iCoupler 기술을 이용한 모터 제어 절연 설계

iCoupler 기술을 이용한 모터 제어 절연 설계

로봇 어플리케이션은 많은 기계 연결부를 구동하는 모터를 정밀하게 제어해야합니다. 제어 시스템은 안전하고 신뢰할 수있는 작동을 보장하기 위해 다양한 로봇 암 및 액추에이터의 위치 결정 위치를 알아야합니다. 효율적이기 위해서는 모터 하우징의 로터 동작에 대해 더 깊이 알아야합니다.

회 전자 각도에 대한 정보가 없으면 (높은 부하에서 쉽게 움직일 수 있음), 전자 컨트롤러는 너무 많은 전류를 공급할 수 있으며 이는 단순히 열에 의해 낭비됩니다. 위치 및 로터 상태를 감지하기 위해 제어 알고리즘의 중요한 변수는 모터 권선의 전류 레벨입니다. 개념적으로 이것은 모터에서 제어 회로로의 링크 만 제공하기 때문에 모니터링하기 쉬운 저가형 변수입니다. 그러나 신호가 가능한 한 정확하도록하기 위해 고려해야 할 많은 요소가 있습니다. 오류로 인해 위치가 부정확하게 검색되고 불필요한 에너지 소비가 증가 할 수 있습니다.

모터 제어에서 가장 일반적으로 사용되는 전류 센서는 션트 저항, 홀 효과 센서 및 전류 트랜스포머입니다. 후자의 두 장치는 격리 기능을 제공하지만 전체 전력 비용을 높이는 동시에 높은 전력을 처리 할 때 중요합니다. 션트 저항 회로는 일반적으로 50A 이하의 전류를 측정하도록 제한되지만 센서 유형 장치에서 가장 높은 응답 선형성과 저렴한 비용이라는 장점이 있습니다. 이 장치는 AC 및 DC 측정에도 적합합니다.

션트 저항을 델타 - 시그마 변조기에 연결하여 정확하고 민감한 결과를 얻을 수 있습니다. 삼각 적분 샘플링 및 필터링 기술은 일시적인 노이즈 효과를 억제하고 12 비트 분해능을 훨씬 능가하는 데 도움이됩니다. Texas Instruments의 ADS1203은 모터 제어를 포함한 계측 애플리케이션 용으로 설계된 델타 - 시그마 변조기입니다. 이 소자는 DC에서 39kHz까지 고해상도 아날로그 - 디지털 변환을 위해 설계된 단일 채널, 2 차 델타 - 시그마 변조기이다. 이 변환기의 출력은 시간 평균이 아날로그 입력 전압에 비례하는 일련의 숫자 1과 0입니다. 필터링 된 델타 - 시그마 변조기 신호를 사용하는 주요 이점은 양자화 노이즈 소스 및 과도 노이즈 소스를 고주파로 변환 할 수 있으므로 로우 패스 필터를 통해 필터링하는 것이 더 쉬워집니다.

완전한 아날로그 - 디지털 변환기 대신 변조기를 사용함으로써 설계자는 모터 제어 요구 사항을 가장 잘 충족 시키도록 디지털 필터링 성능을 조정할 수 있습니다. 이는 모터 자체에 전원을 공급하는 H- 브리지 회로의 트랜지스터 스위칭 이벤트와의 엄격한 동기화를 포함합니다. 필터 자체는 비용 및 성능 목표에 따라 DSP (Digital Signal Processor), 마이크로 컨트롤러 또는 FPGA (Field Programmable Gate Array)를 사용하여 구현할 수 있습니다. 사용자 정의 필터를 사용하면 과도 응답과 최종 샘플링 해상도 중에서 선택하는 것이 좋습니다. 오버 샘플링 속도가 높을수록 정확도가 높아지지만 업데이트 속도는 낮아집니다. 오버 샘플링을 줄이면 해상도가 감소하지만 재생 빈도는 높아집니다.

데이터 처리 측면에서 전통적인 SAR (successive approximation) 아날로그 - 디지털 변환기와의 비교가 있습니다. SAR 컨버터를 사용하면 시스템 설계자가 샘플링 시점을 엄격하게 제어 할 수있는 샘플 및 홀드 회로를 통해 샘플링을 수행 할 수 있습니다. 반면 삼각 적분 변환은 연속 샘플링 프로세스를 사용하므로 샘플링 된 값에 정의 된 트리거 시간이 없습니다. 반대로이 시점의 샘플 값은 샘플링 된 값으로 표시된이 시점의 값을 확장 할 수있는 일련의 1- 비트 샘플 값의 가중치 평균입니다.

1 비트 비트 스트림을 필터링하고이를 더 낮은 레이트의 다중 비트 스트림 샘플 값으로 추출하는 것은 2 개의 상이한 단계로 수행 될 수있다. 가장 보편적 인 방법은 한 단계에서 두 작업을 수행하는 SINC 필터를 사용하는 것입니다. 일반적으로 sinc3이라고하는 세 번째 순서는 현재 이러한 응용 프로그램에서 가장 일반적인 선택입니다.

필터는 크게 시퀀스의 중심에서 샘플링 된 값에 더 많은 가중치를주는 샘플링 된 값 윈도우의 가중 합계이며 시퀀스의 시작과 끝에서 샘플링 된 값에 더 적은 가중치를 부여합니다. 측정 전류에서 파워 트랜지스터의 스위칭 성분의 영향을 고려하여,이 효과를 고려할 필요가있다. 그렇지 않으면, 피드백 알고리즘은 에일리어싱 (aliasing) 등에 의해 영향을받을 것이다.

sinc3 필터의 임펄스 응답은 중심 샘플 값 이전의 샘플 값의 기여와 대칭이며 중앙 샘플 값은 그 다음 샘플 값과 동일합니다. 전류의 스위칭 성분은 또한 평균 전류 포인트를 따라 대칭이기 때문에 스위칭 성분의 합은 0이다. 샘플링 윈도우의 중심이 H- 브리지를 구동하는 데 사용 된 PWM 동기 펄스와 정렬되는 경우 위상 전류는 앨리어싱없이 측정 할 수 있지만 데이터를 읽을 때 샘플 값이 올바르게 정렬되도록주의해야합니다 필터에서. 필터링은 PWM 싱크 펄스가 사용될 때 필터의 샘플링 된 값 출력이 이전의 여러 시간 기간에서 나올 수 있도록 지연을 부과합니다. 이것은 SAR 기반 전류 측정에 비해 소프트웨어 프로그램 스케줄링에 중요한 영향을 미친다.

SAR의 경우 PWM 동기 펄스가 아날로그 - 디지털 변환기를 트리거하여 일련의 변환을 수행 할 수 있습니다. 제어 루프에 대한 데이터가 준비되면 시스템은 인터럽트를 생성하고 제어 루프 실행을 시작합니다. 이러한 샘플 값은 델타 - 시그마 모듈레이터 및 필터를 사용하여 연속적으로 생성되지만 위상 전류 측정을위한 중요한 샘플 값은 고정 된 지연 후에 준비됩니다. PWM 동기화 신호가있을 때 타이머 또는 카운터를 사용하여 인터럽트를 생성해야합니다. 샘플 값의 계산 지연은 실제로 sinc3 임펄스 응답의 절반입니다.

일반적인 제어 시스템에서 PWM 타이머의 0 차 홀드 효과는 임펄스 응답의 절반 이상을 차지하므로 SINC 필터는 루프 타이밍에 큰 영향을 미치지 않습니다. 델타 - 시그마 모듈레이터와 커스텀 필터를 이용함으로써, 사용자는 SINC 필터 딜레이를 자유롭게 스위칭하여 샘플링 된 값 분해능을 얻을 수 있습니다. 이러한 유연성은 모터 제어 알고리즘을 설계 할 때 큰 이점입니다. 일반적으로 알고리즘의 일부는 지연에 민감하지만 피드백의 정확도에 덜 민감합니다. 알고리즘의 나머지는 낮은 다이나믹 및 정확성의 이점과 함께 사용되지만 지연에 덜 민감합니다.

비례 적분 제어기 (PI) 알고리즘을 고려하십시오. P 부분과 I 구성 요소는 동일한 피드백 신호를 사용할 수 있습니다. 그러나, P 경로 및 I 경로는 분리 될 수 있고, 피드백 신호는 상이한 유형의 필터링 기능과 결합 될 수있다. PI 제어기에서 P 성분은 주로 하중과 속도의 급격한 변화 효과를 억제하는 데 사용됩니다. 따라서 신호 레벨의 급격한 변화에 대응할 수 있어야합니다. I 구성 요소는 정상 상태 성능에 중점을두고 측정 정확도에 더 중점을 둡니다. 따라서 P 구성 요소는 저해상도의 빠른 업데이트 속도 전류 피드백 신호로부터 이점을 얻을 수 있는데, 이는 sinc3 필터가 낮은 오버 샘플링 및 데시 메이션 속도를 갖는다는 것을 의미합니다. I 구성 요소는 높은 오버 샘플링 속도의 이점을 얻을 수 있으며 이로 인해 업데이트 속도가 증가 할 수 있습니다.

큰 부하를 처리하는 시스템에서 델타 - 시그마 변조기를 사용할 때 고려해야 할 또 다른 요소는 격리라는 점에 유의해야합니다. 하나의 옵션은 절연 증폭기만을 사용하고 아날로그 - 디지털 변환을 위해 절연되지 않은 모듈레이터를 사용하거나 변조기의 출력과 디지털 필터링을위한 디바이스의 입력 사이에 광 커플러를 배치하는 것입니다. 또는 분리 된 델타 - 시그마 변조기를 선택할 수 있습니다. 절연 된 변조기를 사용함으로써 과전류 효과를 제거하도록 디지털 필터를 구성 할 수 있기 때문에 아날로그 과전류 보호 회로를 제거 할 수 있습니다.

AD7403은 AnalogDevices에서 제공하고 있습니다. 2 차 모듈레이터를 구현함으로써이 소자는 션트 사양을 유연하게 선택할 수 있으며 14 비트 이상의 유효 비트와 20MHz의 출력 스트림 속도를 제공한다. 적절한 디지털 필터를 사용하여 78,100 샘플 / 초에서 88dB의 신호 대 잡음비를 달성합니다. 이 절연 방식은 회사의 iCoupler 기술을 사용하며, 회사는 일반적인 옵토 커플러 배열의 성능을 초과한다고 주장한다.

마이크로 컨트롤러 및 프로그래머블 로직 디바이스의 절연 및 증가하는 필터링 성능과 같은 기능을 추가함으로써 디자이너는 로봇 애플리케이션을위한 모터 제어를 계속 최적화 할 수 있습니다.

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