Industrial Motion Control dekker et bredt spekter av applikasjoner, fra omformerbasert vifte- eller pumpekontroll, til fabrikkautomatisering med mer sofistikerte AC-stasjonskontroller, til avanserte automatiseringsapplikasjoner som robotikk med komplekse servokontroller. Disse systemene krever deteksjon og tilbakemelding av mange variabler som motorviklingstrøm eller spenning, DC -bussstrøm eller spenning, rotorposisjon og hastighet. Valg av variabler og den nødvendige målingsnøyaktigheten avhenger av kravene til sluttpåføring, systemarkitektur, målsystemkostnad eller systemkompleksitet og andre betraktninger som verdiøkende funksjoner som tilstandsovervåking. Med Motors som angivelig konsumerer 40% av verdens energi, har internasjonale forskrifter økt fokuset på systemeffektivitet på tvers av industrielle bevegelsesapplikasjoner, noe som øker viktigheten av disse variablene, spesielt strøm og spenning.
Denne artikkelen fokuserer på strøm- og spenningsdeteksjon i forskjellige topologier for motorkontrollkjeden basert på motoriske kraftvurderinger, krav til systemytelse og sluttapplikasjoner. I dette tilfellet varierer implementeringen av motorstyringskjema, avhengig av sensorvalg, gjeldende isolasjonskrav, valg av analog-til-digital omformer (ADC), systemintegrasjon og systemkraft og bakkepartisjonering.
Utvalg av industrielle drivkraftsapplikasjoner
Motorkontrollapplikasjoner spenner fra enkle omformere til komplekse servodyrer, men alle inkluderer motorstyringssystemer med strømtrinn og prosessorer som driver pulsbreddemodulator (PWM) moduler med varierende nivåer av deteksjon og tilbakemelding. Et forenklet syn på rekkevidden av applikasjoner er vist i figur 1, som illustrerer systemer som blir stadig mer kompliserte når man beveger seg fra venstre til høyre, fra enkle kontrollsystemer som pumper, vifter og kompressorer, til systemer som kan implementeres uten behov for presis tilbakemelding, ved bruk av bare enkle mikroprosessorer. Når systemkompleksiteten øker mot den høyere enden av spekteret, krever komplekse kontrollsystemer presis tilbakemelding og raske kommunikasjonsgrensesnitt. Eksempler inkluderer sensor eller sensorløs vektorkontroll av induksjon eller permanente magnetmotorer, samt industrielle stasjoner med høy effekt designet for effektivitet-for eksempel de store pumper, vifter og kompressorer vist i figur 1. i den øverste enden av spekteret, er sofistikerte servomaskiner brukt i applikasjoner som robotikk, maskinverktøy og pick-pick-cand-place-maskiner. Etter hvert som systemer blir mer komplekse, blir sensing og tilbakemelding av variabler viktigere.
Figur 1. Range av industrielle drivkraftsapplikasjoner.
Drive Architecture - Systempartisjonering
Det er mange utfordringer med å designe systemer for å adressere et bredt spekter av applikasjoner innen industriell bevegelseskontroll. Den generelle målkontrollsignalkjeden for motorstyring er vist i figur 2.
Figur 2. Generalisert motorstyringssignalkjede
Det sentrale problemet er isolasjonskrav, som ofte har en betydelig innvirkning på den endelige kretstopologien og arkitekturen. Det er to viktige faktorer å vurdere: hvorfor isolere og hvor isolere.
Klassifiseringen av isolasjon som kreves vil bli bestemt av førstnevnte. Krav kan være høyspent sikkerhetsisolasjon (SELV) for å beskytte mot menneskeskapt elektrisk støt, eller funksjonell isolasjon for nivåskift mellom ikke-dødelige spenninger, eller isolasjon for dataintegritet og støyreduserende formål. Plasseringen av isolasjonen bestemmes vanligvis av den forventede systemytelsen. Motorstyring er typisk et hardt elektrisk støyende miljø, og design møter vanligvis store fellesmodusspenninger på flere hundre volt, noe som muligens bytter ved frekvenser over 20 kHz, med veldig høye forbigående DV/DT-stigningstider. Av denne grunn er det vanlig å isolere kraftstadiet fra kontrollstadiet, både i høye ytelsessystemer og i systemer der høy effekt i seg selv er støyende. Hvorvidt designen bruker en en-prosessor eller dobbeltprosessor-tilnærming, påvirker også isolasjonsstedet. I lavere ytelsessystemer med lavere strømforbruk er isolasjon vanligvis ved det digitale kommunikasjonsgrensesnittet, noe som betyr at strøm- og kontrollstadiene har samme potensial. Lav-end-systemer har lavere båndbreddekommunikasjonsgrensesnitt for isolasjon. Tradisjonelt har isolering av kommunikasjonsgrensesnitt i avanserte systemer vært utfordrende på grunn av den høye båndbredden og begrensningene som kreves av tradisjonelle isolasjonsteknikker, men dette endrer seg med bruk av magnetisk isolert boks og Rs -485 transceiver-produkter.
To viktige elementer i en høyytelseslokke-motorkontrolldesign er PWM-modulatorutgangen og tilbakemelding av motorfasen. Figur 3A og 3B illustrerer hvor sikker isolasjon er nødvendig, avhengig av om kontrollstadiet deler samme potensial som kraftstadiet eller refereres til bakken. I begge tilfeller er det nødvendig med isolasjon av høye end -gate -driveren og gjeldende deteksjonsnoder, men på forskjellige isolasjonsnivåer - i figur 3A er det bare funksjonell isolasjon av disse nodene, mens i figur 3B er fysisk sikkerhet (dvs. strøm) isolasjon av disse nodene kritisk.
Figur 3a. Kontrollstadium med kraftstadium som referanse
Målteknikker og topologier for strøm- og spenningsdeteksjon
Signalkjeden implementeringer for strøm og spenningsdeteksjon varierer avhengig av transduservalg, gjeldende isolasjonskrav, ADC -valg og systemintegrasjon, samt systemkraft og bakkepartisjonering, som beskrevet tidligere. Å realisere signalkondisjonering for målinger med høy troskap er ingen enkel oppgave. For eksempel er det utfordrende å gjenopprette små signaler eller overføre digitale signaler i slike støyende miljøer, mens det er enda mer utfordrende å isolere analoge signaler. I mange tilfeller introduserer signalisolasjonskretser faseforsinkelser som kan begrense dynamisk ytelse for systemet. Fasestrømdeteksjon er spesielt utfordrende fordi denne noden er koblet til den samme kretsnoden som portdriveren gir ut i midten av strømstadiet (omformermodulen) og har derfor de samme kravene når det gjelder å isolere spenning og bytte transienter. Å bestemme målesignalkjeden (teknologi, signalkondisjonering og ADC) som skal implementeres i motorstyringssystemet, avhenger av tre nøkkelfaktorer:
Punktet eller noden i systemet, da dette avgjør hva som må måles.
Kraftnivået til motoren og det resulterende sensorvalget - enten det er iboende isolert eller ikke. Valget av sensor har en betydelig innvirkning på valget av ADC, inkludert omformerarkitektur, funksjonalitet og analogt inngangsområde.
Sluttsøknaden. Dette kan føre til behov for høy oppløsning, høy nøyaktighet eller hastighet i deteksjonssignalkjeden. For eksempel krever implementering av sensorløs kontroll over et bredere hastighetsområde mer målinger oftere og høyere nøyaktighet. Sluttapplikasjonen påvirker også behovet for ADC -funksjonalitet. For eksempel kan multi-aksekontroll kreve en høyere kanalantall ADC.
Strøm- og spenningssensorer
De vanligste strømsensorene som brukes i motorstyring er shuntmotstander, Hall -effekt (HE) sensorer og nåværende transformatorer (CTS). Selv om shuntmotstander ikke gir isolasjon og pådrar seg tap ved høyere strømmer, er de de mest lineære av alle sensorer, har de laveste kostnadene og er egnet for både AC- og DC -målinger. Det reduserte signalnivået som kreves for å begrense shunt -strømtap, begrenser vanligvis shunt -applikasjoner til 50 A eller mindre. CT og He -sensorer gir iboende isolasjon som lar dem betjene høye strømsystemer, men fordi sensorene i seg selv har dårlig innledende nøyaktighet eller dårlig nøyaktighet over temperaturområder, er de mer kostbare og resulterer i en løsning som er mindre nøyaktig enn det som kan oppnås med en shuntmotstand.
Motorstrømmålingssteder og topologier
I tillegg til sensortypen, er flere målingsnoder for motorstrøm tilgjengelige. Den gjennomsnittlige DC -bussstrømmen kan brukes til kontrollformål, men i mer avanserte stasjoner brukes motorviklingstrømmen som den viktigste tilbakemeldingsvariabelen. Direkte fase viklingsstrømmåling er ideell for høye ytelsessystemer. Imidlertid kan svingete strømmer måles indirekte ved bruk av shunts i hver nedre omformergren eller en enkelt shunt i DC -bussen. Disse metodene har fordelen at shuntsignalene alle refereres til strømforsyningen som er vanlig, men å trekke ut viklingstrømmen fra DC -lenken krever synkronisering av prøvene til PWM -bryterne. Direkte fase viklingsstrømmålinger kan gjøres ved hjelp av hvilken som helst av de ovennevnte gjeldende deteksjonsteknikker, men shuntmotstandssignalet må isoleres. En høy vanlig modusforsterker kan gi funksjonell isolasjon, men human sikkerhetsisolasjon må tilveiebringes av en isolasjonsforsterker eller isolasjonsmodulator.
Figur 4 viser de forskjellige gjeldende tilbakemeldingsalternativene beskrevet ovenfor. Selv om bare ett av disse alternativene er nødvendige for tilbakemelding av kontroll, kan DC -busstrømsignalet brukes som et sikkerhetskopisignal for beskyttelse.
Fig. 4. Isolert og ikke-isolert tilbakemelding av motorstrøm
Som nevnt tidligere, vil systemkraft og bakkepartisjonering avgjøre den nødvendige isolasjonsklassifiseringen og dermed hvilke tilbakemeldingsalternativer som er passende. Systemmålytelsen vil også påvirke valget av sensor eller måleteknikk. Det er mange konfigurasjoner som kan realiseres innen ytelsesområdet.
Eksempel på lavere ytelse: Kraft- og kontrollstadier på felles potensiale, deteksjonsalternativer A eller B
Å bruke ben shunts er en av de mest økonomisketechniques for å måle motorstrøm. I dette eksemplet, der Power Stage deler samme potentiAl som kontrollstadiet er det ingen vanlig modus å håndteres, og utgangene fra alternativ A eller B kan koble seg direkte til signalkondisjoneringskretsene og ADC. Denne typen topologi vil vanligvis bli funnet i lav effekt og lav PErfOrmance -systemet med ADC innebygd i mikroprosessoren.
Eksempel på høyere ytelse: Kontrollstadiet koblet til jord, sensing alternativ C, D eller E
I dette eksemplet er menneskelig sikkerhetsisolasjon nødvendig. Føleralternativer C, D og E er alle mulig. Alternativ E gir nåværende feedb av høyeste kvalitetAck av alle tre alternativene, og som et høyere ytelsessystem er det sannsynlig at det er enFpgaeller annen form for prosessering i systemet som kan gi det digitale filteret for det isolerte modulatorsignalet. ADC -valget for alternativ C, den isolerte sensoren (sannsynligvis lukket sløyfe HE), ville tradisjonelt være diskret for å oppnå høyere ytelse enn det som er mulig med innebygde ADC -tilbud til dags dato. Alternativ D er en isolert forsterker i denne konfigurasjonen, vs.A-forsterkeren for vanlig modus, ettersom sikkerhetsisolering er nødvendig. En isolert forsterker vil begrense ytelsen, og derfor kan en innebygd ADC -løsning være tilstrekkelig. Dette vil gi den laveste Fidelity -strøm -tilbakemeldingen sammenlignet med alternativene C eller E, og selv om en innebygd ADC kan oppfattes som "gratis" og den isolerte forsterkeren potensielt "billig", krever implementeringen vanligvis ytterligere komponenter for forskyvningskompensasjon og nivåskift for ADC -inngangsområde, noe som øker den totale signalkjedekostnaden.
Det er mange topologier som kan brukes i motorkontrolldesign for å føle motorstrøm med mange factoRså vurdere som kostnad, effektnivå og ytelsesnivå. Et sentralt mål for de fleste systemdesignere er å forbedre dagens tilbakemelding for å forbedre effektiviteten i kostnadsmålene. For applikasjoner med høyere ende er nåværende tilbakemeldinger avgjørende for andre systemytelsestiltak som dynamisk respons, akustisk støy eller dreiemomentkrupp, ikke bare effektivitet. Det er tydelig at det er et kontinuum av ytelsen som går fra lav til høy ACRoss de forskjellige topologiene availabelt og dette er grovt kartlagt i figur 5 som illustrerer både lavere effekt og høyere strøm.
Figur 5. Gjeldende deteksjons topologiske ytelsesområde
Mål, behov og resulterende trender for designere av motorstyringssystemer: Migrering fra Sensorer til shuntmotstander
Shuntmotstander koblet til isolerte Sigma-Delta-modulatorer gir dagens tilbakemelding av høyeste kvalitet der dagens nivå er lavt nok til shuntbruk. Det er en betydelig trend blant systemdesignere å migrere fra sensorer til shuntmotstander, og en annen trend for å gå til en isolert modulator -tilnærming i stedet for en isolert forsterkertilnærming. Bytte ut bare sensoren reduserer materialer (BOM) og PCB -innsettingskostnader og forbedrer sensorens nøyaktighet. Shuntmotstander er ikke følsomme for magnetiske felt eller mekanisk vibrasjon. Ofte kan systemdesignere som erstatter sensorer med shuntmotstander velge en isolasjonsforsterker og fortsette å bruke ADC som tidligere ble brukt i Sensorbaserte design for å begrense variasjonsnivået i signalkjeden. Som nevnt tidligere, vil imidlertid ytelsen til isolasjonsforsterkeren være begrenset uavhengig av ADC -ytelsen.
Ytterligere erstatning av isolasjonsforsterkeren og ADC med en isolert Sigma-Delta-modulator vil eliminere ytelsesflaskehalsen og forbedre designen, vanligvis endre den fra 9- til 10- bit kvalitetsfeedback til 12- bitnivåer. Analoge overstrømsbeskyttelse (OCP) kretser kan også elimineres, da de digitale filtrene som kreves for å behandle Sigma-Delta-modulatorutgangene også kan konfigureres for å aktivere raske OCP-løkker. Therefore, any BOM analysis should include not only the isolation amplifiers, the raw ADCs, and the signal conditioning between them, but also the OCP devices that may be eliminated.The AD7401A isolated Σ-Δ modulator is based on ADI coupler technology and has a differential input range of ±250 mV (±320 mV full scale typically used for OCP), which is well suited for resistive shunt measurements. De analoge inngangene blir kontinuerlig prøvetatt av den analoge modulatoren, og inngangsinformasjonen er inneholdt i den digitale utgangsstrømmen med en tetthet på opptil 20 MHz datahastighet. Den rå informasjonen kan rekonstrueres med et passende digitalt filter, vanligvis en Sinc.®3 for presisjonsstrømmålinger. Siden konverteringsytelse kan omsettes mot båndbredde eller filterbankforsinkelse, grovere, kan raskere filtre gi raske OCP -er i størrelsesorden 2 μs, ideelt for IGBT -beskyttelse.
Reduksjon av shuntmotstandstørrelse kreves
Fra signalmålesiden er det noen viktige utfordringer i valg av shuntmotstand, ettersom det er en avveining mellom følsomhet og strømforbruk. Større motstandsverdier vil sikre at hele spekteret av Sigma-Delta-modulatoren eller så mye av det analoge inngangsområdet som mulig brukes, og dermed maksimere dynamisk område. Imidlertid vil større motstandsverdier også føre til spenningsfall og redusert effektivitet på grunn av × R -tapet av I2 -motstanden. Å oppnå ikke-linearitet gjennom selvoppvarmingseffekter kan også være en utfordring når du bruker større motstander. Som et resultat blir systemdesignere møtt med avveininger, som ytterligere forverres av det vanlige behovet for å velge shuntstørrelser som kan tjene mange modeller og motorer på forskjellige nåværende nivåer. Å opprettholde dynamisk rekkevidde er også utfordrende i møte med toppstrømmer som kan være flere ganger motorens rangerte strøm og behovet for å fanger opp begge deler. Evnen til å kontrollere toppstrøm når systemet er slått på varierer etter design, fra tett kontrollert (f.eks. 30% over nominell) til så mye som 10 ganger nominelt. Toppstrømmer er også forårsaket av akselerasjon og belastning eller dreiemomentvariasjoner. I stasjonsdesign er imidlertid toppstrømmer i et system vanligvis fire ganger den nominelle strømmen.
Overfor disse utfordringene leter systemdesignere etter overlegne Sigma-Delta-modulatorer med et større dynamisk område eller forbedret signal-til-støy og forvrengningsforhold (Sinad). Til dags dato har isolerte σ-Δ-modulatorprodukter tilbudt garantert ytelse med 16- bitoppløsning og opptil 12 effektive biter (ENOB).
Sinad=(6.02 n + 1. 76) dB hvor n=enob
Med flyttingen til shuntmotstander i drivere med lav effekt, er også motordriverprodusenter som ønsker å øke strømvurderingen til sjåførene sine, en topologi som kan brukes til ytelse og kostnadsgrunner. Dette kan bare oppnås ved å bruke mye mindre shuntmotstander, som krever fremveksten av modulatorkjerner med høyere ytelse for å løse den reduserte signalamplitude.
Systemdesignere, spesielt servomesignere, søker også kontinuerlig å forbedre systemresponsen ved å redusere analog-til-digitale konverteringstider eller ved å redusere gruppeforsinkelse gjennom digitale filtre assosiert med isolerte Sigma-Delta-modulator- og shuntmotstandstopologier. Som nevnt tidligere, kan konverteringsytelse omsettes mot båndbredde- eller filtergruppeforsinkelse. Grovere, raskere filtre kan gi raskere respons, men på bekostning av ytelsen. Systemdesigneren analyserer virkningen av filterlengde eller ekstraksjonshastighet og gjør deretter avveininger basert på behovene til hans eller hennes endelige anvendelse. Å øke klokkehastigheten til modulatoren vil hjelpe, men mange designere opererer allerede med 20 MHz maksimal klokkehastighet som er akseptabel for AD7401A. En av ulempene med å øke klokkefrekvensen er potensialet for stråling og interferens (EMI) -effekter. En modulator med høyere ytelse med samme klokkefrekvens vil forbedre gruppeforsinkelsen kontra ytelsesavveining, noe som resulterer i kortere responstider samtidig som jeg minimerer virkningen på ytelsen.