Kontrol gerak industri mencakup berbagai aplikasi, dari kontrol kipas atau pompa berbasis inverter, hingga otomatisasi pabrik dengan kontrol penggerak AC yang lebih canggih, hingga aplikasi otomatisasi canggih seperti robotika dengan kontrol servo yang kompleks. Sistem ini memerlukan deteksi dan umpan balik dari banyak variabel seperti arus belitan motor atau tegangan, arus bus DC atau tegangan, posisi rotor dan kecepatan. Pemilihan variabel dan akurasi pengukuran yang diperlukan tergantung pada persyaratan aplikasi akhir, arsitektur sistem, biaya sistem target atau kompleksitas sistem, dan pertimbangan lain seperti fitur bernilai tambah seperti pemantauan kondisi. Dengan motor yang dilaporkan mengonsumsi 40% energi dunia, peraturan internasional telah meningkatkan fokus pada efisiensi sistem di seluruh aplikasi gerakan industri, meningkatkan pentingnya variabel -variabel ini, terutama arus dan tegangan.
Makalah ini berfokus pada deteksi arus dan tegangan di berbagai topologi rantai sinyal kontrol motor berdasarkan peringkat daya motor, persyaratan kinerja sistem, dan aplikasi akhir. Dalam hal ini, implementasi rantai sinyal kontrol motor bervariasi tergantung pada pemilihan sensor, persyaratan isolasi saat ini, pemilihan analog-to-digital converter (ADC), integrasi sistem, dan daya sistem dan partisi tanah.
Berbagai aplikasi drive industri
Aplikasi kontrol motor berkisar dari inverter sederhana hingga drive servo yang kompleks, tetapi semua termasuk sistem kontrol motor dengan tahap daya dan prosesor yang mendorong modul Modulator Lebar Pulsa (PWM) dengan berbagai tingkat deteksi dan umpan balik. Pandangan yang disederhanakan dari berbagai aplikasi ditunjukkan pada Gambar 1, menggambarkan sistem yang menjadi semakin kompleks ketika seseorang bergerak dari kiri ke kanan, dari sistem kontrol sederhana seperti pompa, kipas, dan kompresor, ke sistem yang dapat diimplementasikan tanpa perlu umpan balik yang tepat, hanya menggunakan mikroprosesor sederhana. Karena kompleksitas sistem meningkat menuju ujung spektrum yang lebih tinggi, sistem kontrol yang kompleks membutuhkan umpan balik yang tepat dan antarmuka komunikasi yang cepat. Contohnya termasuk sensor atau kontrol vektor tanpa sensor induksi atau motor magnet permanen, serta drive industri berdaya tinggi yang dirancang untuk efisiensi-seperti pompa besar, kipas dan kompresor yang ditunjukkan pada Gambar 1. Di ujung atas spektrum, drive servo canggih digunakan dalam aplikasi seperti robotika, peralatan mesin, dan mesin pick-and-place. Ketika sistem menjadi lebih kompleks, penginderaan dan umpan balik variabel menjadi lebih penting.
Gambar 1. Rangkan aplikasi drive industri.
Drive Architecture - System Partitioning
Ada banyak tantangan dalam merancang sistem untuk mengatasi berbagai aplikasi dalam kontrol gerak industri. Rantai sinyal kontrol motor tujuan umum ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Rantai sinyal kontrol motorik umum
Masalah utama adalah persyaratan isolasi, yang sering memiliki dampak signifikan pada topologi dan arsitektur sirkuit akhir. Ada dua faktor kunci yang perlu dipertimbangkan: mengapa mengisolasi dan di mana isolat.
Klasifikasi isolasi yang diperlukan akan ditentukan oleh yang pertama. Persyaratan dapat berupa isolasi keselamatan tegangan tinggi (Selv) untuk melindungi terhadap sengatan listrik buatan manusia, atau isolasi fungsional untuk pergeseran level antara tegangan non-mematikan, atau isolasi untuk integritas data dan tujuan mitigasi kebisingan. Lokasi isolasi biasanya ditentukan oleh kinerja sistem yang diharapkan. Kontrol motor biasanya merupakan lingkungan yang berisik elektrik yang keras, dan desain biasanya menghadapi tegangan mode umum yang besar dari beberapa ratus volt, mungkin beralih pada frekuensi lebih dari 20 kHz, dengan waktu kenaikan DV/DT sementara yang sangat tinggi. Untuk alasan ini, adalah umum untuk mengisolasi tahap daya dari tahap kontrol, baik dalam sistem kinerja tinggi dan dalam sistem di mana daya tinggi secara inheren berisik. Apakah desain menggunakan prosesor tunggal atau pendekatan dua-prosesor juga mempengaruhi lokasi isolasi. Dalam sistem kinerja yang lebih rendah dengan konsumsi daya yang lebih rendah, isolasi biasanya pada antarmuka komunikasi digital, yang berarti bahwa tahap daya dan kontrol memiliki potensi yang sama. Sistem low-end memiliki antarmuka komunikasi bandwidth yang lebih rendah untuk isolasi. Secara tradisional, mengisolasi antarmuka komunikasi dalam sistem kelas atas telah menantang karena bandwidth tinggi dan keterbatasan yang dibutuhkan oleh teknik isolasi tradisional, tetapi ini berubah dengan munculnya produk transceiver yang terisolasi secara magnetis dan RS -485.
Dua elemen kunci dalam desain kontrol motor loop tertutup berkinerja tinggi adalah output modulator PWM dan umpan balik arus fase motor. Gambar 3A dan 3B menggambarkan di mana isolasi yang aman diperlukan, tergantung pada apakah tahap kontrol berbagi potensi yang sama dengan tahap daya atau dirujuk ke tanah. Dalam kedua kasus tersebut, isolasi driver gerbang ujung tinggi dan node deteksi saat ini diperlukan, tetapi pada tingkat isolasi yang berbeda - pada Gambar 3A, hanya isolasi fungsional node ini yang diperlukan, sedangkan pada Gambar 3B, isolasi keamanan fisik (yaitu saat ini) dari node ini sangat penting.
Gambar 3a. Tahap Kontrol dengan Tahap Daya sebagai Referensi
Teknik pengukuran dan topologi untuk deteksi arus dan tegangan
Implementasi rantai sinyal untuk deteksi arus dan tegangan bervariasi tergantung pada pemilihan transduser, persyaratan isolasi saat ini, pemilihan ADC dan integrasi sistem, serta daya sistem dan partisi tanah, seperti yang dijelaskan sebelumnya. Menyadari pengkondisian sinyal untuk pengukuran kesetiaan tinggi bukanlah tugas yang mudah. Misalnya, memulihkan sinyal kecil atau mentransmisikan sinyal digital di lingkungan yang bising seperti itu menantang, sementara mengisolasi sinyal analog bahkan lebih menantang. Dalam banyak kasus, sirkuit isolasi sinyal memperkenalkan penundaan fase yang dapat membatasi kinerja dinamis sistem. Deteksi arus fase sangat menantang karena simpul ini terhubung ke simpul sirkuit yang sama dengan output driver gerbang di tengah tahap daya (modul inverter) dan oleh karena itu memiliki persyaratan yang sama dalam hal isolasi tegangan dan switching transients. Menentukan rantai sinyal pengukuran (teknologi, pengkondisian sinyal dan ADC) yang akan diimplementasikan dalam sistem kontrol motor tergantung pada tiga faktor utama:
Titik atau simpul dalam sistem, karena ini menentukan apa yang perlu diukur.
Level daya motor dan pemilihan sensor yang dihasilkan - apakah itu secara inheren terisolasi atau tidak. Pilihan sensor memiliki dampak yang signifikan pada pilihan ADC, termasuk arsitektur konverter, fungsionalitas dan rentang input analog.
Aplikasi akhir. Ini dapat mendorong kebutuhan untuk resolusi tinggi, akurasi tinggi, atau kecepatan dalam rantai sinyal deteksi. Misalnya, menerapkan kontrol tanpa sensor pada rentang kecepatan yang lebih luas membutuhkan lebih banyak pengukuran lebih sering dan akurasi yang lebih tinggi. Aplikasi akhir juga mempengaruhi kebutuhan untuk fungsionalitas ADC. Misalnya, kontrol multi-sumbu mungkin memerlukan ADC jumlah saluran yang lebih tinggi.
Sensor arus dan tegangan
Sensor arus paling umum yang digunakan dalam kontrol motor adalah resistor shunt, sensor efek aula (HE), dan transformer arus (CTS). Meskipun resistor shunt tidak memberikan isolasi dan mengalami kerugian pada arus yang lebih tinggi, mereka adalah yang paling linier dari semua sensor, memiliki biaya terendah, dan cocok untuk pengukuran AC dan DC. Tingkat sinyal berkurang yang diperlukan untuk membatasi kerugian daya shunt biasanya membatasi aplikasi shunt hingga 50 A atau kurang. Sensor CT dan He memberikan isolasi yang melekat yang memungkinkan mereka untuk melayani sistem saat ini yang tinggi, tetapi karena sensor itu sendiri memiliki akurasi awal yang buruk atau akurasi yang buruk daripada rentang suhu, mereka lebih mahal dan menghasilkan solusi yang kurang akurat daripada yang dapat dicapai dengan resistor shunt.
Lokasi dan topologi pengukuran arus motorik
Selain jenis sensor, beberapa node pengukuran arus motor tersedia. Arus bus DC rata -rata dapat digunakan untuk tujuan kontrol, tetapi dalam drive yang lebih maju, arus belitan motor digunakan sebagai variabel umpan balik utama. Pengukuran arus belitan fase langsung sangat ideal untuk sistem kinerja tinggi. Namun, arus yang berliku dapat diukur secara tidak langsung menggunakan shunt di setiap cabang inverter yang lebih rendah atau shunt tunggal di bus DC. Metode -metode ini memiliki keuntungan bahwa sinyal shunt semuanya dirujuk ke catu daya yang umum, tetapi mengekstraksi arus belitan dari tautan DC memerlukan sinkronisasi sampel ke sakelar PWM. Pengukuran arus belitan fase langsung dapat dilakukan dengan menggunakan salah satu teknik deteksi saat ini di atas, tetapi sinyal resistensi shunt harus diisolasi. Penguat mode umum yang tinggi dapat memberikan isolasi fungsional, tetapi isolasi keselamatan manusia harus disediakan oleh penguat isolasi atau modulator isolasi.
Gambar 4 menunjukkan berbagai opsi umpan balik saat ini yang dijelaskan di atas. Meskipun hanya satu dari opsi ini yang diperlukan untuk umpan balik kontrol, sinyal arus bus DC dapat digunakan sebagai sinyal cadangan untuk perlindungan.
Gbr. 4. Umpan balik motorik yang terisolasi dan tidak terisolasi
Seperti yang disebutkan sebelumnya, kekuatan sistem dan partisi darat akan menentukan klasifikasi isolasi yang diperlukan dan dengan demikian opsi umpan balik mana yang sesuai. Kinerja target sistem juga akan mempengaruhi pilihan sensor atau teknik pengukuran. Ada banyak konfigurasi yang dapat direalisasikan dalam rentang kinerja.
Contoh kinerja yang lebih rendah: tahap daya dan kontrol pada potensi umum, opsi deteksi A atau B
Menggunakan shunt kaki adalah salah satu yang paling ekonomisteChniques untuk mengukur arus motor. Dalam contoh ini, di mana tahap daya berbagi potensi yang samatiAL Sebagai tahap kontrol, tidak ada mode umum yang harus ditangani dan output dari opsi A atau B dapat terhubung langsung ke sirkuit pengkondisian sinyal dan ADC. Jenis topologi ini umumnya akan ditemukan dalam daya rendah dan PE rendahRFSistem Ormance dengan ADC tertanam dalam mikroprosesor.
Contoh kinerja yang lebih tinggi: Tahap kontrol yang terhubung ke bumi, opsi penginderaan C, D, atau E
Dalam contoh ini, diperlukan isolasi keselamatan manusia. Opsi penginderaan C, D, dan E semuanya mungkin. Opsi E memberikan feedb saat ini berkualitas tinggiacK dari ketiga opsi dan, menjadi sistem kinerja yang lebih tinggi, ada kemungkinan adaFPGAatau bentuk pemrosesan lain dalam sistem yang dapat menyediakan filter digital untuk sinyal modulator yang terisolasi. Pilihan ADC untuk Opsi C, sensor yang terisolasi (kemungkinan loop tertutup HE), secara tradisional akan terpisah untuk mencapai kinerja yang lebih tinggi daripada yang mungkin dengan penawaran ADC tertanam hingga saat ini. Opsi D adalah amplifier terisolasi dalam konfigurasi ini, vs.a penguat mode umum, karena diperlukan isolasi keselamatan. Penguat yang terisolasi akan membatasi kinerja, sehingga solusi ADC tertanam mungkin sudah cukup. Ini akan memberikan umpan balik arus kesetiaan terendah dibandingkan dengan opsi C atau E, dan sementara ADC tertanam dapat dianggap sebagai "gratis" dan amplifier terisolasi berpotensi "murah," implementasi biasanya memerlukan komponen tambahan untuk kompensasi offset dan pergeseran level untuk pencocokan rentang input ADC, meningkatkan biaya rantai sinyal keseluruhan.
Ada banyak topologi yang dapat digunakan dalam desain kontrol motor untuk merasakan arus motor dengan banyak factoRsuntuk mempertimbangkan seperti biaya, tingkat daya, dan tingkat kinerja. Tujuan utama bagi sebagian besar perancang sistem adalah untuk meningkatkan umpan balik indera saat ini untuk meningkatkan efisiensi dalam target biaya mereka. Untuk aplikasi akhir yang lebih tinggi, umpan balik saat ini sangat penting untuk ukuran kinerja sistem lain seperti respons dinamis, kebisingan akustik, atau riak torsi, bukan hanya efisiensi. Jelaslah bahwa ada kontinum kinerja yang berjalan dari AC rendah ke tinggiRosS Berbagai topologi AVaiLable dan ini dipetakan secara kasar pada Gambar 5 yang menggambarkan daya daya yang lebih rendah dan lebih tinggi.
Gambar 5. Rentang Kinerja Topologi Deteksi Saat Ini
Sasaran, Kebutuhan, dan Tren yang dihasilkan untuk Perancang Sistem Kontrol Motor: Bermigrasi dari Sensor HE untuk Shunt Resistors
Resistor shunt digabungkan dengan modulator sigma-delta yang terisolasi memberikan umpan balik arus kualitas tertinggi di mana level saat ini cukup rendah untuk penggunaan shunt. Ada tren yang signifikan di antara perancang sistem untuk bermigrasi dari sensor HE untuk shunt resistor, dan tren lain untuk pindah ke pendekatan modulator yang terisolasi daripada pendekatan penguat yang terisolasi. Mengganti hanya sensor mengurangi Bill of Material (BOM) dan biaya penyisipan PCB dan meningkatkan akurasi sensor. Resistor shunt tidak sensitif terhadap medan magnet atau getaran mekanis. Seringkali, perancang sistem menggantikan sensor HE dengan resistor shunt dapat memilih amplifier isolasi dan terus menggunakan ADC yang sebelumnya digunakan dalam desain berbasis sensor HE untuk membatasi tingkat variasi dalam rantai sinyal. Namun, seperti yang disebutkan sebelumnya, kinerja penguat isolasi akan terbatas terlepas dari kinerja ADC.
Mengganti lebih lanjut penguat isolasi dan ADC dengan modulator sigma-delta yang terisolasi akan menghilangkan bottleneck kinerja dan sangat meningkatkan desain, biasanya mengubahnya dari {9- menjadi 10- {{{12- bit level. Sirkuit Analog Overcurrent Protection (OCP) juga dapat dihilangkan, karena filter digital yang diperlukan untuk memproses output modulator Sigma-Delta juga dapat dikonfigurasi untuk memungkinkan loop OCP cepat. Oleh karena itu, setiap analisis BOM harus mencakup tidak hanya amplifier isolasi, ADC mentah, dan pengkondisian sinyal di antara mereka, tetapi juga perangkat OCP yang dapat dihilangkan. AD7401A terisolasi σ-modulator didasarkan pada teknologi coupler ADI dan memiliki kisaran input diferensial ± 250 mV (± 320 mV yang khususnya. Input analog secara terus -menerus diambil sampelnya dengan modulator analog dan informasi input terkandung dalam aliran output digital pada kepadatan hingga 20 MHz data data. Informasi mentah dapat direkonstruksi dengan filter digital yang sesuai, biasanya SINC.®3 untuk pengukuran arus presisi. Karena kinerja konversi dapat diperdagangkan terhadap bandwidth atau penundaan bank filter, lebih kasar, filter yang lebih cepat dapat memberikan OCP respons cepat pada urutan 2 μs, ideal untuk perlindungan IGBT.
Pengurangan ukuran resistor shunt diperlukan
Dari sisi pengukuran sinyal, ada beberapa tantangan utama dalam pemilihan resistor shunt, karena ada pertukaran antara sensitivitas dan konsumsi daya. Nilai resistor yang lebih besar akan memastikan bahwa rentang penuh modulator Sigma-delta atau sebanyak mungkin rentang input analog digunakan, sehingga memaksimalkan rentang dinamis. Namun, nilai resistor yang lebih besar juga akan menghasilkan penurunan tegangan dan mengurangi efisiensi karena kehilangan × R dari resistor I2. Mencapai nonlinier melalui efek pemanasan diri juga bisa menjadi tantangan saat menggunakan resistor yang lebih besar. Akibatnya, perancang sistem dihadapkan dengan pertukaran, yang semakin diperburuk oleh kebutuhan umum untuk memilih ukuran shunt yang dapat melayani banyak model dan motor pada tingkat saat ini yang berbeda. Mempertahankan rentang dinamis juga menantang dalam menghadapi arus puncak yang bisa beberapa kali arus pengenal motor dan kebutuhan untuk menangkap keduanya. Kemampuan untuk mengontrol arus puncak ketika sistem dihidupkan bervariasi berdasarkan desain, dari yang dikontrol dengan ketat (misalnya, 30% di atas nominal) hingga 10 kali nominal. Arus puncak juga disebabkan oleh akselerasi dan variasi beban atau torsi. Namun, dalam desain drive, arus puncak dalam suatu sistem biasanya empat kali arus nominal.
Dihadapkan dengan tantangan-tantangan ini, perancang sistem mencari modulator Sigma-Delta yang unggul dengan rentang dinamis yang lebih luas atau peningkatan rasio sinyal-to-noise dan distorsi (SINAD). Sampai saat ini, produk modulator σ-Δ terisolasi telah menawarkan kinerja yang dijamin dengan resolusi bit 16- dan hingga 12 bit efektif (ENOB).
Sinad=(6.02 n + 1. 76) db di mana n=enob
Dengan pindah ke resistor shunt pada pengemudi daya rendah, produsen pengemudi motor juga ingin meningkatkan peringkat daya driver mereka, topologi yang dapat digunakan untuk alasan kinerja dan biaya. Ini hanya dapat dicapai dengan menggunakan resistor shunt yang jauh lebih kecil, yang membutuhkan munculnya inti modulator kinerja yang lebih tinggi untuk menyelesaikan amplitudo sinyal yang dikurangi.
Perancang sistem, terutama perancang servo, juga terus berusaha untuk meningkatkan respons sistem dengan mengurangi waktu konversi analog-ke-digital atau dengan mengurangi keterlambatan kelompok melalui filter digital yang terkait dengan modulator sigma-delta yang terisolasi dan topologi resistor shunt. Seperti yang disebutkan sebelumnya, kinerja konversi dapat diperdagangkan melawan bandwidth atau penundaan grup filter. Filter yang lebih kasar, lebih cepat dapat memberikan respons yang lebih cepat, tetapi dengan mengorbankan kinerja. Perancang sistem menganalisis dampak panjang filter atau tingkat ekstraksi dan kemudian membuat pengorbanan berdasarkan kebutuhan aplikasi terakhirnya. Meningkatkan laju jam modulator akan membantu, tetapi banyak desainer sudah beroperasi pada laju jam maksimum 20 MHz yang dapat diterima untuk AD7401A. Salah satu kerugian dari meningkatkan laju jam adalah potensi efek radiasi dan gangguan (EMI). Modulator kinerja yang lebih tinggi pada tingkat clock yang sama akan meningkatkan keterlambatan kelompok versus pertukaran kinerja, menghasilkan waktu respons yang lebih pendek sambil meminimalkan dampak pada kinerja.