Teollisuuden liikkeenohjaus kattaa laajan valikoiman sovelluksia, invertteripohjaisesta tuulettimen tai pumpun ohjauksesta tehdasautomaatioon, jossa on hienostuneempia AC-aseman hallintaa, edistyneisiin automaatiosovelluksiin, kuten robotiikkaan, jossa on monimutkaisia servoohjauksia. Nämä järjestelmät vaativat monien muuttujien, kuten moottorin käämitysvirran tai jännitteen, tasavirtavirran tai jännitteen, roottorin sijainnin ja nopeuden, havaitsemisen ja palautteen. Muuttujien valinta ja vaadittu mittaustarkkuus riippuu loppukäyttövaatimuksista, järjestelmäarkkitehtuurista, kohdejärjestelmän kustannuksista tai järjestelmän monimutkaisuudesta ja muista näkökohdista, kuten lisäarvoa koskevista ominaisuuksista, kuten ehtojen seuranta. Kun moottorien on ilmoitettu kuluttavan 40% maailman energiasta, kansainväliset määräykset ovat lisänneet keskittymistä järjestelmän tehokkuuteen teollisuusliikesovelluksissa, mikä lisää näiden muuttujien, etenkin virran ja jännitteen, merkitystä.
Tässä artikkelissa keskitytään virran ja jännitteen havaitsemiseen eri moottorin ohjaussignaaliketjun topologioissa, jotka perustuvat moottorin tehon arvioihin, järjestelmän suorituskykyvaatimuksiin ja loppusovelluksiin. Tässä tapauksessa moottorin ohjaussignaaliketjun toteutus vaihtelee anturin valinnasta, virran eristysvaatimuksista, analogia-digitaalimuuntimen (ADC) valinnasta, järjestelmän integroinnista sekä järjestelmän tehosta ja maa-osastoista.
INDUSTOND DRIVE -sovellusten valikoima
Moottorin ohjaussovellukset vaihtelevat yksinkertaisista inverttereistä monimutkaisiin servo -asemiin, mutta kaikki sisältävät moottorin ohjausjärjestelmät, joissa on sähkövaiheet ja prosessorit, jotka ohjaavat pulssin leveyden modulaattorin (PWM) moduuleja, joilla on vaihtelevat havaitsemisen ja palautteen tasot. Yksinkertaistettu näkymä sovellusalueesta on esitetty kuvassa 1, joka kuvaa yhä monimutkaisempia järjestelmiä, jotka siirtyvät vasemmalta oikealle, yksinkertaisista ohjausjärjestelmistä, kuten pumput, puhaltimet ja kompressorit, järjestelmiin, jotka voidaan toteuttaa ilman tarkkaa palautetta käyttämällä vain yksinkertaisia mikroprosessoreita. Kun järjestelmän monimutkaisuus kasvaa kohti spektrin yläpäätä, kompleksiset ohjausjärjestelmät vaativat tarkkaa palautetta ja nopeaa viestintärajapintoja. Esimerkkejä ovat induktion tai pysyvien magneettimoottorien anturi tai anturiton vektoriohjaus sekä tehokkuudelle suunniteltujen suuritehoiset teollisuusasemat-kuten kuviossa 1 esitetyt suuret pumput, tuulettimet ja kompressorit. Spektrin yläpäässä käytetään hienostuneita servo-asemia, kuten robotiikka, työstötyökalut ja pick-and-pistorasiat. Kun järjestelmät muuttuvat monimutkaisemmiksi, muuttujien tunnistaminen ja palaute tulee tärkeämmäksi.
Kuva 1. Arvio teollisuuden asemasovellukset.
Aja arkkitehtuuri - Järjestelmäosiointi
Järjestelmien suunnittelussa on monia haasteita monenlaisten sovellusten ratkaisemiseksi teollisuuden liikkeen hallinnassa. Yleinen tarkoituksena moottorin ohjaussignaaliketju on esitetty kuvassa 2.
Kuva 2. Yleinen moottorin ohjaussignaaliketju
Tärkein kysymys on eristysvaatimukset, joilla on usein merkittävä vaikutus lopulliseen piirin topologiaan ja arkkitehtuuriin. Otetaan huomioon kaksi keskeistä tekijää: miksi eristä ja missä erisko.
Vaadittava eristysluokitus määrää entisen. Vaatimukset voivat olla korkeajännitteisen turvallisuuden eristäminen (SELV) suojaamaan ihmisen aiheuttamilta sähköiskisokilta tai toiminnalliselta eristämiseltä tason siirtymisen varalta ei-tappavien jännitteiden välillä tai eristäminen tietojen eheyden ja melun lieventämiselle. Eristämisen sijainti määritetään yleensä odotetun järjestelmän suorituskyvyn perusteella. Moottorin ohjaus on tyypillisesti ankara sähköinen meluisa ympäristö, ja mallit kohtaavat tyypillisesti useiden satojen voltin suuret yhteisen moodin jännitteet, jotka mahdollisesti vaihtavat yli 20 kHz: n taajuuksilla, erittäin korkealla ohimenevällä DV/DT-nousulla. Tästä syystä on yleistä eristää voimavaihe ohjausvaiheesta, sekä korkean suorituskyvyn järjestelmissä että järjestelmissä, joissa suuri teho on luonnostaan meluisa. Vaikuttaako myös eristyspaikkaan yhden prosessorin tai kaksoisprosessorin lähestymistapaa. Pienemmissä suorituskykyjärjestelmissä, joissa on alhaisempi virrankulutus, eristäminen on yleensä digitaalisen viestinnän rajapinnassa, mikä tarkoittaa, että teho- ja ohjausvaiheilla on sama potentiaali. Pienen pääjärjestelmien kaistanleveysviestintärajapinnat ovat alhaisemmat eristyksessä. Viestinnän rajapintojen eristäminen huippuluokan järjestelmissä on perinteisesti ollut haastavaa perinteisten eristystekniikoiden edellyttämien korkean kaistanleveyden ja rajoitusten vuoksi, mutta tämä muuttuu magneettisesti eristettyjen CAN: n ja RS: n ja -485 -näytintuotteiden tuloksen myötä.
Kaksi avainelementtiä korkean suorituskyvyn suljetun silmukan moottorin ohjausmallissa ovat PWM-modulaattorin lähtö ja moottorin vaiheen virran palaute. Kuviot 3a ja 3b kuvaavat, missä turvallista eristämistä vaaditaan riippuen siitä, onko ohjausvaiheessa sama potentiaali kuin voimavaihe vai viitataanko maaperään. Kummassakin tapauksessa vaaditaan huippuluokan portin ohjaimen ja virran havaitsemisolmujen eristäminen, mutta kuvassa 3A eri eristyksen eri tasoilla vaaditaan vain näiden solmujen toiminnallinen eristäminen, kun taas kuviossa 3B fysikaalinen turvallisuus (ts. Virta) näiden solmujen eristäminen on kriittinen.
Kuva 3a. Ohjausvaihe Power Stage -viitteenä
Mittaustekniikat ja topologiat virran ja jännitteen havaitsemiseksi
Virta- ja jännitteen havaitsemisen signaaliketjun toteutukset vaihtelevat muuntimen valinnan, virran eristämisvaatimusten, ADC: n valinnan ja järjestelmän integroinnin sekä järjestelmän tehon ja maanosioinnin mukaan, kuten aiemmin on kuvattu. Signaalin hoitamisen toteuttaminen korkean uskollisuuden mittauksiin ei ole helppo tehtävä. Esimerkiksi pienten signaalien palauttaminen tai digitaalisten signaalien lähettäminen sellaisissa meluisissa ympäristöissä on haastavaa, kun taas analogisten signaalien eristäminen on vielä haastavampaa. Monissa tapauksissa signaalin eristämispiirit tuovat vaiheen viivästyksiä, jotka voivat rajoittaa järjestelmän dynaamista suorituskykyä. Vaiheen virran havaitseminen on erityisen haastavaa, koska tämä solmu on kytketty samaan piirisolmuun kuin portinohjaimen lähtötehopan keskustassa (invertterimoduuli), ja siksi sillä on samat vaatimukset jännitteen eristämisessä ja siirtämisessä. Mittaussignaaliketjun (tekniikka, signaalin ilmastointi ja ADC) määrittäminen moottorin ohjausjärjestelmässä riippuu kolmesta avaintekijästä:
Järjestelmän kohta tai solmu, koska tämä määrittää, mitä on mitattava.
Moottorin tehotaso ja tuloksena oleva anturin valinta - onko se luonnostaan eristetty vai ei. Anturin valinnalla on merkittävä vaikutus ADC: n valintaan, mukaan lukien muuntimen arkkitehtuuri, toiminnallisuus ja analoginen tuloalue.
Loppu -sovellus. Tämä voi johtaa korkean resoluution, suuren tarkkuuden tai nopeuden tarvetta havaitsemissignaaliketjussa. Esimerkiksi anturittoman ohjauksen toteuttaminen laajemmalle nopeusalueelle vaatii enemmän mittauksia useammin ja suuremman tarkkuuden. Loppusovellus vaikuttaa myös ADC -toimintojen tarvetta. Esimerkiksi moni-akselin ohjaus voi vaatia korkeampaa kanavan määrää ADC.
Virta- ja jännitetunnistimet
Yleisimmät moottorin ohjauksessa käytetyt virran anturit ovat shunttivastukset, Hall Effect (HE) -anturit ja nykyiset muuntajat (CTS). Vaikka shunttivastukset eivät tarjoa eristystä ja aiheutuvat häviöitä suuremmilla virtauksilla, ne ovat kaikkien antureiden lineaarisimpia, niissä on alhaisimmat kustannukset ja ne sopivat sekä AC- että DC -mittauksiin. Alennettu signaalitaso, joka tarvitaan šuntin tehonhäviöiden rajoittamiseksi, rajoittaa tyypillisesti shunt -sovellukset arvoon 50 A tai vähemmän. CT: n ja hänen anturit tarjoavat luontaisen eristyksen, joka antaa heille mahdollisuuden palvella korkeita virran järjestelmiä, mutta koska anturilla on huono alkuperäinen tarkkuus tai huono tarkkuus lämpötila -alueilla, ne ovat kalliimpia ja johtavat ratkaisuun, joka on vähemmän tarkka kuin se, mikä voidaan saavuttaa šunttikestävällä.
Moottorin virran mittauspaikat ja topologiat
Anturityypin lisäksi on saatavana useita moottorin virran mittaussolmuja. Keskimääräistä tasavirtaväylän virtaa voidaan käyttää ohjaustarkoituksiin, mutta edistyneemmissä asemissa moottorin käämitysvirtaa käytetään pääasiallisena palautemuuttujana. Suoran vaiheen käämitysvirran mittaus on ihanteellinen korkean suorituskyvyn järjestelmille. Käämitysvirrat voidaan kuitenkin mitata epäsuorasti käyttämällä shuntteja jokaisessa alemmassa invertterihaarassa tai yhden šuntin DC -väylässä. Näillä menetelmillä on se etu, että kaikki shuntisignaalit viitataan yleiseen virtalähteeseen, mutta käämitysvirran purkaminen tasavirtalinkistä vaatii näytteiden synkronointia PWM -kytkimiin. Suoran vaiheen käämitysvirran mittaukset voidaan tehdä käyttämällä mitä tahansa yllä olevista virran havaitsemistekniikoista, mutta šuntin vastussignaali on eristettävä. Korkea yhteisen tilan vahvistin voi tarjota funktionaalisen eristyksen, mutta ihmisen turvallisuuden eristäminen on tarjottava eristysvahvistimella tai eristysmodulaattorilla.
Kuvio 4 näyttää yllä kuvattuja nykyisiä palautevaihtoehtoja. Vaikka ohjauspalautetta tarvitaan vain yksi näistä vaihtoehdoista, DC -väylän virran signaalia voidaan käyttää varmuuskopionaan suojaamiseksi.
Kuva 4. Eristetty ja eristämätön moottorin virran palaute
Kuten aikaisemmin mainittiin, järjestelmän teho ja maa -osastot määrittävät vaaditun eristysluokituksen ja siten mitkä palautevaihtoehdot ovat tarkoituksenmukaisia. Järjestelmän kohteen suorituskyky vaikuttaa myös anturin tai mittaustekniikan valintaan. Suorituskykyalueella voidaan toteuttaa monia kokoonpanoja.
Esimerkki alhaisemmasta suorituskyvystä: teho- ja ohjausvaiheet yleisessä potentiaalissa, havaitsemisvaihtoehdot a tai b
Jalka -askelmien käyttäminen on yksi taloudellisimmistateerataCHNIQUES moottorin virran mittaamiseksi. Tässä esimerkissä, joissa sähkövaihe on sama potentiatiAL: n ohjausvaiheessa ei ole yhteistä tilaa, jota voidaan käsitellä, ja vaihtoehdon A tai B lähdöt voivat muodostaa yhteyden suoraan signaalin ilmastointipiiriin ja ADC: hen. Tämän tyyppistä topologiaa löytyy yleensä matalalla ja alhaisella PE: llärfOrmance -järjestelmä ADC: n kanssa upotettu mikroprosessoriin.
Korkeampi suorituskykyesimerkki: Maan kytketty ohjausvaihe, tunnistusvaihtoehto C, D tai E
Tässä esimerkissä vaaditaan ihmisten turvallisuuden eristämistä. Asetusvaihtoehdot C, D ja E ovat kaikki mahdollisia. Vaihtoehto E tarjoaa korkealaatuisimman virran syötettäacK kaikista kolmesta vaihtoehdosta ja korkeamman suorituskyvyn järjestelmänä on todennäköistä, että on olemassaFPGAtai muu prosessointimuoto järjestelmässä, joka voi tarjota digitaalisen suodattimen eristetylle modulaattorin signaalille. Vaihtoehdon C ADC -valinta, eristetty anturi (todennäköisesti suljettu silmukka HE), olisi perinteisesti erillinen saavuttaaksesi paremman suorituskyvyn kuin mahdollista, upotetuilla ADC -tarjouksilla. Vaihtoehto D on eristetty vahvistin tässä kokoonpanossa, verrattuna yhteisen moodin vahvistimeen, koska turvallisuuden eristäminen vaaditaan. Eristetty vahvistin rajoittaa suorituskykyä, joten sulautettu ADC -liuos voi riittää. Tämä tarjoaa alhaisimman uskollisuuden virran palautteen vaihtoehtoihin C tai E verrattuna, ja vaikka sulautettu ADC voidaan pitää "vapaana" ja eristetty vahvistin mahdollisesti "halpa", toteutus vaatii yleensä lisäkomponentteja offset -kompensointiin ja tasonsiirtoon ADC -tuloalueen sovittamiseksi, mikä lisää signaaliketjun kustannuksia.
On olemassa monia topologioita, joita voidaan käyttää moottorin ohjaussuunnittelussa moottorin virran tuntemiseksi monien fakujen kanssarsharkita, kuten kustannuksia, tehotasoa ja suorituskykytasoa. Useimmille järjestelmäsuunnittelijoille avaintavoite on parantaa nykyistä aistin palautetta kustannuskohteiden tehokkuuden parantamiseksi. Korkeampien loppusovellusten suhteen nykyinen palaute on kriittinen muille järjestelmän suorituskykymittauksille, kuten dynaaminen vaste, akustinen kohina tai vääntömomentti, ei vain tehokkuus. On selvää, että suorituskyvyn jatkuvuus on alhaisesta korkeaan vaihtovirtaanross erilaiset topologiat avAILable ja tämä on kartoitettu karkeasti kuvassa 5, joka kuvaa sekä alemman tehon että korkeamman tehovaihtoehtoja.
Kuva 5. Nykyinen havaitsemisen topologian suorituskykyalue
Tavoitteet, tarpeet ja tuloksena olevat suuntaukset moottorin ohjausjärjestelmän suunnittelijoille: siirtyminen antureista shunt -vastukseen
Eristettyihin sigma-delta-modulaattoreihin kytkettynä shunttivastukset tarjoavat korkealaatuisimman virran palautteen, jossa nykyinen taso on riittävän alhainen šuntin käyttöön. Järjestelmäsuunnittelijoiden keskuudessa on merkittävä suuntaus siirtyäkseen antureista shunt -vastukseen ja toinen suuntaus siirtyäkseen eristettyyn modulaattorin lähestymistapaan eikä eristettyyn vahvistimen lähestymistapaan. Vain anturin korvaaminen vähentää materiaalilaskua (BOM) ja PCB: n lisäyskustannuksia ja parantaa anturin tarkkuutta. Shunt -vastukset eivät ole herkkiä magneettikentälle tai mekaaniselle värähtelylle. Usein järjestelmäsuunnittelijat, jotka korvaavat hänen anturit shuntvastuksilla Kuten aiemmin mainittiin, eristysvahvistimen suorituskyky on kuitenkin rajoitettu ADC -suorituskyvystä riippumatta.
Eristevahvistimen ja ADC: n korvaaminen edelleen eristetyllä sigma-delta-modulaattorilla eliminoi suorituskyvyn pullonkaulan ja parantaa mallia huomattavasti, muuttaen sitä tyypillisesti 9- 10- bitin laadun palautteen 12- bittitasoon. Analogiset ylivirtasuojauspiirit (OCP) voidaan myös eliminoida, koska sigma-delta-modulaattorin lähdöiden käsittelemiseksi tarvittavat digitaaliset suodattimet voidaan myös konfiguroida nopean OCP-silmukoiden mahdollistamiseksi. Siksi minkä tahansa BOM-analyysin tulisi sisältää paitsi eristysvahvistimet, raa'at ADC: t ja niiden väliset signaalilaitokset, vaan myös OCP-laitteet, jotka voidaan eliminoida. AD7401a eristetty σ-Δ-modulaattori perustuu ADI-kytkentätekniikkaan ja sillä on differentiaalinen syöttöalue ± 250 mV (± 320 MV: n koko mittakaavassa käytettynä OCP), joka on hyvin tavoitettavissa. Analogiset tulot otetaan jatkuvasti näytteitä analogimodulaattorilla ja tulotiedot sisältyvät digitaaliseen lähtövirtaan tiheydellä, joka on jopa 20 MHz: n tiedonsiirto. Raakatiedot voidaan rekonstruoida sopivalla digitaalisuodattimella, tyypillisesti Sinc.®3 tarkkuusvirtamittauksille. Koska muuntamis suorituskykyä voidaan käydä vaihtamalla kaistanleveyden tai suodatinpankkiviivettä vastaan, karkeampaa, nopeammat suodattimet voivat tarjota nopean vasteen OCP: t 2 μs: n luokkaa, joka on ihanteellinen IGBT -suojaamiseen.
Shunt -vastuksen koon pienentäminen vaaditaan
Signaalin mittauspuolelta shuntin vastuksen valinnassa on joitain keskeisiä haasteita, koska herkkyyden ja virrankulutuksen välillä on kompromissi. Suuremmat vastusarvot varmistavat, että käytetään sigma-delta-modulaattorin tai mahdollisimman suuren osan analogisen tuloalueesta, mikä maksimoi dynaamisen alueen. Suuremmat vastusarvot johtavat kuitenkin myös jännitteen pudotukseen ja vähentyneeseen tehokkuuteen johtuen I2 -vastuksen × R -menetyksestä. Epälineaarisuuden saavuttaminen itsekämmittävien vaikutusten avulla voi myös olla haaste, kun käytetään suurempia vastuksia. Seurauksena on, että järjestelmäsuunnittelijat kohtaavat kompromisseja, joita edelleen pahentaa yleinen tarve valita šuntikoot, jotka voivat palvella monia malleja ja moottoreita eri virran tasoilla. Dynaamisen alueen ylläpitäminen on myös haastavaa huippuvirtojen edessä, jotka voivat olla useita kertoja moottorin nimellisvirta ja tarve luotettavasti kaappaamaan molemmat. Kyky hallita huippuvirtaa, kun järjestelmä kytketään päälle, vaihtelee suunnittelun mukaan tiukasti kontrolloidusta (esim. 30% nimellisen yläpuolella) jopa 10 kertaa nimellisiin. Huipput virrat johtuvat myös kiihtyvyydestä ja kuormituksesta tai vääntömomentin variaatioista. Yritysmallissa järjestelmän huippuvirrat ovat kuitenkin tyypillisesti neljä kertaa nimellisvirta.
Näiden haasteiden edessä järjestelmäsuunnittelijat etsivät ylivoimaisia sigma-delta-modulaattoreita, joilla on laajempi dynaaminen alue tai parannetut signaali-kohinan ja vääristymisen suhteen (SINAD). Tähän päivään mennessä eristetyt σ-Δ-modulaattorituotteet ovat tarjonneet taatun suorituskyvyn 16- biteresoluutiolla ja jopa 12 tehokasta bittiä (ENOB).
SINAD=(6.02 n + 1. 76) db missä n=enob
Siirtyessään pienitehoisten kuljettajien shunt-vastukseen moottorin kuljettajan valmistajat pyrkivät myös lisäämään kuljettajiensa tehokehitystä, topologiaa, jota voidaan käyttää suorituskykyyn ja kustannussyihin. Tämä voidaan suorittaa vain käyttämällä vain paljon pienempiä shunttivastuksia, mikä vaatii korkeamman suorituskyvyn modulaattorin ytimien syntymistä vähentyneen signaalin amplitudin ratkaisemiseksi.
Järjestelmäsuunnittelijat, etenkin servosuunnittelijat, pyrkivät myös jatkuvasti parantamaan järjestelmän vastetta vähentämällä analogia-digitaalisia muuntoaikoja tai vähentämällä ryhmäviivettä eristettyihin sigma-delta-modulaattoriin liittyvien digitaalisten suodattimien avulla. Kuten aiemmin mainittiin, muuntamistulokset voidaan käydä vaihtamalla kaistanleveyden tai suodatinryhmän viivettä vastaan. Karkeammat, nopeammat suodattimet voivat tarjota nopeamman vastauksen, mutta suorituskyvyn kustannuksella. Järjestelmäsuunnittelija analysoi suodattimen pituuden tai poistoasteen vaikutusta ja tekee sitten kompromisseja lopullisen sovelluksensa tarpeiden perusteella. Modulaattorin kellonopeuden lisääminen auttaisi, mutta monet suunnittelijat toimivat jo AD7401A: n hyväksyttävällä 20 MHz: n enimmäiskorolla. Yksi kellonopeuden nostamisen haitoista on säteily- ja häiriöiden (EMI) vaikutusten potentiaali. Korkeamman suorituskyvyn modulaattori samalla kellotaajuudella parantaa ryhmäviivettä verrattuna suorituskyvyn kompromissiin, mikä johtaa lyhyempiin vasteaikoihin ja minimoi samalla vaikutuksen suorituskykyyn.