Индустријска контрола кретања покрива широк спектар примена, од контроле вентилатора или пумпе засноване на-претварачу, преко фабричке аутоматизације са софистициранијим контролама погона наизменичне струје, до напредних апликација за аутоматизацију као што је роботика са сложеним серво контролама. Ови системи захтевају детекцију и повратне информације о многим варијаблама као што су струја или напон намотаја мотора, струја или напон ДЦ магистрале, положај и брзина ротора. Избор променљивих и потребна тачност мерења зависе од захтева за крајњу{3}}апликацију, архитектуре система, циљне цене система или сложености система. Постоје и друга разматрања, као што су функције{5}}са додатом вредношћу као што је праћење стања. Са електричним моторима који наводно троше 40% светске електричне енергије, међународни прописи су повећали фокус на ефикасност система у апликацијама за индустријско кретање (види слику 1).
Слика 1. Опсег примене индустријских погона
Технике детекције струје и напона у различитим топологијама ланца сигнала управљања мотором варирају у зависности од називне снаге мотора, захтева за перформансама система и крајње примене. У овом случају, имплементација ланца сигнала управљања мотором варира у зависности од избора сензора, захтева за струјном изолацијом, избора АДЦ-а, системске интеграције и партиционисања система за напајање/уземљење. Док захтеви за изолацијом обично имају значајан утицај на коначну топологију и архитектуру кола, овај рад ће се фокусирати на побољшање мерења детекције струје (као један од фактора који утичу) како би се постигао ефикаснији систем управљања мотором.
И и В мерења
Генерализовани ланац сигнала управљања мотором је приказан на слици 2. Кондиционирање сигнала за постизање мерења високе{1}}верности није лак задатак. Детекција фазне струје је посебно изазовна јер је овај чвор повезан са истим чвором кола као и излази драјвера капије унутар језгра модула инвертера, и стога има исте захтеве у погледу изолационих напона и руковања прекидачким транзијентима.
Слика 2. Уопштени ланац управљачких сигнала мотора
Најчешће коришћени струјни сензори у контроли мотора су шант отпорници, сензори са Холовим ефектом (ХЕС) и струјни трансформатори (ЦТ). Иако шант отпорници не обезбеђују изолацију и стварају губитке, они су најлинеарнији од свих сензора, имају најнижу цену и погодни су и за АЦ и ДЦ мерења. Смањени ниво сигнала потребан за ограничавање губитака снаге шанта обично ограничава апликације шанта на 50 А или мање. ЦТ и ХЕС обезбеђују инхерентну изолацију, омогућавајући им да опслужују системе велике струје, али су скупљи због лоше почетне тачности или ниске тачности температуре и резултирају решењима која су мање тачна од оних која се могу постићи са шант отпорницима. Поред типова сензора, постоји неколико чворова за мерење струје мотора које можете изабрати (као што је приказано на слици 3), при чему су директна мерења у-фазним намотајима идеалан избор за системе са највишим перформансама.
Слика 3. Изолована и не-изолована повратна информација о струји мотора
Постоји много топологија за детекцију струје мотора и много фактора које треба узети у обзир као што су трошкови, потрошња енергије и нивои перформанси, али кључни циљ већине дизајнера система је да побољшају ефикасност у оквиру својих циљева трошкова.
Од ХЕС до шант отпорника
Отпорници за шант су повезани са изолованим сигма-делта (Σ-Δ) модулаторима да би се обезбедила струјна повратна спрега највишег квалитета (нивои струје су довољно ниски). Постоји значајан тренд за дизајнере система да пређу са ХЕС на шант отпорнике, и други тренд да се пређу на изоловане модулаторе уместо на изоловане методе појачала. Често, када дизајнери система замене ХЕС са шант отпорницима, они бирају изолационе појачиваче и настављају да користе АДЦ-е који су раније коришћени у ХЕС{4}}базираним дизајнима. у овом случају, перформансе ће бити ограничене изолационим појачалом, без обзира на аналогно-на-дигиталне перформансе.
Замена изолованог појачала и АДЦ-а изолованим сигма{0}}делта модулатором ће елиминисати уско грло у перформансама и значајно побољшати дизајн, обично променом са 9-бита на 10-битну повратну везу масе на 12-битне нивое. Аналогно коло за заштиту од прекомерне струје (ОЦП) се такође може елиминисати, пошто се дигитални филтери потребни за обраду излаза сигма-делта модулатора такође могу конфигурисати да омогуће брзе ОЦП петље.
Доступни Σ-Δ модулатори могу имати диференцијални улазни опсег од ±250 мВ, где се ±320 мВ пуна скала користи за ОЦП, што је идеално за мерења отпорним шантом. Аналогни улази се континуирано узоркују од стране аналогног модулатора, а улазне информације се налазе у дигиталном излазном току са брзином података до 20 МХз. Сирове информације се могу реконструисати одговарајућим дигиталним филтерима. Пошто се перформансе конверзије могу уступити у односу на пропусни опсег или кашњење групе филтера, грубљи, бржи филтери могу да обезбеде брзи одзив ОЦП-а реда величине 2 μс, што је идеално за ИГБТ заштиту.
Смањење величине шант отпорника
Из перспективе мерења сигнала, постоје неки кључни изазови у избору шант отпорника, пошто постоји компромис-између осетљивости и потрошње енергије. Нелинеарност због ефеката само{2}}загревања је такође изазов када се користе отпорници веће вредности. Дизајнери се суочавају са-уступцима који су додатно погоршани чињеницом да се величина шанта често мора изабрати да би опслуживала многе моделе и моторе на различитим тренутним нивоима. Одржавање динамичког опсега у условима вршних струја које могу бити неколико пута веће од називне струје мотора и потребе да се поуздано ухвати и једно и друго је изазов.
Суочени са овим изазовима, дизајнери система траже супериорне сигма{0}}делта модулаторе са ширим динамичким опсегом или побољшаним односом-према-шуму и изобличењу (СИНАД). До данас, изоловани производи Σ-Δ модулатора нудили су гарантоване перформансе са 16-битном резолуцијом и до 12 ефективних бита (ЕНОБ).
Слика 4. АД7403 је високо{2}}учинак, другог-сигма-делта модулатор другог{3}редаИзоловани Сигма Делта модулатор високих перформанси
Виши{0}}изоловани сигма{1}}делта модулатори{0}}перформанси ће подржати широк спектар потреба у дизајну управљања индустријским моторима и побољшати енергетску ефикасност моторних погона смањењем величине шант отпорника. Пример из индустрије је АДИ модулатор АД7403 (погледајте слику 4). То је следећа генерација АД7401А и нуди шири динамички опсег при истој екстерној брзини такта од 20 МХз. Омогућава флексибилније опције димензионисања шанта и дозвољава употребу шант отпорника уместо ХЕС-а на вишим нивоима струје. ЕНОБ чипа је обично 14,2 бита. Динамички одговор се такође може побољшати смањењем кашњења мерења. Уређај такође има изолациону шему са вишим напоном-у-континуираном-раду (ВИОРМ) од свог претходника, што побољшава ефикасност система кроз веће напоне ДЦ магистрале и мање струје.