Controlul industrial de mișcare acoperă o gamă largă de aplicații, de la controlul ventilatorului sau pompei bazate pe invertor, la automatizarea fabricii cu controale mai sofisticate de unitate de curent alternativ, la aplicații de automatizare avansate, cum ar fi robotica cu controale servo complexe. Aceste sisteme necesită detectarea și feedback -ul multor variabile, cum ar fi curentul de înfășurare a motorului sau tensiunea, curentul de bus DC sau tensiunea, poziția rotorului și viteza. Selectarea variabilelor și precizia de măsurare necesară depinde de cerințele de aplicare finală, de arhitectura sistemului, de costurile sistemului țintă sau de complexitatea sistemului și de alte considerente, cum ar fi caracteristicile cu valoare adăugată, cum ar fi monitorizarea condițiilor. Cu motoarele care consumă 40% din energia lumii, reglementările internaționale au crescut accentul pe eficiența sistemului în aplicațiile de mișcare industrială, crescând importanța acestor variabile, în special curente și tensiune.
Această lucrare se concentrează pe detectarea curentului și a tensiunii în diferite topologii ale lanțului de semnal de control al motorului, pe baza evaluărilor de putere a motorului, a cerințelor de performanță a sistemului și a aplicațiilor finale. În acest caz, implementarea lanțului de semnal de control al motorului variază în funcție de selecția senzorilor, cerințele de izolare curentă, a analog-la-digital (Selecția ADC), integrarea sistemului și puterea sistemului și partiționarea solului.
Gama de aplicații de unitate industrială
Aplicațiile de control al motorului variază de la invertoare simple până la servo -unități complexe, dar toate includ sisteme de control al motorului cu etape de putere și procesoare care conduc module modulatoare de lățime a pulsului (PWM) cu diferite niveluri de detectare și feedback. O vedere simplificată a gamei de aplicații este prezentată în figura 1, care ilustrează sisteme care devin din ce în ce mai complexe pe măsură ce se deplasează de la stânga la dreapta, de la sisteme de control simple, cum ar fi pompe, ventilatoare și compresoare, la sisteme care pot fi implementate fără a fi nevoie de feedback precis, folosind doar microprocesoare simple. Pe măsură ce complexitatea sistemului crește spre capătul superior al spectrului, sistemele de control complexe necesită feedback precis și interfețe de comunicare rapidă. Exemple includ controlul vectorial senzor sau senzor al inducției sau a motoarelor cu magnet permanent, precum și unități industriale de mare putere, concepute pentru eficiență-cum ar fi pompele mari, ventilatoarele și compresoarele prezentate în figura 1. În partea de sus a spectrului, servo-unități sofisticate sunt utilizate în aplicații precum robotică, mașini-unelte și mașini de pick-and-loc. Pe măsură ce sistemele devin mai complexe, detectarea și feedback -ul variabilelor devin mai importante.
FIGURA 1. Langă de aplicații de unitate industrială.
Arhitectură de unitate - Partiționare a sistemului
Există multe provocări în proiectarea sistemelor pentru a aborda o gamă largă de aplicații în controlul mișcării industriale. Lanțul de semnal de control al motorului cu scop general este prezentat în figura 2.
Figura 2.. Lanțul generalizat al semnalului de control al motorului
Problema cheie sunt cerințele de izolare, care au adesea un impact semnificativ asupra topologiei și arhitecturii circuitului final. Există doi factori cheie de luat în considerare: de ce izolați și unde izolați.
Clasificarea de izolare necesară va fi determinată de prima. Cerințele pot fi o izolare de siguranță de înaltă tensiune (SELV) pentru a se proteja împotriva șocului electric artificial sau a izolării funcționale pentru schimbarea nivelului între tensiunile neletale sau izolarea în scopuri de integritate și atenuare a zgomotului. Locația izolării este de obicei determinată de performanța estimată a sistemului. Controlul motorului este de obicei un mediu dur zgomotos din punct de vedere electric, iar proiectele se confruntă de obicei cu tensiuni mari în mod comun de câteva sute de volți, eventual comutarea la frecvențe care depășesc 20 kHz, cu timpi de creștere tranzitori foarte mari DV/DT. Din acest motiv, este comun să se izoleze etapa de putere de etapa de control, atât în sistemele de înaltă performanță, cât și în sistemele în care puterea mare este în mod inerent zgomotoasă. Indiferent dacă designul utilizează o abordare cu un singur procesor sau un procesor dublu afectează și locația de izolare. În sistemele de performanță mai mică cu un consum de energie mai mic, izolarea este de obicei la interfața de comunicare digitală, ceea ce înseamnă că etapele de putere și control au același potențial. Sistemele de ultimă generație au interfețe de comunicare mai mici de lățime de bandă pentru izolare. În mod tradițional, izolarea interfețelor de comunicare în sistemele de înaltă calitate a fost dificilă datorită lățimii de bandă ridicate și a limitărilor cerute de tehnicile tradiționale de izolare, dar acest lucru se schimbă odată cu apariția produselor transceiver izolate magnetic și Rs -485.
Două elemente cheie într-un proiect de control al motorului cu buclă închisă de înaltă performanță sunt ieșirea modulatorului PWM și feedback-ul curent al fazei motorului. Figurile 3A și 3B ilustrează unde este necesară o izolare sigură, în funcție de faptul că etapa de control împărtășește același potențial ca și stadiul de putere sau se face referire la sol. În ambele cazuri, este necesară izolarea șoferului porții de la capătul înalt și a nodurilor de detectare a curentului, dar la diferite niveluri de izolare - în figura 3A, este necesară o izolare funcțională a acestor noduri, în timp ce în figura 3B, securitatea fizică (adică curent) este esențială izolarea acestor noduri.
Figura 3a. Etapa de control cu etapa de putere ca referință
Tehnici de măsurare și topologii pentru detectarea curentului și a tensiunii
Implementările lanțului de semnal pentru detectarea curentului și tensiunii variază în funcție de selecția traductorului, de cerințele de izolare curentă, de selecția ADC și de integrarea sistemului, precum și de alimentarea sistemului și de partiționarea solului, așa cum s -a descris anterior. Realizarea condiționării semnalului pentru măsurători de înaltă fidelitate nu este o sarcină ușoară. De exemplu, recuperarea semnalelor mici sau transmiterea semnalelor digitale în astfel de medii zgomotoase este dificilă, în timp ce izolarea semnalelor analogice este și mai dificilă. În multe cazuri, circuitele de izolare a semnalului introduc întârzieri în fază care pot limita performanța dinamică a sistemului. Detectarea curentului de fază este deosebit de dificilă, deoarece acest nod este conectat la același nod de circuit ca și ieșirile șoferului de poartă în centrul etapei de putere (modulul invertor) și, prin urmare, are aceleași cerințe în ceea ce privește izolarea tensiunii și comutarea tranzitorilor. Determinarea lanțului de semnal de măsurare (tehnologie, condiționarea semnalului și ADC) care va fi implementat în sistemul de control al motorului depinde de trei factori cheie:
Punctul sau nodul din sistem, deoarece acest lucru determină ceea ce trebuie măsurat.
Nivelul de putere al motorului și selecția senzorului rezultat - indiferent dacă este izolat în mod inerent sau nu. Alegerea senzorului are un impact semnificativ asupra alegerii ADC, inclusiv arhitectura convertorului, funcționalitatea și intervalul de intrare analogică.
Aplicația finală. Acest lucru poate determina necesitatea de rezoluție ridicată, o precizie ridicată sau viteză în lanțul de semnal de detectare. De exemplu, implementarea controlului senzorial pe un interval de viteză mai larg necesită mai multe măsurători mai frecvent și o precizie mai mare. Aplicația finală influențează, de asemenea, necesitatea funcționalității ADC. De exemplu, controlul multi-axe poate necesita un număr mai mare de canal ADC.
Senzori de curent și de tensiune
Cei mai frecventi senzori de curent utilizați în controlul motorului sunt rezistențele de șunt, senzorii cu efect de hol (HE) și transformatoare de curent (CTS). Deși rezistențele de șunt nu oferă izolare și suportă pierderi la curenți mai mari, acestea sunt cele mai liniare dintre toți senzorii, au cel mai mic cost și sunt potrivite atât pentru măsurători de curent alternativ, cât și pentru curent continuu. Nivelul de semnal redus necesar pentru a limita pierderile de energie de șunt limitează de obicei aplicațiile de șunt la 50 A sau mai puțin. Senzorii CT și HE oferă o izolare inerentă care le permite să servească sisteme cu curent ridicat, dar, deoarece senzorii înșiși au o precizie inițială slabă sau o precizie slabă față de intervalele de temperatură, sunt mai costisitoare și au ca rezultat o soluție mai puțin exactă decât cea care poate fi obținută cu un rezistor de șunt.
Locații și topologii de măsurare a curentului motor
În plus față de tipul senzorului, sunt disponibile mai multe noduri de măsurare a curentului motor. Curentul mediu de autobuz DC poate fi utilizat în scopuri de control, dar în unități mai avansate, curentul de înfășurare a motorului este utilizat ca principală variabilă de feedback. Măsurarea curentului de înfășurare a fazelor directe este ideală pentru sistemele de înaltă performanță. Cu toate acestea, curenții de înfășurare pot fi măsurați indirect folosind șunturi în fiecare ramură a invertorului inferior sau un singur șunt în autobuzul DC. Aceste metode au avantajul că semnalele de șunt sunt toate referite la sursa de alimentare comună, dar extragerea curentului de înfășurare din legătura DC necesită sincronizarea probelor la întrerupătoarele PWM. Măsurătorile de curent de înfășurare în fază directă pot fi făcute folosind oricare dintre tehnicile de detectare a curentului de mai sus, dar semnalul de rezistență la șunt trebuie să fie izolat. Un amplificator cu modul comun ridicat poate oferi o izolare funcțională, dar izolarea siguranței umane trebuie să fie asigurată de un amplificator de izolare sau de un modulator de izolare.
Figura 4 prezintă diferitele opțiuni de feedback curente descrise mai sus. Deși este necesară doar una dintre aceste opțiuni pentru feedback -ul controlului, semnalul de curent al autobuzului DC poate fi utilizat ca semnal de rezervă pentru protecție.
Fig. 4. Feedback cu curent motor izolat și neisolat
Așa cum am menționat anterior, puterea sistemului și partiționarea la sol vor determina clasificarea de izolare necesară și, prin urmare, opțiunile de feedback sunt adecvate. Performanța țintă a sistemului va afecta, de asemenea, alegerea senzorului sau a tehnicii de măsurare. Există multe configurații care pot fi realizate în intervalul de performanță.
Exemplu de performanță mai scăzută: etape de putere și control pe potențialul comun, opțiunile de detectare A sau B
Folosirea șunturilor pentru picioare este una dintre cele mai economiceTEChniques pentru a măsura curentul motor. În acest exemplu, în care stadiul de putere împărtășește același potențialtiÎn calitate de etapă de control, nu există un mod obișnuit să fie tratat și ieșirile din opțiunea A sau B se pot conecta direct la circuitele de condiționare a semnalului și ADC. Acest tip de topologie s -ar găsi în general la o putere scăzută și PE scăzutăRFSistem ORMANCE cu ADC încorporat în microprocesor.
Exemplu de performanță mai mare: Etapa de control conectată la Pământ, Opțiunea de detectare C, D sau E
În acest exemplu, este necesară izolarea siguranței umane. Opțiunile de detectare C, D și E sunt toate posibile. Opțiunea E oferă feedB cu curent de cea mai înaltă calitateACk din toate cele trei opțiuni și, fiind un sistem de performanță mai mare, este probabil să existe unFPGAsau o altă formă de procesare în sistem care poate furniza filtrul digital pentru semnalul modulatorului izolat. Alegerea ADC pentru opțiunea C, senzorul izolat (probabil cu bucla închisă HE), ar fi în mod tradițional discretă pentru a obține performanțe mai mari decât cea posibilă cu ofertele ADC încorporate până în prezent. Opțiunea D este un amplificator izolat în această configurație, vs.a amplificator în modul comun, deoarece este necesară o izolare de siguranță. Un amplificator izolat va limita performanța și astfel poate fi suficientă o soluție ADC încorporată. Acest lucru va oferi cel mai mic feedback cu curent de fidelitate în comparație cu opțiunile C sau E și, în timp ce un ADC încorporat poate fi perceput ca „liber”, iar amplificatorul izolat potențial „ieftin”, implementarea necesită de obicei componente suplimentare pentru compensarea compensării și schimbarea nivelului pentru potrivirea intervalului de intrare ADC, crescând costul general al lanțului de semnal.
Există multe topologii care pot fi utilizate în proiectarea controlului motorului pentru a sesiza curentul motor cu multe factoRssă ia în considerare, cum ar fi costul, nivelul puterii și nivelul de performanță. Un obiectiv esențial pentru majoritatea proiectanților de sistem este îmbunătățirea feedback -ului actual pentru a îmbunătăți eficiența în țintele lor de cost. Pentru aplicații finale superioare, feedback -ul curent este esențial pentru alte măsuri de performanță a sistemului, cum ar fi răspunsul dinamic, zgomotul acustic sau ondularea cuplului, nu doar eficiența. Este evident că există un continuu de performanță care rulează de la un nivel scăzut la curent alternativROSs diferitele topologii avAILable și aceasta este cartografiată grosier în figura 5, care ilustrează atât o putere mai mică, cât și opțiunile de putere mai mari.
Figura 5. Gama de performanță a topologiei detectării curentului
Obiective, nevoi și tendințe rezultate pentru proiectanții sistemului de control al motorului: migrarea de la senzorii HE la rezistențe de șunt
Rezistențele de șunt cuplate la modulatoare sigma-delta izolate oferă feedback-ul curentului de cea mai înaltă calitate, unde nivelul curent este suficient de scăzut pentru utilizarea șuntului. Există o tendință semnificativă în rândul proiectanților de sistem de a migra de la senzorii HE la rezistențe de șunt și o altă tendință de a trece la o abordare izolată de modulator, mai degrabă decât la o abordare a amplificatorului izolat. Înlocuirea numai a senzorului reduce factura materialelor (BOM) și a costurilor de inserție a PCB și îmbunătățește precizia senzorilor. Rezistențele de șunt nu sunt sensibile la câmpurile magnetice sau la vibrațiile mecanice. Adesea, proiectanții de sistem care înlocuiesc senzorii HE cu rezistențe de șunt pot alege un amplificator de izolare și pot continua să utilizeze ADC utilizat anterior în proiectele bazate pe senzori HE pentru a limita nivelul de variație în lanțul de semnal. Cu toate acestea, după cum am menționat anterior, performanța amplificatorului de izolare va fi limitată indiferent de performanța ADC.
În continuare, înlocuirea amplificatorului de izolare și ADC cu un modulator izolat Sigma-Delta va elimina blocajul de performanță și va îmbunătăți mult designul, schimbându-l de obicei de la 9- la 10- feedback de calitate la biți la niveluri de biți 12-. Circuitele de protecție a analogică (OCP) pot fi, de asemenea, eliminate, deoarece filtrele digitale necesare pentru procesarea modulatorului Sigma-Delta pot fi de asemenea configurate pentru a activa buclele OCP rapide. Prin urmare, orice analiză BOM ar trebui să includă nu numai amplificatoarele de izolare, ADC-urile brute și condiționarea semnalului între ele, ci și dispozitivele OCP care pot fi eliminate. Modulatorul σ-Δ izolat AD7401A se bazează pe tehnologia ADI Coupler și are un interval de intrare diferențial de ± 250 mV (± 320 mV la scară completă utilizată pentru OCP), care este bine de rezistență la o scară deplină shunt. Intrările analogice sunt eșantionate continuu de modulatorul analogic, iar informațiile de intrare sunt conținute în fluxul de ieșire digitală la o densitate de până la 20 MHz de date. Informațiile brute pot fi reconstruite cu un filtru digital adecvat, de obicei un SINC.®3 pentru măsurători de curent de precizie. Întrucât performanța de conversie poate fi tranzacționată cu lățimea de bandă sau întârzierea bancară de filtrare, carierele, filtrele mai rapide pot oferi OCP -uri de răspuns rapid la ordinul a 2 μs, ideal pentru protecția IGBT.
Reducerea mărimii rezistenței de șunt necesară
Din partea de măsurare a semnalului, există câteva provocări cheie în selecția rezistenței de șunt, deoarece există un compromis între sensibilitate și consumul de energie. Valorile mai mari ale rezistenței se vor asigura că se utilizează întreaga gamă a modulatorului Sigma-Delta sau cât mai mult din intervalul de intrare analogică posibil, maximizând astfel intervalul dinamic. Cu toate acestea, valorile mai mari ale rezistenței vor duce, de asemenea, la scăderea tensiunii și la o eficiență redusă datorită pierderii × R a rezistenței I2. Realizarea neliniarității prin efecte de auto-încălzire poate fi, de asemenea, o provocare atunci când utilizați rezistențe mai mari. Drept urmare, proiectanții de sistem se confruntă cu compromisuri, care sunt exacerbate în continuare de nevoia comună de a selecta dimensiuni de șunt care pot servi multe modele și motoare la diferite niveluri actuale. Menținerea gamei dinamice este, de asemenea, o provocare în fața curenților de vârf, care pot fi de mai multe ori curentul nominal al motorului și nevoia de a -i capta în mod fiabil. Posibilitatea de a controla curentul de vârf atunci când sistemul este pornit variază în funcție de proiectare, de la strâns controlat (de exemplu, cu 30% peste nominal) până la 10 ori nominal. Curenții de vârf sunt, de asemenea, cauzate de variații de accelerare și încărcare sau cuplu. Cu toate acestea, în proiectele de acționare, curenții de vârf dintr -un sistem sunt de obicei de patru ori mai mari decât curentul nominal.
Față de aceste provocări, proiectanții de sistem caută modulatori Sigma-Delta superiori, cu o gamă dinamică mai largă sau un raport semnal-zgomot îmbunătățit și distorsiune (Sinad). Până în prezent, produsele modulatoare σ-Δ izolate au oferit performanțe garantate cu 16- rezoluție de biți și până la 12 biți efectivi (ENOB).
Sinad=(6.02 n + 1. 76) db unde n=enob
Odată cu trecerea la rezistențele de șunt la șoferii cu putere redusă, producătorii de șoferi de motor caută, de asemenea, să crească evaluarea puterii șoferilor lor, o topologie care poate fi utilizată din motive de performanță și costuri. Acest lucru se poate realiza numai prin utilizarea rezistențelor de șunt mult mai mici, ceea ce necesită apariția de nuclee de modulator cu performanțe superioare pentru a rezolva amplitudinea semnalului redus.
Proiectanții de sistem, în special servo-proiectanții, încearcă continuu să îmbunătățească răspunsul sistemului prin reducerea timpilor de conversie analog-digitali sau prin reducerea întârzierii grupului prin filtre digitale asociate cu modulator izolat Sigma-Delta și topologii de rezistență de șunt. Așa cum am menționat anterior, performanța de conversie poate fi tranzacționată cu lățimea de bandă sau întârzierea grupului de filtrare. Filtrele mai grosiere, mai rapide pot oferi un răspuns mai rapid, dar în detrimentul performanței. Proiectantul de sistem analizează impactul lungimii filtrului sau al ratei de extracție și apoi face compromisuri în funcție de nevoile aplicației sale finale. Creșterea ratei de ceas a modulatorului ar ajuta, dar mulți designeri funcționează deja la rata maximă de ceas maxim de 20 MHz acceptabilă pentru AD7401A. Unul dintre dezavantajele creșterii ratei de ceas este potențialul de efecte de radiații și interferențe (EMI). Un modulator performant la aceeași rată de ceas va îmbunătăți întârzierea grupului față de compromisul de performanță, ceea ce duce la timp de răspuns mai scurt, reducând în același timp impactul asupra performanței.