Los moduladores sigma-delta proporcionan retroalimentación mejorada para el control del motor

Las aplicaciones de robótica requieren un control preciso sobre los motores que impulsan muchas de las juntas de las máquinas. El sistema de control necesita saber dónde están posicionados los distintos brazos y actuadores para asegurar una operación confiable y segura. Las demandas de eficiencia también requieren mayor comprensión del movimiento del rotor dentro de la caja del motor en tiempo real.

Figura 1: Una cadena de señal de control del motor genérico.

Sin información sobre el ángulo del rotor, que es propenso a deslizamientos ante cargas elevadas, la electrónica del control puede suministrar demasiada corriente que simplemente se desperdiciará como calor. Para detectar la posición y el estado del rotor, una variable importante para el algoritmo de control es el nivel de corriente de bobinado del motor. Conceptualmente, esta es una variable de bajo costo y fácil de controlar, ya que simplemente involucra proporcionar un vínculo desde el motor hasta el circuito de control. Sin embargo, hay varias consideraciones necesarias para asegurar que esta señal sea lo más precisa posible. Los errores pueden generar una pérdida de capacidad para detectar la posición de manera precisa y un aumento no deseado en la energía desperdiciada.

Los sensores de corriente más comúnmente usados en el control de motores son resistores de derivación, sensores de efecto hall y transformadores de corriente. Los últimos dos proporcionan aislación, que es vital cuando se trata con altos niveles de potencia, aunque el costo total aumenta. Los circuitos de los resistores de derivación generalmente se limitarán a medir corrientes de 50 A o menos, pero tienen la ventaja de proporcionar la respuesta más lineal de todos los tipos de sensores, además de tener un costo menor. Además, son aptos para mediciones de CA y CC.

Al acoplar el resistor de derivación con un modulador sigma-delta, es posible alcanzar resultados precisos y sensibles. El muestreo sigma-delta y las técnicas de filtrado ayudan a hacer frente a los efectos del ruido transitorio y pueden admitir bien la resolución de más de 12 bits. Un ejemplo de un modulador sigma-delta diseñado para aplicaciones de instrumentación que incluyen control del motor es elTexas Instruments ADS1203 . El dispositivo es un modulador sigma-delta de un solo canal, de segundo orden diseñado para conversiones A/D de alta resolución en CC para el rango de frecuencia de 39 kHz. La salida del convertidor es un flujo de unos y ceros digitales; el tiempo promedio que es proporcional al voltaje de entrada analógica. Una ventaja clave del uso de una señal de modulador sigma-delta filtrada es que cambia las fuentes de cuantización y ruido transitorio a altas frecuencias, lo que lo hace fácil de filtrar con un filtro de paso bajo.

Figura 2: Un flujo de bits sigma-delta típico que responde a un cambio en el nivel de entrada analógica.

Al usar un modulador en lugar de un convertidor A/D completo, es posible que el diseñador mejore la filtración digital para adaptarse mejor a los requisitos de control del motor, lo que incluye una sincronización ajustada con los eventos de cambio del transistor dentro del circuito del puente H que le proporciona energía al motor en sí. El filtro solo se puede implementar utilizando un procesador de señal digital (DSP), microcontrolador o arreglo de puerta programable de campo (FPGA), según el costo y los objetivos de rendimiento. El uso de un filtro personalizado hace posible compensar la respuesta transitoria con la resolución de la muestra final. Una relación de sobremuestreo más alta conduce a una mayor precisión, pero a una velocidad de actualización de menor valor; disminuir el sobremuestreo reduce la resolución, pero esto permite una velocidad de actualización mayor.

Figura 3: Un bloque de modulador sigma-delta de segundo orden.

En términos de manipulación de datos, hay un contraste con los convertidores A/D de aproximación sucesiva convencional (SAR). Con un convertidor SAR, el muestreo se realiza con la ayuda de un circuito porta-muestra, que le da al diseñador del sistema estricto control de la sincronización del instante de muestreo. Por otro lado, la conversión sigma-delta emplea un proceso de muestreo continuo, por lo cual no hay un momento de disparo definido para la muestra. En cambio, la muestra en ese momento es una media ponderada de una serie de muestras de 1 bit que pueden traspasar el valor en el momento que representa la muestra.

La filtración y decimación del flujo de 1 bit a un flujo de muestras de varios bits de menor velocidad se pueden realizar en dos etapas distintas, pero un enfoque muy común es usar un filtro sincronizado que puede hacer ambas cosas en una etapa. Un tercer orden, frecuentemente llamado sinc³, actualmente es la opción más popular en estas aplicaciones.

El filtro es, en gran medida, una suma ponderada de una ventana de muestras que dan más importancia a las muestras del centro y menos a las muestras del comienzo y el final de la secuencia. Debido al impacto del componente de conmutación del transistor de potencia en las corrientes medidas, este efecto necesita tenerse en cuenta o el algoritmo de retroalimentación sufrirá efectos como el solapamiento.

La respuesta del impulso del filtro sinc³ es simétrica con el aporte de que las muestras delante de la muestra central con iguales a aquellas que le siguen. El componente de conmutación de la corriente también es simétrico alrededor del punto de corriente promedio: esto permite que el componente de conmutación sume a cero. Si el centro de la ventana de muestra está alineado con el pulso de sincronización PWM usado para impulsar el puente H, este permitirá que la corriente de fase se mida sin solapamiento; sin embargo, hay que tener cuidado al leer los datos del filtro para asegurarse de que la muestra esté alineada correctamente. El filtro impone un retraso tal que la salida de muestra del filtro en el momento del pulso de sincronización PWM será de un número de períodos anterior. En comparación con una medición de corriente basada en SAR, esto hace una diferencia en la programación de la rutina de software.

En el caso de SAR, el pulso de sincronización PWM dispara el convertidor A/D para realizar una serie de conversiones. Cuando los datos están listos para el bucle de control, se genera una interrupción y puede comenzar la ejecución del bucle de control. Con un modulador sigma-delta y un filtro, las muestras se producen continuamente, pero aquellas de interés para la medición de la corriente de fase estarán listas después de un retraso determinado. Se tiene que usar un temporizador o un contador para generar la interrupción una vez que está la señal de sincronización PWM. El retraso en términos de cantidad de muestras es efectivamente la mitad de la respuesta del impulso de sinc³.

Figura 4: La respuesta del impulso de un filtro sinc³.

En un sistema de control típico, el efecto de mantenimiento de orden cero del temporizador PWM excede por mucho la mitad de una respuesta del impulso, de modo que el filtro de sincronización no afecta el ritmo del bucle considerablemente. Con moduladores sigma-delta y filtros personalizados, el usuario puede cambiar libremente la latencia del filtro de sincronización para la resolución de la muestra. Esta flexibilidad es una ventaja cuando se trata del diseño de los algoritmos de control del motor. Generalmente, las partes del algoritmo son sensibles al retraso, pero menos sensibles a la precisión de la retroalimentación. Otras partes del algoritmo funcionan con dinámica más baja y se benefician de la precisión, pero son menos sensibles al retraso.

Figura 5: Captura del tiempo a una señal de sincronización PWM.

Considere un algoritmo de controlador proporcional-integral (PI). La parte P y los componentes I pueden funcionar con la misma señal de retroalimentación. Sin embargo, es posible separar el camino P y el camino I y usar señales de retroalimentación con distintos tipos de filtración. En un controlador PI, el enfoque principal del componente P es suprimir el efecto de los cambios rápidos en la carga y la velocidad. Por lo tanto, necesita ser capaz de responder a los cambios rápidos en el nivel de señal. El componente I se enfoca en el rendimiento de estado estacionario con un mayor énfasis en la precisión de la medición. En consecuencia, el componente P se puede beneficiar de una señal de retroalimentación de corriente con baja resolución, pero rápida velocidad de actualización, lo cual implica una relación menor de sobremuestreo y decimación para el filtro sinc³. El componente I se beneficiará de una relación mayor de sobremuestreo y puede soportar la caída resultante en la velocidad de actualización.

Una consideración adicional en el uso de moduladores sigma-delta, particularmente en sistemas que tratan con cargas más grandes, es la aislación. Una opción es simplemente usar un amplificador aislado y emplear un modulador no aislado para la conversión A/D, o colocar un optoacoplador entre la salida del modulador y la entrada del dispositivo utilizado para la filtración digital. Otra, es optar por un modulador sigma-delta aislado. Con un modulador aislado, es posible suministrar con circuitos de protección de sobrecorriente analógica, porque el filtro digital también se puede configurar para eliminar los efectos de las sobrecorrientes.

Un ejemplo de modulador aislado es el AD7403de Devices Analog. Al implementar un modulador de segundo orden, el dispositivo permite la selección del tamaño de la derivación flexible y proporciona una cantidad efectiva de bits de poco más de 14 bits y una velocidad de flujo de salida de 20 MHz. Con un filtro digital apropiado, el dispositivo puede alcanzar una relación señal-ruido de 88 dB a 78,1 k/muestra. El esquema de aislación utiliza la tecnología iCoupler, que según la empresa supera el rendimiento de los arreglos típicos de optoacopladores.

Gracias a incorporaciones como la aislación y el aumento en el rendimiento de la filtración disponibles en un creciente número de microcontroladores y dispositivos de lógica programable, los diseñadores pueden seguir optimizando el control del motor para las aplicaciones de robótica.