Průmyslové řízení pohybu pokrývá širokou škálu aplikací, od invertorového{0}}řízení ventilátorů nebo čerpadel, přes automatizaci továren se sofistikovanějším řízením střídavých pohonů až po pokročilé automatizační aplikace, jako je robotika s komplexním řízením servořízení. Tyto systémy vyžadují detekci a zpětnou vazbu mnoha proměnných, jako je proud nebo napětí vinutí motoru, proud nebo napětí stejnosměrné sběrnice, poloha rotoru a rychlost. Výběr proměnných a požadovaná přesnost měření závisí na požadavcích koncové{3}}aplikace, architektuře systému, ceně cílového systému nebo složitosti systému. Existují další aspekty, například funkce s přidanou hodnotou-, jako je sledování stavu. Vzhledem k tomu, že elektromotory údajně spotřebovávají 40 % světové elektřiny, mezinárodní předpisy zvýšily zaměření na účinnost systému napříč aplikacemi průmyslového pohybu (viz obrázek 1).
Obrázek 1. Rozsah aplikací průmyslových pohonů
Techniky detekce proudu a napětí v různých topologiích řídicího signálního řetězce motoru se liší v závislosti na jmenovitém výkonu motoru, požadavcích na výkon systému a koncové aplikaci. V tomto případě se implementace signálního řetězce řízení motoru liší podle výběru snímače, požadavků na proudovou izolaci, výběru ADC, systémové integrace a rozdělení napájení/země systému. Zatímco požadavky na izolaci mají obvykle významný dopad na topologii a architekturu konečného obvodu, tento dokument se zaměří na zlepšení měření detekce proudu (jako jednoho z ovlivňujících faktorů) pro dosažení účinnějšího systému řízení motoru.
Měření I a V
Zobecněný řetězec řídicích signálů motoru je znázorněn na obrázku 2. Úprava signálu pro dosažení vysoké-věrnosti měření není snadný úkol. Detekce fázového proudu je obzvláště náročná, protože tento uzel je připojen ke stejnému uzlu obvodu jako výstupy hradlového budiče v jádře invertorového modulu, a proto má stejné požadavky, pokud jde o izolaci napětí a zpracování spínacích přechodových jevů.
Obrázek 2. Zobecněný signální řetězec řízení motoru
Nejčastěji používanými proudovými snímači v řízení motoru jsou bočníkové rezistory, Hallovy snímače (HES) a proudové transformátory (CT). Ačkoli bočníkové rezistory neposkytují izolaci a způsobují ztráty, jsou ze všech snímačů nejlineárnější, mají nejnižší cenu a jsou vhodné pro měření střídavého i stejnosměrného proudu. Snížená úroveň signálu požadovaná k omezení ztrát bočníku typicky omezuje aplikace bočníků na 50 A nebo méně. CT a HES poskytují vlastní izolaci, což jim umožňuje sloužit systémům s vysokým proudem, ale jsou nákladnější kvůli nízké počáteční přesnosti nebo špatné teplotní přesnosti a vedou k řešením, která jsou méně přesná než ta, kterých lze dosáhnout pomocí bočníkových rezistorů. Kromě typů snímačů je na výběr několik uzlů pro měření proudu motoru (jak je znázorněno na obrázku 3), přičemž přímé měření vinutí ve fázi -je ideální volbou pro systémy s nejvyšším výkonem.
Obrázek 3. Izolovaná a neizolovaná proudová zpětná vazba motoru-
Existuje mnoho topologií pro snímání proudu motoru a mnoho faktorů, které je třeba vzít v úvahu, jako jsou náklady, spotřeba energie a úrovně výkonu, ale klíčovým cílem většiny systémových návrhářů je zlepšit účinnost v rámci jejich nákladových cílů.
Od HES po bočníkové rezistory
Boční odpory jsou propojeny s izolovanými sigma{0}}delta (Σ-Δ) modulátory, aby poskytovaly proudovou zpětnou vazbu nejvyšší kvality (dostatečně nízké úrovně proudu). Pro návrháře systémů existuje významný trend přejít od HES k bočníkovým odporům a další trend přejít k izolovaným modulátorům spíše než k metodám izolovaných zesilovačů. Když konstruktéři systémů nahrazují HES bočníkovými odpory, často volí izolační zesilovače a nadále používají ADC dříve používané v návrzích založených na HES-. v tomto případě bude výkon omezen izolačním zesilovačem bez ohledu na analogový-k-digitální výkon.
Nahrazením izolovaného zesilovače a ADC izolovaným sigma-delta modulátorem se odstraní problémové místo výkonu a výrazně se zlepší návrh, obvykle změnou z 9-bitové na 10bitovou hromadnou zpětnou vazbu na 12bitové úrovně. Analogové nadproudové ochranné obvody (OCP) lze také eliminovat, protože digitální filtry potřebné pro zpracování výstupů sigma-delta modulátoru lze také nakonfigurovat tak, aby umožňovaly rychlé smyčky OCP.
Dostupné modulátory Σ-Δ mohou mít rozdílový vstupní rozsah ±250 mV, kde se pro OCP používá plný rozsah ±320 mV, což je ideální pro měření odporového bočníku. Analogové vstupy jsou nepřetržitě vzorkovány analogovým modulátorem a vstupní informace jsou obsaženy v digitálním výstupním toku s datovou rychlostí až 20 MHz. Nezpracované informace lze rekonstruovat pomocí vhodných digitálních filtrů. Vzhledem k tomu, že konverzní výkon lze vyměňovat za zpoždění šířky pásma nebo banky filtrů, hrubší a rychlejší filtry mohou poskytnout rychlou odezvu OCP v řádu 2 μs, což je ideální pro ochranu IGBT.
Snížení velikosti bočníkového rezistoru
Z hlediska měření signálu existuje několik klíčových problémů při výběru bočníkového rezistoru, protože existuje kompromis-mezi citlivostí a spotřebou energie. Nelinearita způsobená-efekty vlastního zahřívání je také problémem při použití rezistorů s vyšší hodnotou. Konstruktéři se potýkají s kompromisy-, které jsou dále umocněny skutečností, že často je třeba zvolit velikost bočníku, aby posloužila mnoha modelům a motorům na různých úrovních proudu. Udržení dynamického rozsahu tváří v tvář špičkovým proudům, které mohou být několikanásobkem jmenovitého proudu motoru, a potřebě spolehlivě zachytit obojí je výzvou.
Tváří v tvář těmto výzvám hledají návrháři systémů vynikající sigma-delta modulátory s širším dynamickým rozsahem nebo vylepšeným poměrem signálu-k-šumu a zkreslení (SINAD). K dnešnímu dni nabízely izolované produkty modulátoru Σ-Δ garantovaný výkon s 16bitovým rozlišením a až 12 efektivními bity (ENOB).
Obrázek 4. AD7403 je vysoce-výkonný delta modulátor druhého-řádu sigma-Vysoce výkonný izolovaný modulátor Sigma Delta
Izolované sigma{1}}delta modulátory s vyšším-výkonem budou podporovat širokou škálu potřeb v návrzích řízení průmyslových motorů a zlepší energetickou účinnost motorových pohonů zmenšením velikosti bočníkového rezistoru. Příkladem průmyslu je modulátor AD7403 společnosti ADI (viz obrázek 4). Jedná se o další generaci AD7401A a nabízí širší dynamický rozsah při stejném externím taktovacím kmitočtu 20 MHz. Umožňuje flexibilnější možnosti dimenzování bočníku a umožňuje použití bočníkových rezistorů namísto HES při vyšších úrovních proudu. ENOB čipu je typicky 14,2 bitů. Dynamickou odezvu lze také zlepšit snížením zpoždění měření. Zařízení má také izolační schéma s vyšším napětím-v-nepřetržitém{15}}provozu (VIORM) než jeho předchůdce, což zlepšuje účinnost systému díky vyššímu napětí stejnosměrné sběrnice a nižším proudům.