نظام عزل التحكم في المحركات باستخدام تقنية iCoupler
تتطلب التطبيقات الآلية التحكم الدقيق في المحركات التي تدفع العديد من مفاصل الآلات. يحتاج نظام التحكم إلى معرفة مواقف تحديد المواقع لأسلحة الروبوت المختلفة والمحركات لضمان التشغيل الآمن والموثوق. لكي تكون فعالا ، تحتاج إلى معرفة المزيد عن الحركة الدوارة في السكن الحركي بمزيد من العمق.
بدون معلومات على زاوية الدوار (من السهل الانزلاق تحت الأحمال العالية) ، قد توفر وحدة التحكم في الإلكترونيات تيارًا كبيرًا جدًا ، والذي يتم إهداره ببساطة بواسطة الحرارة. من أجل الإحساس بالموضع وحالة الدوار ، فإن المتغير المهم لخوارزمية التحكم هو المستوى الحالي لملفات المحرك. من الناحية المفاهيمية ، هذا هو متغير منخفض التكلفة يسهل مراقبته لأنه ينطوي فقط على توفير رابط من المحرك إلى دائرة التحكم. ومع ذلك ، هناك العديد من العوامل التي يتعين النظر فيها لضمان أن تكون الإشارة دقيقة قدر الإمكان. قد تؤدي الأخطاء إلى اكتشاف غير دقيق للمواقع وزيادة استهلاك الطاقة غير الضروري.
أجهزة الاستشعار الحالية الأكثر استخداما في التحكم في المحركات هي مقاومات تحويلة ، وأجهزة استشعار تأثير هول والمحولات الحالية. يوفر الجهازان الأخيران العزلة ، والتي ، مع زيادة التكلفة الإجمالية ، أمر مهم عند التعامل مع الطاقة العالية. تقتصر دارات التحويلة المقاومة عادة على قياس التيارات 50A أو أقل ، ولكنها تتمتع بميزة وجود خطية أعلى للاستجابة في أجهزة من نوع أجهزة الاستشعار وتكلفة أقل. هذه الأجهزة مناسبة أيضًا لقياسات AC و DC.
يمكن تحقيق نتائج دقيقة وحساسة عن طريق اقتران المقاوم التحويلة لمغير دلتا-سيغما. تساعد تقنيات أخذ العينات والتصفية المتكامل الثلاثي على كبت تأثيرات الضوضاء العابرة ودعم أعلى من دقة 12 بت. تكساس ADS1203 هو جهاز محاكاة دلتا سيغما مصممة لتطبيقات الأجهزة بما في ذلك التحكم في المحركات. هذا الجهاز عبارة عن مُحَسِّن دلتا-سيغما من قناة واحدة ومصمم من أجل التحويل عالي التناظرية إلى الرقمية من DC إلى 39kHz. ناتج هذا المحول هو سلسلة من الأرقام 1 و 0 ومتوسط وقتها يتناسب مع جهد الدخل التناظري. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لاستخدام إشارة مُحَوِّل دلتا-سيغما المرشحة في إمكانية تحويل مصدر ضوضاء التكمية ومصدر الضوضاء العابر إلى ترددات عالية ، مما يسهل التصفية من خلال مرشح تمرير منخفض.
وباستخدام مُشَكِّل بدلاً من محوّل رقمي تناظري كامل ، يمكن للمصممين ضبط أداء التصفية الرقمية لتلبية متطلبات التحكم في المحركات على أفضل وجه. وهذا يشمل التزامن الصارم مع أحداث تبديل الترانزستور في دارة H-bridge التي تزود المحرك بالطاقة. يمكن تنفيذ المرشح نفسه باستخدام معالج الإشارة الرقمية (DSP) أو وحدة التحكم الدقيقة أو مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة الميدانية (FPGA) ، وفقًا لأهداف التكلفة والأداء. باستخدام مرشح مخصص ، من الأفضل أن تختار بين الاستجابة المؤقتة والدقة النهائية لأخذ العينات. يؤدي معدل الاستبدال العالي إلى دقة أعلى ، ولكن يؤدي إلى انخفاض معدل تحديث القيمة - يقلل تقليل الاستبدال من الدقة ولكنه يوفر معدل تحديث أعلى.
فيما يتعلق بمعالجة البيانات ، هناك مقارنة مع محول تناظري تقريبي تقليدي (SAR) تناظري إلى رقمي. باستخدام محول SAR ، يمكن إجراء أخذ العينات بمساعدة دارة عينة وعقد ، مما يسمح لمصمم النظام بالتحكم بإحكام في توقيت لحظة أخذ العينات. من ناحية أخرى ، يستخدم التحويل الثلاثي المثلثي عملية أخذ عينات مستمرة ، لذلك لا تحتوي قيمة العينة على وقت محدد للزناد. وعلى العكس من ذلك ، تمثل قيمة العينة في هذه النقطة الزمنية متوسطًا مرجحًا لسلسلة من قيم العينات 1 بت التي قد تمتد إلى قيمة هذه النقطة الزمنية التي تمثلها هذه القيمة التي تم أخذ عينات منها.
يمكن إجراء ترشيح لتدفق البتات بمعدل 1 بت واستخلاصه إلى قيمة نموذج متعدد البتات بمعدل أقل في مرحلتين مختلفتين. ومن الأساليب الشائعة جدًا استخدام فلتر SINC الذي يقوم بتنفيذ كلا المهمتين في مرحلة واحدة. يعتبر الترتيب الثالث ، والذي يشار إليه عادة باسم sinc3 ، الخيار الأكثر شيوعًا في الوقت الحالي لهذه التطبيقات.
ويكون المرشح إلى حد كبير عبارة عن مجموع مرجح لنافذة قيمة العينة التي تعطي وزناً أكبر لقيم العينة في مركز التسلسل ، مع إعطاء وزن أقل لقيم العينة في بداية التسلسل ونهايته. في ضوء تأثير عنصر التحويل في ترانزستور الطاقة في تيار القياس ، يجب أخذ هذا التأثير في الاعتبار ، وإلا ستتأثر خوارزمية الملاحظات بالتعرية وما شابه.
الاستجابة النبضية لمرشح sinc3 متناسقة مع مساهمة قيمة العينة قبل قيمة العينة المركزية ، وقيمة العينة المركزية هي نفس قيمة العينة التي تليها. يكون عنصر التحويل للتيار متناظرًا أيضًا على طول نقطة التيار المتوسط: بحيث يكون مجموع مكونات التحويل صفرًا. إذا تم محاذاة مركز نافذة أخذ العينات مع نبضة التزامن PWM المستخدمة لقيادة جسر H ، فسيتم قياس تيار الطور دون التعرج ، ولكن يجب توخي الحذر لضمان مطابقة قيم العينة بشكل صحيح عند قراءة البيانات من الفلتر. يفرض التصفية تأخيرًا بحيث يكون خرج قيمة العينة الخاص بالفلتر من عدة فترات زمنية سابقة عند استخدام نبضة التزامن PWM. هذا له تأثير كبير على جدولة برنامج البرمجيات مقارنة بالقياسات الحالية القائمة على SAR.
في حالة SAR ، يمكن لنبض التزامن PWM تشغيل المحول الرقمي إلى التناظري لإجراء سلسلة من التحويلات. عند إعداد البيانات لحلقة التحكم ، يقوم النظام بإنشاء مقاطعة ويبدأ تنفيذ حلقة التحكم. يتم توليد قيم العينة هذه بشكل مستمر باستخدام مُغيِّر دلتا-سيغما والمرشح ، ولكن قيم العينات المهمة لقياسات المرحلة الحالية تكون جاهزة بعد تأخير ثابت. يجب استخدام الموقتات أو العدادات لإنشاء مقاطعة عند وجود إشارة مزامنة PWM. التأخير في حساب قيم العينة هو في الواقع نصف الاستجابة النبضية sinc3.
في نظام التحكم النموذجي ، يكون تأثير الاحتفاظ بأثر الصفر لمؤقت PWM أكثر من نصف الاستجابة النبضية ، وبالتالي فإن مرشح SINC لا يؤثر بشكل كبير على توقيت الحلقة. من خلال استخدام مُحَوِّل دلتا سيغما وفلتر مخصص ، يمكن للمستخدم تبديل مهلة تصفية SINC بحرية للحصول على تحليل قيمة العينات. هذه المرونة هي ميزة كبيرة عند تصميم خوارزميات التحكم في المحركات. عادة ما تكون بعض أجزاء الخوارزمية حساسة للتأخير ولكنها أقل حساسية لدقة التغذية الراجعة. يتم استخدام بقية الخوارزمية بالاقتران مع ديناميكيات أقل وتستفيد من الدقة ولكنها أقل حساسية للتأخيرات.
خذ بعين الاعتبار خوارزمية تحكم تناسبي متكامل (PI). يمكن استخدام جزء P والمكون I للإشارة المرتجعة نفسها. ومع ذلك ، يمكن فصل مسار P والمسار I ويمكن دمج إشارة التعليقات مع أنواع مختلفة من وظائف الترشيح. في وحدة التحكم PI ، يتم استخدام المكون P بشكل رئيسي لمنع تأثير التغيير السريع للحمل والسرعة. لذلك ، يجب أن تكون قادرة على الاستجابة للتغيرات السريعة في مستويات الإشارة. يركز المكون I على أداء ثابت للدولة وأكثر تركيزًا على دقة القياس. لذلك ، يمكن أن يستفيد المكون P من إشارة رد الفعل الحالية منخفضة الدقة ، ومعدل التحديث السريع ، وهذا يعني أن مرشح sinc3 له معدل إفراط ومعدل هلاك منخفض. سوف يستفيد المكون I من معدل فائض أعلى ويمكن أن يتحمل الزيادة الناتجة في معدل التحديث.
من المهم ملاحظة أنه عند استخدام مُغيِّر دلتا-سيغما في نظام يتعامل مع الأحمال الكبيرة ، هناك عامل آخر يجب أخذه بعين الاعتبار هو العزل. يتمثل أحد الخيارات في استخدام مضخم العزلة فقط واستخدام مضخم غير معزول للتحويل الرقمي إلى التناظري ، أو وضع جهاز optocoupler بين خرج المشكِّل ومدخل الجهاز للتصفية الرقمية. بدلا من ذلك ، يمكن اختيار المغير دلتا سيغما المعزولة. باستخدام مُجسِّد معزول ، يمكن إزالة دارة حماية التيار الزائد التناظرية لأنه يمكن أيضًا تهيئة الفلتر الرقمي للتخلص من تأثيرات التيار الزائد.
يتم توفير AD7403 بواسطة AnalogDevices ، مثال على ذلك. وبتطبيق مُشَكِّل من الدرجة الثانية ، يسمح هذا الجهاز بالاختيار المرن لمواصفات التحويلة ويوفر أكثر من 14 بتة من البتات الهامة ومعدل تدفق خرج يبلغ 20 MHz. من خلال استخدام مرشح رقمي مناسب ، يحقق الجهاز نسبة إشارة إلى ضوضاء تبلغ 88dB عند 78100 عينة / ثانية. يستخدم مخطط العزل هذا تقنية iCoupler للشركة ، وتدعي الشركة أنها تتجاوز أداء ترتيب optocoupler النموذجي.
مع إضافة ميزات مثل العزلة وأداء التصفية المتزايد للميكروكنترولر والأجهزة المنطقية القابلة للبرمجة ، يمكن للمصممين مواصلة تحسين التحكم في المحركات للتطبيقات الآلية.
إذا كنت ترغب في شراء محرك طبي ، فالرجاء الانتباه إلى Precision Medical Motors.
