Rūpnieciskās kustības vadība aptver plašu lietojumu klāstu, sākot no invertora{0}}ventilatora vai sūkņa vadības līdz rūpnīcas automatizācijai ar sarežģītākām maiņstrāvas piedziņas vadības ierīcēm, līdz uzlabotām automatizācijas lietojumprogrammām, piemēram, robotikai ar sarežģītām servo vadības ierīcēm. Šīm sistēmām ir nepieciešama daudzu mainīgo lielumu noteikšana un atgriezeniskā saite, piemēram, motora tinumu strāva vai spriegums, līdzstrāvas kopnes strāva vai spriegums, rotora stāvoklis un ātrums. Mainīgo atlase un nepieciešamā mērījumu precizitāte ir atkarīga no gala-lietojumprogrammas prasībām, sistēmas arhitektūras, mērķa sistēmas izmaksām vai sistēmas sarežģītības. Ir arī citi apsvērumi, piemēram, pievienotās vērtības{5}}funkcijas, piemēram, stāvokļa uzraudzība. Tā kā tiek ziņots, ka elektromotori patērē 40% no pasaules elektroenerģijas, starptautiskie noteikumi ir palielinājuši uzsvaru uz sistēmas efektivitāti visās rūpnieciskās kustības lietojumos (sk. 1. attēlu).
1. attēls. Rūpniecisko piedziņu lietojumu klāsts
Strāvas un sprieguma noteikšanas metodes dažādās motora vadības signālu ķēdes topoloģijās atšķiras atkarībā no motora jaudas, sistēmas veiktspējas prasībām un gala lietojuma. Šajā gadījumā motora vadības signālu ķēdes ieviešana atšķiras atkarībā no sensora izvēles, strāvas izolācijas prasībām, ADC izvēles, sistēmas integrācijas un sistēmas barošanas/zemes sadalīšanas. Lai gan izolācijas prasībām parasti ir būtiska ietekme uz galīgās ķēdes topoloģiju un arhitektūru, šajā rakstā galvenā uzmanība tiks pievērsta strāvas noteikšanas mērījumu uzlabošanai (kā vienam no ietekmējošiem faktoriem), lai panāktu efektīvāku motora vadības sistēmu.
I un V mērījumi
Vispārinātā motora vadības signālu ķēde ir parādīta 2. attēlā. Signāla kondicionēšana, lai sasniegtu augstas precizitātes mērījumus, nav viegls uzdevums. Fāzes strāvas noteikšana ir īpaši sarežģīta, jo šis mezgls ir savienots ar to pašu ķēdes mezglu, kur invertora moduļa kodolā atrodas vārtu draivera izejas, un tāpēc tam ir tādas pašas prasības attiecībā uz spriegumu izolēšanu un pārslēgšanas pāreju.
2. attēls. Vispārējā motora vadības signālu ķēde
Motora vadīšanā visbiežāk izmantotie strāvas sensori ir šunta rezistori, Hall efekta sensori (HES) un strāvas transformatori (CT). Lai gan šunta rezistori nenodrošina izolāciju un rada zudumus, tie ir lineārākie no visiem sensoriem, tiem ir viszemākās izmaksas un tie ir piemēroti gan maiņstrāvas, gan līdzstrāvas mērījumiem. Samazinātais signāla līmenis, kas nepieciešams, lai ierobežotu šunta jaudas zudumus, parasti ierobežo šunta lietojumus līdz 50 A vai mazākam. CT un HES nodrošina raksturīgu izolāciju, ļaujot tiem apkalpot lielas strāvas sistēmas, taču tie ir dārgāki sliktas sākotnējās precizitātes vai sliktas temperatūras precizitātes dēļ, un rezultātā tiek iegūti risinājumi, kas ir mazāk precīzi nekā tie, kurus var sasniegt ar šunta rezistoriem. Papildus sensoru veidiem ir pieejami vairāki motora strāvas mērīšanas mezgli, no kuriem izvēlēties (kā parādīts 3. attēlā), un tiešās-fāzes tinumu mērījumi ir ideāla izvēle sistēmām ar visaugstāko veiktspēju.
3. attēls. Izolētas un -neizolētas motora strāvas atgriezeniskā saite
Motora strāvas noteikšanai ir daudz topoloģiju un daudzi faktori, kas jāņem vērā, piemēram, izmaksas, enerģijas patēriņš un veiktspējas līmeņi, taču lielākajai daļai sistēmu dizaineru galvenais mērķis ir uzlabot efektivitāti, ievērojot izmaksu mērķus.
No HES līdz šunta rezistoriem
Šunta rezistori ir savienoti ar izolētiem sigma{0}}delta (Σ-Δ) modulatoriem, lai nodrošinātu visaugstākās kvalitātes strāvas atgriezenisko saiti (strāvas līmenis ir pietiekami zems). Pastāv ievērojama tendence sistēmu projektētājiem pāriet no HES uz šunta rezistoriem, un vēl viena tendence pāriet uz izolētiem modulatoriem, nevis izolētām pastiprinātāju metodēm. Bieži vien, kad sistēmu izstrādātāji aizstāj HES ar šunta rezistoriem, viņi izvēlas izolācijas pastiprinātājus un turpina izmantot ADC, kas iepriekš tika izmantoti HES{4}}balstītajos projektos. šajā gadījumā veiktspēju ierobežos izolācijas pastiprinātājs neatkarīgi no analogās -uz-digitālās veiktspējas.
Izolētā pastiprinātāja un ADC aizstāšana ar izolētu sigma{0}}delta modulatoru novērsīs veiktspējas vājo vietu un ievērojami uzlabos dizainu, parasti mainot to no 9-bitu uz 10 bitu masas atgriezenisko saiti uz 12 bitu līmeni. Analogās pārstrāvas aizsardzības shēmas (OCP) var arī novērst, jo digitālos filtrus, kas nepieciešami sigma-delta modulatora izeju apstrādei, var arī konfigurēt, lai iespējotu ātras OCP cilpas.
Pieejamo Σ-Δ modulatoru diferenciālais ievades diapazons var būt ±250 mV, kur OCP tiek izmantota pilna skala ±320 mV, kas ir ideāli piemēroti rezistīvo šuntu mērījumiem. Analogās ieejas nepārtraukti ņem paraugus ar analogo modulatoru, un ievades informācija tiek ietverta digitālās izvades straumē ar datu pārraides ātrumu līdz 20 MHz. Neapstrādāto informāciju var rekonstruēt ar atbilstošiem digitālajiem filtriem. Tā kā konversijas veiktspēju var kompensēt ar joslas platumu vai filtru bankas aizkavi, rupjāki, ātrāki filtri var nodrošināt ātras atbildes OCP aptuveni 2 μs, kas ir ideāli piemēroti IGBT aizsardzībai.
Samaziniet šunta rezistora izmēru
No signāla mērīšanas viedokļa ir dažas galvenās problēmas, izvēloties šunta rezistoru, jo pastāv kompromiss starp jutību un enerģijas patēriņu. Nelinearitāte pašsasilšanas efektu dēļ ir arī izaicinājums, izmantojot augstākas vērtības rezistorus. Dizaineri saskaras ar kompromisiem-, ko vēl vairāk pastiprina fakts, ka bieži ir jāizvēlas šunta izmērs, lai tas kalpotu daudziem modeļiem un motoriem dažādos strāvas līmeņos. Dinamiskā diapazona saglabāšana, saskaroties ar maksimālo strāvu, kas var vairākas reizes pārsniegt motora nominālo strāvu, un nepieciešamība droši uztvert abus ir izaicinājums.
Saskaroties ar šiem izaicinājumiem, sistēmu dizaineri meklē izcilus sigma{0}}delta modulatorus ar plašāku dinamisko diapazonu vai uzlabotu signāla-pret{2}}trokšņu un kropļojumu attiecību (SINAD). Līdz šim izolēti Σ-Δ modulatoru produkti ir piedāvājuši garantētu veiktspēju ar 16 bitu izšķirtspēju un līdz 12 efektīvajiem bitiem (ENOB).
4. attēls. AD7403 ir augstas -veiktspējas, otrās-kārtas sigma-delta modulatorsAugstas veiktspējas izolēts Sigma Delta modulators
Augstākas -veiktspējas izolēti sigma-delta modulatori atbalstīs plašu rūpniecisko motoru vadības projektu vajadzību klāstu un uzlabos motora piedziņas jaudas efektivitāti, samazinot šunta rezistoru izmēru. Nozares piemērs ir ADI AD7403 modulators (sk. 4. attēlu). Tā ir AD7401A nākamā paaudze un piedāvā plašāku dinamisko diapazonu ar tādu pašu ārējo takts frekvenci 20 MHz. Tas nodrošina elastīgākas šunta izmēru izvēles iespējas un ļauj izmantot šunta rezistorus, nevis HES pie lielāka strāvas līmeņa. mikroshēmas ENOB parasti ir 14,2 biti. Dinamisko reakciju var arī uzlabot, samazinot mērījumu aizkavi. Ierīcei ir arī izolācijas shēma ar augstāku spriegumu-nepārtrauktā{15}}darbībā (VIORM) nekā tās priekšgājējam, kas uzlabo sistēmas efektivitāti, palielinot līdzstrāvas kopnes spriegumu un mazāku strāvu.