Ο βιομηχανικός έλεγχος κίνησης καλύπτει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από έλεγχο ανεμιστήρα-με μετατροπέα ή αντλία, έως εργοστασιακό αυτοματισμό με πιο εξελιγμένα χειριστήρια κίνησης AC, έως προηγμένες εφαρμογές αυτοματισμού, όπως η ρομποτική με πολύπλοκα χειριστήρια σερβομηχανισμού. Αυτά τα συστήματα απαιτούν ανίχνευση και ανάδραση πολλών μεταβλητών, όπως ρεύμα ή τάση περιέλιξης κινητήρα, ρεύμα ή τάση διαύλου DC, θέση και ταχύτητα ρότορα. Η επιλογή των μεταβλητών και η απαιτούμενη ακρίβεια μέτρησης εξαρτάται από τις τελικές-απαιτήσεις εφαρμογής, την αρχιτεκτονική συστήματος, το κόστος του συστήματος στόχου ή την πολυπλοκότητα του συστήματος. Υπάρχουν και άλλα ζητήματα, όπως χαρακτηριστικά-προστιθέμενης αξίας, όπως η παρακολούθηση κατάστασης. Με τους ηλεκτρικούς κινητήρες να καταναλώνουν το 40% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας, οι διεθνείς κανονισμοί έχουν αυξήσει την εστίαση στην απόδοση του συστήματος σε όλες τις βιομηχανικές εφαρμογές κίνησης (βλ. Εικόνα 1).
Εικόνα 1. Εύρος εφαρμογών βιομηχανικής κίνησης
Οι τεχνικές ανίχνευσης ρεύματος και τάσης σε διάφορες τοπολογίες αλυσίδας σημάτων ελέγχου κινητήρα ποικίλλουν ανάλογα με τις ονομασίες ισχύος κινητήρα, τις απαιτήσεις απόδοσης του συστήματος και την τελική εφαρμογή. Σε αυτήν την περίπτωση, η υλοποίηση της αλυσίδας σήματος ελέγχου κινητήρα ποικίλλει ανάλογα με την επιλογή αισθητήρα, τις απαιτήσεις απομόνωσης ρεύματος, την επιλογή ADC, την ολοκλήρωση συστήματος και το διαχωρισμό ισχύος/γείωσης συστήματος. Ενώ οι απαιτήσεις απομόνωσης έχουν συνήθως σημαντικό αντίκτυπο στην τοπολογία και την αρχιτεκτονική του τελικού κυκλώματος, αυτό το άρθρο θα επικεντρωθεί στη βελτίωση των μετρήσεων ανίχνευσης ρεύματος (ως ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν) για την επίτευξη ενός πιο αποτελεσματικού συστήματος ελέγχου κινητήρα.
Μετρήσεις I και V
Η γενικευμένη αλυσίδα σήματος ελέγχου κινητήρα φαίνεται στο Σχήμα 2. Η προετοιμασία σήματος για την επίτευξη μετρήσεων υψηλής πιστότητας-δεν είναι εύκολη υπόθεση. Η ανίχνευση ρεύματος φάσης είναι ιδιαίτερα δύσκολη επειδή αυτός ο κόμβος είναι συνδεδεμένος στον ίδιο κόμβο κυκλώματος με τις εξόδους του οδηγού πύλης εντός του πυρήνα της μονάδας μετατροπέα και επομένως έχει τις ίδιες απαιτήσεις όσον αφορά την απομόνωση των τάσεων και τον χειρισμό των μεταβατικών διακοπτών.
Εικόνα 2. Γενικευμένη αλυσίδα σήματος ελέγχου κινητήρα
Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι αισθητήρες ρεύματος στον έλεγχο κινητήρα είναι οι αντιστάσεις διακλάδωσης, οι αισθητήρες εφέ Hall (HES) και οι μετασχηματιστές ρεύματος (CT). Αν και οι αντιστάσεις διακλάδωσης δεν παρέχουν απομόνωση και προκαλούν απώλειες, είναι οι πιο γραμμικοί από όλους τους αισθητήρες, έχουν το χαμηλότερο κόστος και είναι κατάλληλοι τόσο για μετρήσεις AC όσο και για DC. Το μειωμένο επίπεδο σήματος που απαιτείται για τον περιορισμό των απωλειών ισχύος διακλάδωσης συνήθως περιορίζει τις εφαρμογές διακλάδωσης στα 50 A ή λιγότερο. Τα CT και τα HES παρέχουν εγγενή απομόνωση, επιτρέποντάς τους να εξυπηρετούν συστήματα υψηλού ρεύματος, αλλά είναι πιο δαπανηρά λόγω κακής αρχικής ακρίβειας ή χαμηλής ακρίβειας θερμοκρασίας και καταλήγουν σε λύσεις που είναι λιγότερο ακριβείς από αυτές που μπορούν να επιτευχθούν με αντιστάσεις διακλάδωσης. Εκτός από τους τύπους αισθητήρων, υπάρχουν αρκετοί κόμβοι μέτρησης ρεύματος κινητήρα από τους οποίους μπορείτε να επιλέξετε (όπως φαίνεται στο σχήμα 3), με τις απευθείας μετρήσεις σε-περιέλιξη φάσης να είναι η ιδανική επιλογή για τα συστήματα υψηλότερης απόδοσης.
Σχήμα 3. Απομονωμένη και μη{1}}ανατροφοδότηση ρεύματος κινητήρα
Υπάρχουν πολλές τοπολογίες για την ανίχνευση ρεύματος κινητήρα και πολλοί παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη, όπως το κόστος, η κατανάλωση ενέργειας και τα επίπεδα απόδοσης, αλλά ένας βασικός στόχος για τους περισσότερους σχεδιαστές συστημάτων είναι να βελτιώσουν την απόδοση εντός των στόχων κόστους.
Από HES έως Αντιστάσεις Shunt
Οι αντιστάσεις διακλάδωσης συνδέονται με απομονωμένους διαμορφωτές σίγμα-δέλτα (Σ-Δ) για να παρέχουν την υψηλότερη ποιότητα ρεύματος ανάδρασης (τα επίπεδα ρεύματος αρκετά χαμηλά). Υπάρχει μια σημαντική τάση για τους σχεδιαστές συστημάτων να μετακινούνται από το HES σε αντιστάσεις διακλάδωσης και μια άλλη τάση να μετακινούνται σε απομονωμένους διαμορφωτές αντί για μεθόδους απομονωμένων ενισχυτών. Συχνά, όταν οι σχεδιαστές συστημάτων αντικαθιστούν το HES με αντιστάσεις διακλάδωσης, επιλέγουν ενισχυτές απομόνωσης και συνεχίζουν να χρησιμοποιούν τα ADC που χρησιμοποιούνταν προηγουμένως σε σχέδια που βασίζονται σε HES-. Σε αυτήν την περίπτωση, η απόδοση θα περιορίζεται από τον ενισχυτή απομόνωσης, ανεξάρτητα από την απόδοση αναλογικής-σε-ψηφιακής.
Η αντικατάσταση του απομονωμένου ενισχυτή και του ADC με έναν απομονωμένο διαμορφωτή σίγμα-δέλτα θα εξαλείψει το σημείο συμφόρησης απόδοσης και θα βελτιώσει σημαντικά τη σχεδίαση, συνήθως αλλάζοντας την από μάζα ανάδραση 9-bit σε 10 bit σε επίπεδα 12 bit. Το αναλογικό κύκλωμα προστασίας υπερέντασης (OCP) μπορεί επίσης να εξαλειφθεί, καθώς τα ψηφιακά φίλτρα που απαιτούνται για την επεξεργασία των εξόδων του διαμορφωτή sigma-delta μπορούν επίσης να ρυθμιστούν ώστε να ενεργοποιούν γρήγορους βρόχους OCP.
Οι διαθέσιμοι διαμορφωτές Σ-Δ ενδέχεται να έχουν εύρος διαφορικής εισόδου ±250 mV, όπου χρησιμοποιείται πλήρης κλίμακα ±320 mV για το OCP, ιδανικό για μετρήσεις διακλάδωσης αντίστασης. Η δειγματοληψία των αναλογικών εισόδων γίνεται συνεχώς από τον αναλογικό διαμορφωτή και οι πληροφορίες εισόδου περιέχονται σε μια ψηφιακή ροή εξόδου με ρυθμό δεδομένων έως και 20 MHz. Οι πρωτογενείς πληροφορίες μπορούν να ανακατασκευαστούν με κατάλληλα ψηφιακά φίλτρα. Δεδομένου ότι η απόδοση μετατροπής μπορεί να αντισταθμιστεί έναντι του εύρους ζώνης ή της καθυστέρησης της τράπεζας φιλτραρίσματος, τα πιο χονδροειδή, ταχύτερα φίλτρα μπορούν να παρέχουν OCP γρήγορης απόκρισης της τάξης των 2 μs, ιδανικά για προστασία IGBT.
Μείωση του μεγέθους της αντίστασης διακλάδωσης
Από την άποψη της μέτρησης του σήματος, υπάρχουν ορισμένες βασικές προκλήσεις στην επιλογή αντιστάσεων διακλάδωσης, καθώς υπάρχει μια αντιστάθμιση- μεταξύ της ευαισθησίας και της κατανάλωσης ενέργειας. Η μη γραμμικότητα λόγω των εφέ αυτο{2}}θέρμανσης αποτελεί επίσης πρόκληση όταν χρησιμοποιούνται αντιστάσεις υψηλότερης αξίας. Οι σχεδιαστές αντιμετωπίζουν ανταλλαγές-που επιδεινώνονται περαιτέρω από το γεγονός ότι συχνά χρειάζεται να επιλέγεται ένα μέγεθος διακλάδωσης για να εξυπηρετεί πολλά μοντέλα και κινητήρες σε διαφορετικά επίπεδα ρεύματος. Η διατήρηση του δυναμικού εύρους ενόψει των ρευμάτων αιχμής που μπορεί να είναι αρκετές φορές του ονομαστικού ρεύματος του κινητήρα και η ανάγκη αξιόπιστης σύλληψης και των δύο είναι μια πρόκληση.
Αντιμέτωποι με αυτές τις προκλήσεις, οι σχεδιαστές συστημάτων αναζητούν ανώτερους διαμορφωτές σίγμα-δέλτα με ευρύτερο δυναμικό εύρος ή βελτιωμένο λόγο σήματος-προς-θόρυβο και παραμόρφωση (SINAD). Μέχρι σήμερα, μεμονωμένα προϊόντα διαμορφωτή Σ-Δ έχουν προσφέρει εγγυημένη απόδοση με ανάλυση 16 bit και έως 12 ενεργά bit (ENOB).
Εικόνα 4. Το AD7403 είναι ένας διαμορφωτής δέλτα-δεύτερης{3}}τάξης σίγμα-υψηλών επιδόσεωνΥψηλής απόδοσης απομονωμένος διαμορφωτής Sigma Delta
Οι διαμορφωτές τριγώνου απομονωμένου σίγμα-υψηλότερης απόδοσης-θα υποστηρίξουν ένα ευρύ φάσμα αναγκών σε σχέδια βιομηχανικού ελέγχου κινητήρα και θα βελτιώσουν την απόδοση ισχύος των ηλεκτροκινητήρων μειώνοντας το μέγεθος της αντίστασης διακλάδωσης. Ένα παράδειγμα βιομηχανίας είναι ο διαμορφωτής AD7403 της ADI (βλ. Εικόνα 4). Είναι η επόμενη γενιά του AD7401A και προσφέρει ευρύτερο δυναμικό εύρος με τον ίδιο εξωτερικό ρυθμό ρολογιού 20 MHz. Επιτρέπει πιο ευέλικτες επιλογές μεγέθους διακλαδώσεων και επιτρέπει τη χρήση αντιστάσεων διακλάδωσης αντί για HES σε υψηλότερα επίπεδα ρεύματος. Το ENOB του τσιπ είναι συνήθως 14,2 bit. Η δυναμική απόκριση μπορεί επίσης να βελτιωθεί με τη μείωση της καθυστέρησης μέτρησης. Η συσκευή διαθέτει επίσης ένα σχήμα απομόνωσης με υψηλότερη τάση-σε-συνεχή-λειτουργία (VIORM) από τον προκάτοχό της, το οποίο βελτιώνει την απόδοση του συστήματος μέσω υψηλότερων τάσεων διαύλου DC και χαμηλότερων ρευμάτων.