。二次変調器を実装すると、このデバイスはシャント仕様の柔軟に選択できるように、下位ビットの 14 ビット以上と 20 MHz の出力ストリームレートを提供します。適切なデジタルフィルターを活用することにより、デバイスはサンプル/秒 78,100 で 88dB の信号対雑音比を実現します。この分離方式を使用して、同社の iCoupler 技術と同社は主張する典型的なフォトカプラー配置のパフォーマンスを超えていること。

分離などの機能の追加、マイクロコントローラーやプログラマブルロジックデバイスの高性能化に伴いフィルターデザイナーはロボット用モータ制御の最適化を続行できます。

医療機器のモーターを購入する場合は、精密医療モータに注意を払ってください。