Промышленное управление движением охватывает широкий спектр приложений: от инверторного-управления вентиляторами или насосами до автоматизации производства с более сложным управлением приводом переменного тока и передовых приложений автоматизации, таких как робототехника со сложным сервоуправлением. Эти системы требуют обнаружения и обратной связи по многим переменным, таким как ток или напряжение обмотки двигателя, ток или напряжение шины постоянного тока, положение и скорость ротора. Выбор переменных и требуемая точность измерений зависят от требований конечного-приложения, архитектуры системы, стоимости целевой системы или ее сложности. Есть и другие соображения, например дополнительные функции,-например, мониторинг состояния. Поскольку электродвигатели, как сообщается, потребляют 40% электроэнергии в мире, международные нормы усилили внимание к эффективности систем в приложениях промышленного движения (см. Рисунок 1).
Рисунок 1. Область применения промышленных приводов
Методы обнаружения тока и напряжения в различных топологиях цепей сигналов управления двигателем различаются в зависимости от номинальной мощности двигателя, требований к производительности системы и конечного приложения. В этом случае реализация цепочки сигналов управления двигателем зависит от выбора датчика, требований к изоляции тока, выбора АЦП, системной интеграции и разделения питания/земли системы. Хотя требования к изоляции обычно оказывают значительное влияние на конечную топологию и архитектуру схемы, в данной статье основное внимание будет уделено улучшению измерения тока (как одного из влияющих факторов) для достижения более эффективной системы управления двигателем.
Измерения I и V
Обобщенная цепочка сигналов управления двигателем показана на рисунке 2. Формирование сигнала для достижения высокой-точности измерений — непростая задача. Обнаружение фазного тока является особенно сложной задачей, поскольку этот узел подключен к тому же узлу схемы, что и выходы драйвера затвора внутри ядра инверторного модуля, и, следовательно, имеет те же требования с точки зрения изоляции напряжений и обработки переходных процессов переключения.
Рисунок 2. Обобщенная сигнальная цепь управления двигателем
Наиболее часто используемыми датчиками тока для управления двигателем являются шунтирующие резисторы, датчики Холла (HES) и трансформаторы тока (CT). Хотя шунтирующие резисторы не обеспечивают изоляции и несут потери, они являются наиболее линейными из всех датчиков, имеют наименьшую стоимость и подходят для измерений как постоянного, так и переменного тока. Пониженный уровень сигнала, необходимый для ограничения потерь мощности на шунте, обычно ограничивает возможности применения шунта до 50 А или меньше. ТТ и HES обеспечивают внутреннюю изоляцию, что позволяет им обслуживать сильноточные системы, но они более дороги из-за плохой начальной точности или плохой температурной точности и приводят к менее точным решениям, чем те, которые могут быть достигнуты с помощью шунтирующих резисторов. В дополнение к типам датчиков на выбор предлагается несколько узлов измерения тока двигателя (как показано на рисунке 3), причем прямые измерения в -фазной обмотке являются идеальным выбором для систем с высочайшими характеристиками.
Рисунок 3. Изолированная и неизолированная обратная связь по току двигателя.
Существует множество топологий для измерения тока двигателя и множество факторов, которые следует учитывать, таких как стоимость, энергопотребление и уровни производительности, но ключевой целью большинства разработчиков систем является повышение эффективности в рамках целевых затрат.
От HES к шунтирующим резисторам
Шунтирующие резисторы подключаются к изолированным сигма-дельта (Σ-Δ) модуляторам, чтобы обеспечить высочайшее качество обратной связи по току (достаточно низкие уровни тока). Среди разработчиков систем наблюдается значительная тенденция перехода от HES к шунтирующим резисторам, а также другая тенденция — переход к изолированным модуляторам, а не к методам изолированных усилителей. Часто, когда проектировщики систем заменяют HES шунтирующими резисторами, они выбирают развязывающие усилители и продолжают использовать АЦП, ранее использовавшиеся в конструкциях на основе HES-. в этом случае производительность будет ограничена развязывающим усилителем, независимо от аналоговых---цифровых характеристик.
Замена изолированного усилителя и АЦП изолированным сигма-дельта-модулятором устранит узкое место в производительности и значительно улучшит конструкцию, обычно за счет изменения уровня обратной связи с 9-бит на 10 бит и на 12-битные уровни. Аналоговую схему защиты от перегрузки по току (OCP) также можно исключить, поскольку цифровые фильтры, необходимые для обработки выходных сигналов сигма-дельта-модулятора, также можно настроить для включения быстрых контуров OCP.
Доступные Σ-Δ модуляторы могут иметь диапазон дифференциального входного сигнала ±250 мВ, где полная шкала ±320 мВ используется для OCP, что идеально подходит для измерений с помощью резистивного шунта. Аналоговые входы непрерывно дискретизируются аналоговым модулятором, а входная информация содержится в цифровом выходном потоке со скоростью передачи данных до 20 МГц. Необработанная информация может быть восстановлена с помощью соответствующих цифровых фильтров. Поскольку производительность преобразования можно компенсировать задержкой полосы пропускания или банка фильтров, более грубые и быстрые фильтры могут обеспечить быстрое реагирование OCP порядка 2 мкс, что идеально подходит для защиты IGBT.
Уменьшение размера шунтирующего резистора
С точки зрения измерения сигнала при выборе шунтирующего резистора возникает ряд ключевых проблем, поскольку существует компромисс-между чувствительностью и потребляемой мощностью. Нелинейность из-за эффектов само-нагрева также является проблемой при использовании резисторов большего номинала. Конструкторы сталкиваются с компромиссами-, которые усугубляются тем фактом, что размер шунта часто необходимо выбирать для обслуживания многих моделей и двигателей с разными уровнями тока. Поддержание динамического диапазона при пиковых токах, которые могут в несколько раз превышать номинальный ток двигателя, и необходимость надежного учета обоих значений является непростой задачей.
Столкнувшись с этими проблемами, разработчики систем ищут более совершенные сигма--дельта-модуляторы с более широким динамическим диапазоном или улучшенным соотношением сигнала-к-шуму и искажениям (SINAD). На сегодняшний день изолированные Σ-Δ модуляторы обеспечивают гарантированную производительность с 16-битным разрешением и до 12 эффективных бит (ENOB).
Рис. 4. AD7403 — это высокопроизводительный-дельта-модулятор второго-сигма-порядка.Высокопроизводительный изолированный сигма-дельта-модулятор
Изолированные сигма--дельта-модуляторы с более высокими -производительностями будут удовлетворять широкий спектр потребностей в конструкциях управления промышленными двигателями и повышать энергоэффективность приводов двигателей за счет уменьшения размера шунтирующего резистора. Промышленным примером является модулятор AD7403 компании ADI (см. рис. 4). Это следующее поколение AD7401A, предлагающее более широкий динамический диапазон при той же внешней тактовой частоте 20 МГц. Это обеспечивает более гибкие варианты выбора размера шунта и позволяет использовать шунтирующие резисторы вместо HES при более высоких уровнях тока. ENOB чипа обычно составляет 14,2 бита. Динамический отклик также можно улучшить за счет уменьшения задержки измерения. Устройство также оснащено схемой изоляции с более высоким напряжением-при-непрерывной-работе (VIORM), чем его предшественник, что повышает эффективность системы за счет более высоких напряжений на шине постоянного тока и меньших токов.