Tööstuslik liikumiskontroll hõlmab laias valikus rakendusi, alates muunduripõhisest ventilaatori või pumba juhtimisest kuni tehase automatiseerimiseni keerukamate vahelduvvoolu juhtimisseadmetega, täiustatud automatiseerimisrakendusteni, näiteks keerukate servokontrollidega robootikaga. Need süsteemid nõuavad paljude muutujate tuvastamist ja tagasisidet, näiteks mootori mähise vool või pinge, alalisvoolu siini vool või pinge, rootori asukoht ja kiirus. Muutujate valimine ja nõutav mõõtmise täpsus sõltub lõpp-rakenduse nõuetest, süsteemi arhitektuurist, sihtsüsteemi kulude või süsteemi keerukusest ning muudest kaalutlustest, näiteks lisandväärtusega funktsioonid, näiteks tingimuste jälgimine. Kuna motorid tarbivad väidetavalt 40% maailma energiast, on rahvusvahelised eeskirjad suurendanud keskendumist süsteemi tõhususele tööstuslike liikumisrakenduste korral, suurendades nende muutujate, eriti voolu- ja pinge olulisust.
See artikkel keskendub voolu- ja pinge tuvastamisele erinevates mootori juhtimissignaali ahela topoloogiates, mis põhinevad mootori võimsuse hinnangul, süsteemi jõudlusnõuetel ja lõpprakendustel. Sel juhul varieerub mootori juhtimissignaali ahela rakendamine sõltuvalt anduri valimisest, praegustest eraldamisnõuetest, analoog-digitaalmuunduri (ADC) valikust, süsteemi integreerimisest ning süsteemi võimsusest ja maapealse jaotusest.
Tööstuslike sõidurakenduste valik
Mootorjuhtimisrakendused ulatuvad lihtsatest muunduritest keerukate servo -draivideni, kuid kõik hõlmavad mootori juhtimissüsteeme, millel on toiteetapp, ja protsessorid, mis juhivad impulsi laiuse modulaatori (PWM) moodulit erineva tuvastamise ja tagasiside tasemega. Rakenduste vahemiku lihtsustatud vaade on näidatud joonisel 1, mis illustreerib süsteeme, mis muutuvad üha keerukamaks, kui vasakult paremale, alates lihtsatest juhtimissüsteemidest, näiteks pumbad, ventilaatorite ja kompressoriteni süsteemideni, mida saab rakendada ilma täpse tagasisideta, kasutades ainult lihtsaid mikroprotsessoreid. Kuna süsteemi keerukus suureneb spektri kõrgema otsa poole, vajavad keerulised juhtimissüsteemid täpset tagasisidet ja kiireid suhtlusliideseid. Näited hõlmavad induktsiooni- või püsiv magnetimootorite anduri või anduritu vektori juhtimist, aga ka tõhususe saavutamiseks mõeldud suure võimsusega tööstuslikke draive-näiteks joonisel 1 näidatud suured pumbad, ventilaatorid ja kompressorid. Spektri ülaosas kasutatakse keerukaid servokeid, näiteks rakendusi, näiteks robotics, tööriistad ja korjamismasinad. Kui süsteemid muutuvad keerukamaks, muutub olulisemaks muutujate sensori ja tagasiside.
Joonis 1. Tööstuslike sõidurakenduste põhjal.
Drive arhitektuur - süsteemi jaotamine
Süsteemide kavandamisel on palju väljakutseid, et käsitleda mitmesuguseid rakendusi tööstusliku liikumise juhtimisel. Üldotstarbeline mootori juhtimissignaali ahel on näidatud joonisel 2.
Joonis 2. Üldine mootori juhtimissignaali ahel
Põhiküsimus on isoleerimisnõuded, millel on sageli märkimisväärne mõju vooluringide topoloogiale ja arhitektuurile. Arvesse tuleb võtta kaks peamist tegurit: miks isoleerida ja kus isoleerida.
Vajaliku isolatsiooni klassifikatsiooni määrab esimene. Nõuded võivad olla kõrgepingeohutuse isoleerimine (SELV), et kaitsta inimtegevusega elektrilööki või funktsionaalset eraldatust, et nihkuda mitte surmavate pingete vahel, või eraldataks andmete terviklikkuse ja müra leevendamise eesmärke. Isolatsiooni asukoht määratakse tavaliselt eeldatava süsteemi jõudlusega. Mootori juhtimine on tavaliselt karm elektrilise mürarikka keskkond ja disainilahendused puutuvad tavaliselt kokku mitmesaja volti suuri tavarežiimi pingetega, mis võib-olla vahetatakse sagedustel üle 20 kHz, väga kõrge mööduva DV/DT tõusuaegadega. Sel põhjusel on tavaline isoleerida võimsuse etapp juhtimisstaadiumist, nii suure jõudlusega süsteemides kui ka süsteemides, kus suur võimsus on oma olemuselt mürarikas. Kas disain kasutab ühe protsessori või kaheprotsessori lähenemisviisi, mõjutab ka eraldatuse asukohta. Madalamates jõudlussüsteemides, mille energiatarve on madalam, on eraldatus tavaliselt digitaalse kommunikatsiooni liideses, mis tähendab, et võimsuse ja juhtimisjärkudel on sama potentsiaal. Madala hinnaga süsteemidel on madalam ribalaiuse kommunikatsiooniliidesed eraldamiseks. Traditsiooniliselt on kommunikatsiooniliideste isoleerimine tipptasemel süsteemides olnud keeruline tingitud kõrge ribalaiuse ja traditsiooniliste isolatsioonitehnikate nõutavate piirangute tõttu, kuid see muutub magnetiliselt eraldatud CAN-i ja RS -485 transiiveritoodete tulekuga.
Kaks suure jõudlusega suletud ahelaga mootori juhtimisprojekti võtmeelementi on PWM-modulaatori väljund ja mootori faasi voolu tagasiside. Joonised 3A ja 3B illustreerivad, kus on vaja ohutut eraldamist, sõltuvalt sellest, kas kontroll -etapil on sama potentsiaal kui energiaetapp või viidatakse maapinnale. Mõlemal juhul on vaja kõrgotstarbeliste väravajuhi ja voolutuvastussõlmede eraldamine, kuid erinevatel isolatsiooni tasemetel - joonisel 3A on vajalik ainult nende sõlmede funktsionaalne eraldamine, samas kui joonisel 3B on nende sõlmede füüsiline ohutus (st vool) eraldamine kriitiline.
Joonis 3a. Kontroll -etapp, mille võimufaase on viitena
Mõõtmistehnikad ja topoloogiad voolu- ja pinge tuvastamiseks
Signaali ahela rakendused voolu- ja pinge tuvastamiseks varieeruvad sõltuvalt muunduri valimisest, praegustest eraldamisnõuetest, ADC valimisest ja süsteemi integreerimisest, samuti süsteemi võimsusest ja maapealse jaotusest, nagu varem kirjeldatud. Signaali konditsioneerimise realiseerimine suure täpsusega mõõtmiseks pole lihtne ülesanne. Näiteks on väikeste signaalide taastamine või digitaalse signaali edastamine sellises mürarikkas keskkonnas keeruline, samas kui analoogsignaalide eraldamine on veelgi keerulisem. Paljudel juhtudel viivad signaali eraldamisahelad faasi viivitusi, mis võivad piirata süsteemi dünaamilist jõudlust. Faasivoolu tuvastamine on eriti keeruline, kuna see sõlm on ühendatud sama vooluahela sõlmega kui värava draiveri väljundid energiaetapi keskel (muunduri moodul) ja seetõttu on sellel samad nõuded pinge isoleerimise ja siirdete vahetamise osas. Mootori juhtimissüsteemis rakendatava mõõtmissignaali ahela (tehnoloogia, signaali konditsioneerimine ja ADC) määramine sõltub kolmest peamisest tegurist:
Süsteemi punkt või sõlm, kuna see määrab, mida tuleb mõõta.
Mootori võimsustase ja sellest tulenev anduri valik - kas see on oma olemuselt isoleeritud või mitte. Anduri valikul on oluline mõju ADC valikule, sealhulgas muunduri arhitektuur, funktsionaalsus ja analoogsisendivalik.
Lõpprakendus. See võib suurendada vajadust kõrge eraldusvõime, kõrge täpsuse või kiiruse järele tuvastussignaali ahelas. Näiteks nõuab andurivaba kontrolli rakendamine laiema kiirusevahemiku üle sagedamini ja suuremat täpsust. Lõpprakendus mõjutab ka ADC funktsionaalsuse vajadust. Näiteks võib multi-telje juhtimine nõuda kõrgemat kanali loendamise ADC-d.
Voolu- ja pingeandurid
Kõige tavalisemad mootori juhtimisel kasutatavad vooluansorited on šunttakistid, saali efekti (HE) andurid ja praegused trafod (CTS). Kuigi šundi takistid ei anna kõrgematel vooludel eraldamist ja kadusid, on need kõigist anduritest kõige lineaarsemad, neil on madalaimad kulud ja sobivad nii AC kui ka alalisvoolu mõõtmiseks. Vähendatud signaali tase, mis on vajalik šundi energiakao piiramiseks, piirab šundi rakendusi tavaliselt 50 a -ni. CT ja HE -andurid pakuvad loomupärast eraldatust, mis võimaldab neil teenindada kõrgeid süsteeme, kuid kuna anduritel ise on temperatuurivahemike korral halb esialgne täpsus või halb täpsus, on need kulukamad ja annavad lahenduse, mis on vähem täpne kui see, mida saab saavutada šundi takistiga.
Mootori voolu mõõtmiskohad ja topoloogiad
Lisaks anduri tüübile on saadaval mitmed mootorivoolu mõõtmissõlmed. Keskmist alalisvoolu siini voolu saab kasutada juhtseadmete jaoks, kuid keerukamate draivide korral kasutatakse peamise tagasiside muutujana mootori mähist. Otsene faasimähise voolu mõõtmine sobib ideaalselt suure jõudlusega süsteemide jaoks. Kuid mähkimisvoolud saab kaudselt mõõta, kasutades igas alumises muunduri harus asuvaid šunte või alalisvoolu siini ühe šundi. Nendel meetoditel on eelis, et šundisignaalidele viidatakse kõik toiteallikale, kuid mähise voolu eraldamine alalisvoolu lingist nõuab proovide sünkroonimist PWM -lülititega. Otsest faasi mähise voolu mõõtmist saab teha mis tahes ülaltoodud voolu tuvastamise tehnikast, kuid šundi takistussignaal tuleb eraldada. Kõrge tavarežiimi võimendi võib pakkuda funktsionaalset isolatsiooni, kuid inimese ohutuse eraldamist tuleb pakkuda isolatsiooni võimendi või isolatsioonimodulaatori abil.
Joonis 4 näitab erinevaid ülalkirjeldatud praeguseid tagasisidevalikuid. Ehkki juhtimis tagasiside saamiseks on vaja ainult ühte neist võimalustest, saab DC -siini voolu signaali kasutada kaitseks varundamise signaalina.
Joonis 4. isoleeritud ja isoleerimata mootori voolu tagasiside
Nagu varem mainitud, määravad süsteemi võimsus ja maapealne jaotamine nõutava isolatsiooni klassifikatsiooni ja seega, millised tagasiside valikud on sobivad. Süsteemi sihtmärgi jõudlus mõjutab ka anduri või mõõtmistehnika valikut. On palju konfiguratsioone, mida saab teostada jõudlusvahemikus.
Madalama jõudluse näide: jõu- ja juhtimisjärkud ühise potentsiaali kohta, avastamisvõimalused A või B
Jalakatte kasutamine on üks ökonoomsemaidtechniques mootori voolu mõõtmiseks. Selles näites, kus võimulaval jagab sama potentsiaaliTiAL kui juhtimisstaadiumis, pole tavalist režiimi, mida tuleb tegeleda ja valiku A või B väljundid saavad ühenduse luua otse signaali konditsioneerimisahela ja ADC -ga. Seda tüüpi topoloogia leidub tavaliselt vähese võimsusega ja madala PE -garaadiosagedusOrmance'i süsteem koos mikroprotsessorisse manustatud ADC -ga.
Kõrgema jõudluse näide: Maaga ühendatud juhtimisstaadium, Sensing Variant C, D või E
Selles näites on vaja inimeste ohutuse eraldamist. Sensingvalikud C, D ja E on kõik võimalik. Variant E pakub kõrgeima kvaliteediga voolu voogACK kõigist kolmest võimalusest ja kuna see on kõrgema jõudlusega süsteem, on tõenäoline, et on olemasFPGAvõi muu süsteemis töötlemisvorm, mis võib pakkuda eraldatud modulaatori signaali digitaalset filtrit. Variatsiooni C ADC valik, isoleeritud andur (tõenäoliselt suletud ahela HE), oleks traditsiooniliselt diskreetne, et saavutada manustatud ADC pakkumiste korral seni suurem jõudlus. Valik D on selles konfiguratsioonis isoleeritud võimendi, võrreldes tavarežiimi võimendiga, kuna on vaja ohutuse eraldamist. Isoleeritud võimendi piirab jõudlust ja seetõttu võib piisada manustatud ADC -lahendusest. See annab madalaima truuduse praeguse tagasiside, võrreldes võimalustega C või E, ja kuigi manustatud ADC -d võib tajuda kui "tasuta" ja isoleeritud võimendi potentsiaalselt "odav", nõuab rakendus tavaliselt täiendavaid komponente ADC -sisendvahemiku tasaarvestuse ja taseme nihutamiseks, suurendades kogu signaaliahela kulu.
Paljude faktidega mootori voolu tajumiseks on palju topoloogiaid, mida saab kasutada mootori voolugaRskaaluda, näiteks kulud, energiatase ja jõudlustase. Enamiku süsteemidisainerite peamine eesmärk on parandada praegust meelt tagasisidet, et parandada nende kulude eesmärkide tõhusust. Kõrgema otsa rakenduste jaoks on praegune tagasiside kriitilise tähtsusega muude süsteemi jõudlusmeetmete jaoks, nagu dünaamiline reageerimine, akustiline müra või pöördemomendi pulsatsioon, mitte ainult tõhusus. On ilmne, et jõudluse pidevus kulgeb madalalt kõrgelt ACROSs erinevad topoloogiad avAiLabis ja see on joonisel 5 jämedalt kaardistatud, mis illustreerib nii madalamat kui ka kõrgemat võimsust.
Joonis 5. Praeguse tuvastamise topoloogia jõudluse vahemik
Eesmärgid, vajadused ja sellest tulenevad suundumused motoorse juhtimissüsteemi kujundajate jaoks: migreerimine anduritest takistitele šundidele
Eratatud Sigma-Delta modulaatoritega ühendatud šundi takistid pakuvad kõrgeima kvaliteediga voolu tagasisidet, kui praegune tase on šundi kasutamiseks piisavalt madal. Süsteemidisainerite seas on märkimisväärne suundumus, et rännata HE anduritest takistitele ja veel üks suundumus liikuda isoleeritud modulaatori lähenemisviisile, mitte isoleeritud võimendi lähenemisviisile. Ainult anduri asendamine vähendab materjalide arve (BOM) ja PCB sisestuskulusid ning parandab anduri täpsust. Šuti takistid ei ole tundlikud magnetväljade ega mehaanilise vibratsiooni suhtes. Sageli võivad HE-andurid šundi takistitega asendavaid süsteemidisainerid valida isolatsioonivõimendi ja jätkata ADC-d, mida varem kasutati HE anduripõhistes disainilahendustes, et piirata signaaliahela variatsiooni taset. Nagu varem mainitud, on isolatsioonivõimendi jõudlus siiski piiratud sõltumata ADC jõudlusest.
Isoleerimisvõimendi ja ADC lisamine isoleeritud Sigma-Delta modulaatoriga kõrvaldab jõudluse kitsaskoha ja parandab oluliselt disaini, muutes selle tavaliselt 9- -lt 10- bitikvaliteediga tagasisideni 12- bititasemeteni. Samuti saab kõrvaldada analoog ülevoolukaitse (OCP) vooluahelad, kuna Sigma-De-Delta modulaatori väljundite töötlemiseks vajalikke digitaalseid filtreid saab konfigureerida ka kiirete OCP silmuste võimaldamiseks. Seetõttu peaks iga BOM-analüüs hõlmama mitte ainult isoleerimisvõimendeid, töötlemata ADC-sid ja nende vahelist signaali konditsioneerimist, vaid ka OCP-seadmeid, mida võidakse kõrvaldada. AD7401A isoleeritud σ-Δ modulaator põhineb ADI CEUPLER-tehnoloogial ja sellel on diferentsiaalvahemik ± 250 mV (± 320 mV, kasutatud susi korral, mis Welling SUNVE-de jaoks kasutatakse. Analoogsisenditest proovitakse pidevalt analoogmodulaator ja sisendteave sisaldub digitaalses väljundvoos tihedusega kuni 20 MHz andmeedastuskiirusega. Toorteavet saab rekonstrueerida sobiva digitaalse filtriga, tavaliselt SINC.®3 täpsusvoolu mõõtmiseks. Kuna konversiooni jõudlust saab kaubelda ribalaiuse või filtripanga viivituse, jämedamate, kiiremate filtritega, võivad kiiremad reageerimise OCP -d anda 2 μs, mis sobib ideaalselt IGBT kaitseks.
Vajalik šundi takisti suuruse vähendamine
Signaali mõõtmise poolelt on šundi takisti valimisel mõned peamised väljakutsed, kuna tundlikkuse ja energiatarbimise vahel on kompromiss. Suuremad takisti väärtused tagavad Sigma-Delta modulaatori või võimalikult suure osa analoogsisendivahemiku täieliku ulatuse, maksimeerides seega dünaamilise ulatuse. Suuremate takistide väärtused põhjustavad siiski ka pinge langust ja vähenenud efektiivsust i2 takisti × r kaotuse tõttu. Mittelineaarsuse saavutamine enesesoojendavate efektide kaudu võib olla ka suuremate takistite kasutamisel väljakutse. Selle tulemusel seisavad süsteemidisainerid silmitsi kompromissidega, mida veelgi süvendab levinud vajadus valida šundisuurused, mis võivad teenindada paljusid mudeleid ja mootoreid erinevatel praegustel tasanditel. Dünaamilise ulatuse säilitamine on keeruline ka maksimaalse voolu korral, mis võib olla mitu korda suurem kui mootori nimivool ja vajadus mõlemat usaldusväärselt jäädvustada. Võimalus kontrollida tippvoolu, kui süsteem sisse lülitatakse, varieerub disainist, alates tihedalt juhitavast (nt 30% nominaalsest) kuni 10 korda nominaalseni. Maksimaalse voolude põhjuseks on ka kiirendus ja koormuse või pöördemomendi variatsioonid. Kuid ajami kujunduses on süsteemi tippvoolud nimivoolust tavaliselt neli korda suurem.
Nende väljakutsetega silmitsi seistes otsivad süsteemidisainerid paremaid sigma-delta modulaatoreid, millel on laiem dünaamiline ulatus või täiustatud signaali-müra ja moonutuste suhe (SINAD). Praeguseks on eraldatud σ-Δ modulaatori tooted pakkunud garanteeritud jõudlust 16- eraldusvõimega ja kuni 12 tõhusa bitti (ENOB).
Sinad=(6.02 n + 1. 76) db kus n=enob
Pärast vähese energiatarbega autojuhtide takistite kolimist soovivad mootorjuhtide tootjad suurendada ka oma autojuhtide võimsust-topoloogiat, mida saab kasutada jõudluse ja kulude põhjustel. Seda saab saavutada ainult palju väiksemate šunttakistide abil, mis nõuab kõrgema jõudlusega modulaatori südamike tekkimist, et lahendada vähendatud signaali amplituudi.
Süsteemidisainerid, eriti servodisainerid, soovivad pidevalt parandada süsteemi reageerimist, vähendades analoog-digitaalseid teisendusaegu või vähendades rühma viivitust digitaalsete filtrite kaudu, mis on seotud isoleeritud Sigma-Delta modulaatori ja šundi takisti topoloogiatega. Nagu varem mainitud, saab konversiooni jõudlusega kaubelda ribalaiuse või filtrirühma viivitusega. Jämedamad, kiiremad filtrid võivad anda kiiremat reageerimist, kuid jõudluse arvelt. Süsteemi kujundaja analüüsib filtri pikkuse või ekstraheerimise kiiruse mõju ja teeb seejärel kompromissid vastavalt tema lõpliku rakenduse vajadustele. Modulaatori kella kiiruse suurendamine aitaks, kuid paljud disainerid töötavad juba 20 MHz maksimaalse kella kiirusega, mis on AD7401A jaoks vastuvõetav. Kellakiiruse suurendamise üks puudusi on kiirguse ja häirete (EMI) mõju potentsiaal. Kõrgema jõudlusega modulaator samal kellamääraga parandab rühma viivitust võrreldes jõudluse kompromissiga, mille tulemuseks on lühemad reageerimisajad, minimeerides samal ajal mõju jõudluse mõjule.