Schéma d'isolation du contrôle moteur utilisant la technologie iCoupler
Les applications robotiques nécessitent un contrôle précis des moteurs qui entraînent de nombreux joints de machine. Le système de contrôle doit connaître les positions de positionnement des différents bras et actionneurs du robot pour garantir un fonctionnement sûr et fiable. Pour être efficace, vous devez en savoir plus sur le mouvement du rotor dans le carter du moteur.
Sans information sur l'angle du rotor (facile à faire glisser sous des charges élevées), le contrôleur électronique peut fournir trop de courant, qui est simplement gaspillé par la chaleur. Afin de détecter la position et l'état du rotor, le niveau actuel des enroulements du moteur est une variable importante de l'algorithme de commande. Sur le plan conceptuel, il s’agit d’une variable peu coûteuse et facile à surveiller car elle consiste uniquement à établir une liaison entre le moteur et le circuit de commande. Cependant, de nombreux facteurs doivent être pris en compte pour que le signal soit aussi précis que possible. Les erreurs peuvent entraîner une détection inexacte des emplacements et une augmentation de la consommation d'énergie inutile.
Les capteurs de courant les plus couramment utilisés dans la commande de moteur sont les résistances shunt, les capteurs à effet Hall et les transformateurs de courant. Ces deux derniers périphériques fournissent une isolation qui, tout en augmentant le coût global, est importante pour les applications à forte puissance. Les circuits à résistance shunt sont généralement limités à des courants de mesure de 50 A ou moins, mais présentent l'avantage de présenter la réponse en linéarité la plus élevée dans des dispositifs de type capteur et un coût inférieur. Ces appareils conviennent également aux mesures en courant alternatif et continu.
Des résultats précis et sensibles peuvent être obtenus en couplant la résistance shunt au modulateur delta-sigma. Les techniques d'échantillonnage et de filtrage intégrales triangulaires aident à supprimer les effets de bruit transitoires et à prendre en charge une résolution supérieure à 12 bits. L'ADS1203 de Texas Instruments est un modulateur delta-sigma conçu pour les applications d'instrumentation, y compris la commande de moteur. Cet appareil est un modulateur delta-sigma de second ordre monocanal conçu pour la conversion analogique-numérique haute résolution de CC à 39 kHz. La sortie de ce convertisseur est une série de nombres 1 et 0 dont la moyenne temporelle est proportionnelle à la tension d'entrée analogique. L’utilisation d’un signal modulateur delta-sigma filtré présente l’un des principaux avantages: la source de bruit de quantification et la source de bruit transitoire peuvent être converties en hautes fréquences, ce qui facilite le filtrage à travers le filtre passe-bas.
En utilisant un modulateur au lieu d'un convertisseur analogique-numérique complet, les concepteurs peuvent ajuster les performances de filtrage numérique pour répondre au mieux aux exigences de contrôle du moteur. Cela inclut une synchronisation stricte avec les événements de commutation de transistor dans le circuit en pont en H qui alimente le moteur lui-même. Le filtre lui-même peut être mis en œuvre à l'aide d'un processeur de signal numérique (DSP), d'un microcontrôleur ou d'un réseau de portes programmables sur site (FPGA), en fonction des objectifs de coût et de performance. En utilisant un filtre personnalisé, il est préférable de choisir entre la réponse transitoire et la résolution d'échantillonnage finale. Un taux de suréchantillonnage plus élevé se traduit par une précision supérieure, mais un taux de mise à jour des valeurs plus faible. Réduire le suréchantillonnage réduit la résolution mais offre un taux de rafraîchissement plus élevé.
En termes de traitement de données, il existe une comparaison avec un convertisseur analogique-numérique à approximation successive (SAR) classique. En utilisant un convertisseur SAR, l'échantillonnage peut être effectué à l'aide d'un échantillonneur-bloqueur, ce qui permet au concepteur du système de contrôler avec précision le minutage de l'instant d'échantillonnage. D'autre part, la conversion intégrale triangulaire utilise un processus d'échantillonnage continu, de sorte que la valeur échantillonnée n'a pas de temps de déclenchement défini. Inversement, la valeur échantillonnée à ce moment-là est une moyenne pondérée d'une série de valeurs d'échantillons à 1 bit pouvant couvrir la valeur de ce moment représenté par cette valeur échantillonnée.
Le filtrage d'un train de bits à 1 bit et son extraction pour obtenir une valeur d'échantillon à flux de bits multiples plus faible peuvent être effectués en deux phases différentes. Une approche très courante consiste à utiliser un filtre SINC qui effectue les deux tâches en une seule phase. Le troisième ordre, communément appelé sinc3, est actuellement le choix le plus courant pour ces applications.
Le filtre est en grande partie une somme pondérée d'une fenêtre de valeurs échantillonnées qui donne plus de poids aux valeurs échantillonnées au centre de la séquence, tout en accordant moins de poids aux valeurs échantillonnées au début et à la fin de la séquence. Compte tenu de l'influence du composant de commutation du transistor de puissance sur le courant de mesure, cet effet doit être pris en compte, sinon l'algorithme de réaction sera affecté par un repliement du spectre, etc.
La réponse impulsionnelle du filtre sinc3 est symétrique à la contribution de la valeur de l'échantillon avant la valeur de l'échantillon central et la valeur de l'échantillon central est identique à la valeur de l'échantillon qui la suit. La composante de commutation du courant est également symétrique par rapport au point de courant moyen: la somme des composantes de commutation est donc nulle. Si le centre de la fenêtre d'échantillonnage est aligné sur l'impulsion de synchronisation PWM utilisée pour piloter le pont en H, le courant de phase peut être mesuré sans repliement, mais vous devez veiller à ce que les valeurs de l'échantillon soient correctement alignées lors de la lecture des données. du filtre. Le filtrage impose un délai de sorte que la sortie de valeur échantillonnée du filtre provienne de plusieurs périodes précédentes lorsque l'impulsion de synchronisation PWM est utilisée. Ceci a un impact significatif sur la planification des programmes logiciels par rapport aux mesures de courant basées sur le SAR.
Dans le cas du SAR, l'impulsion de synchronisation PWM peut déclencher une série de conversions du convertisseur analogique-numérique. Lorsque les données sont préparées pour la boucle de contrôle, le système génère une interruption et commence à exécuter la boucle de contrôle. Ces valeurs d'échantillons sont générées en continu à l'aide d'un modulateur delta-sigma et d'un filtre, mais des valeurs d'échantillons importantes pour les mesures de courant de phase sont prêtes après un délai fixe. Les minuteries ou les compteurs doivent être utilisés pour générer une interruption lorsqu'un signal de synchronisation PWM est présent. Le retard dans le comptage des valeurs d'échantillon correspond en réalité à la moitié de la réponse impulsionnelle sinc3.
Dans un système de contrôle typique, l'effet de maintien d'ordre zéro du temporisateur PWM correspond à beaucoup plus que la moitié de la réponse impulsionnelle, de sorte que le filtre SINC n'affecte pas de manière significative le minutage de la boucle. En utilisant un modulateur delta-sigma et un filtre personnalisé, l'utilisateur peut librement changer le délai du filtre SINC pour obtenir une résolution de la valeur échantillonnée. Cette flexibilité est un avantage considérable lors de la conception d’algorithmes de contrôle moteur. Généralement, certaines parties de l’algorithme sont sensibles au retard mais moins à l’exactitude du retour. Le reste de l'algorithme est utilisé avec une dynamique plus basse et bénéficie de la précision mais est moins sensible aux retards.
Considérons un algorithme de contrôleur proportionnel intégral (PI). La partie P et la composante I peuvent utiliser le même signal de retour. Cependant, les chemins P et I peuvent être séparés et le signal de retour peut être combiné à différents types de fonctions de filtrage. Dans le contrôleur PI, la composante P est principalement utilisée pour supprimer l'effet de changement rapide de la charge et de la vitesse. Par conséquent, il doit pouvoir réagir aux changements rapides des niveaux de signal. Le composant I est axé sur les performances en régime permanent et davantage sur la précision des mesures. Par conséquent, la composante P peut bénéficier d'un signal de retour de courant à faible résolution et taux de mise à jour rapide, ce qui signifie que le filtre sinc3 a un faible taux de suréchantillonnage et de décimation. La composante I bénéficiera d'un taux de suréchantillonnage plus élevé et peut résister à l'augmentation du taux de mise à jour qui en résulte.
Il est important de noter que lors de l'utilisation d'un modulateur delta-sigma dans un système prenant en charge des charges importantes, un autre facteur à prendre en compte est l'isolement. Une option consiste à utiliser uniquement l'amplificateur d'isolation et à utiliser un modulateur non isolé pour la conversion analogique-numérique, ou à placer un optocoupleur entre la sortie du modulateur et l'entrée du dispositif pour le filtrage numérique. Alternativement, un modulateur delta-sigma isolé peut être sélectionné. En utilisant un modulateur isolé, le circuit de protection analogique contre les surintensités peut être éliminé car le filtre numérique peut également être configuré pour éliminer les effets de surintensité.
L'AD7403 est fourni par AnalogDevices, un exemple. En mettant en œuvre un modulateur de second ordre, ce dispositif permet une sélection flexible des spécifications de shunt et fournit plus de 14 bits de bits significatifs et un débit de sortie de 20 MHz. En utilisant un filtre numérique approprié, le dispositif atteint un rapport signal sur bruit de 88 dB à 78 100 échantillons / seconde. Ce schéma d'isolation utilise la technologie iCoupler de la société, qui prétend dépasser les performances d'un système optocoupleur typique.
Grâce à l'ajout de fonctionnalités telles que l'isolation et les performances de filtrage croissantes des microcontrôleurs et des dispositifs à logique programmable, les concepteurs peuvent continuer à optimiser le contrôle moteur pour les applications robotiques.
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