Teollinen liikkeenohjaus kattaa laajan valikoiman sovelluksia invertteri{0}}pohjaisesta tuulettimen tai pumpun ohjauksesta tehdasautomaatioon kehittyneemmillä vaihtovirtakäytön ohjauksilla, edistyneisiin automaatiosovelluksiin, kuten robotiikkaan monimutkaisilla servoohjauksilla. Nämä järjestelmät vaativat monien muuttujien, kuten moottorin käämin virran tai jännitteen, tasavirtaväylän virran tai jännitteen, roottorin asennon ja nopeuden, havaitsemisen ja takaisinkytkennän. Muuttujien valinta ja vaadittu mittaustarkkuus riippuvat loppusovelluksen-vaatimuksista, järjestelmäarkkitehtuurista, tavoitejärjestelmän hinnasta tai järjestelmän monimutkaisuudesta. Muitakin huomioitavia seikkoja ovat, kuten lisäarvo{5}}ominaisuudet, kuten kunnonvalvonta. Sähkömoottorien kerrotaan kuluttavan 40 % maailman sähköstä, joten kansainväliset määräykset ovat lisänneet keskittymistä järjestelmän tehokkuuteen teollisissa liikesovelluksissa (katso kuva 1).
Kuva 1. Teollisuuden käyttösovellukset
Virran ja jännitteen tunnistustekniikat eri moottorin ohjaussignaaliketjujen topologioissa vaihtelevat moottorin tehon, järjestelmän suorituskykyvaatimusten ja loppusovelluksen mukaan. Tässä tapauksessa moottorin ohjaussignaaliketjun toteutus vaihtelee anturin valinnan, virran eristysvaatimusten, ADC-valinnan, järjestelmän integroinnin ja järjestelmän teho/maa-osion mukaan. Vaikka eristysvaatimuksilla on tyypillisesti merkittävä vaikutus lopullisen piirin topologiaan ja arkkitehtuuriin, tässä artikkelissa keskitytään virranilmaisumittausten parantamiseen (yhdeksi vaikuttavista tekijöistä) tehokkaamman moottorin ohjausjärjestelmän aikaansaamiseksi.
I- ja V-mitat
Yleistetty moottorin ohjaussignaaliketju on esitetty kuvassa 2. Signaalin muokkaaminen korkean-tarkkuuden mittausten saavuttamiseksi ei ole helppo tehtävä. Vaihevirran havaitseminen on erityisen haastavaa, koska tämä solmu on kytketty samaan piirisolmuun kuin hilaohjaimen lähdöt invertterimoduulin sydämessä, ja siksi sillä on samat vaatimukset jännitteiden eristämisen ja kytkentätransienttien käsittelyn suhteen.
Kuva 2. Yleistetty moottorin ohjaussignaaliketju
Moottoriohjauksessa yleisimmin käytetyt virta-anturit ovat shunttivastukset, Hall-efektianturit (HES) ja virtamuuntajat (CT). Vaikka shunttivastukset eivät eristä eivätkä aiheuta häviöitä, ne ovat lineaarisimpia kaikista antureista, niillä on alhaisimmat kustannukset ja ne soveltuvat sekä AC- että DC-mittauksiin. Shuntin tehohäviöiden rajoittamiseen vaadittava alennettu signaalitaso rajoittaa tyypillisesti shunttisovellukset 50 A:iin tai alle. CT:t ja HES:t tarjoavat luontaisen eristyksen, jolloin ne voivat palvella suurivirtajärjestelmiä, mutta ne ovat kalliimpia huonon alkutarkkuuden tai huonon lämpötilatarkkuuden vuoksi ja johtavat ratkaisuihin, jotka ovat vähemmän tarkkoja kuin shunttivastuksilla saavutettavat ratkaisut. Anturityyppien lisäksi valittavissa on useita moottorivirran mittaussolmuja (kuten kuvassa 3), ja suorat in-vaihekäämin mittaukset ovat ihanteellinen valinta tehokkaimmille järjestelmille.
Kuva 3. Eristetty ja -eristetty moottorivirran palaute
Moottorivirran tunnistamiseen on monia topologioita ja monia huomioitavia tekijöitä, kuten hinta, virrankulutus ja suorituskyky, mutta useimpien järjestelmäsuunnittelijoiden tärkein tavoite on parantaa tehokkuutta kustannustavoitteissaan.
HES:stä shunttivastuksiin
Shunttivastukset on kytketty eristettyihin sigma-delta (Σ-Δ) modulaattoreihin korkealaatuisimman virranpalautteen tuottamiseksi (virtatasot riittävän alhaiset). Järjestelmäsuunnittelijoilla on merkittävä suuntaus siirtyä HES:stä shunttivastuksiin, ja toinen suuntaus siirtyä eristettyihin modulaattoreihin eristettyjen vahvistinmenetelmien sijaan. Usein kun järjestelmäsuunnittelijat korvaavat HES:n shunttivastuksilla, he valitsevat eristysvahvistimet ja jatkavat aiemmin HES{4}}pohjaisissa malleissa käytettyjen ADC:iden käyttöä. tässä tapauksessa erotusvahvistin rajoittaa suorituskykyä analogisesta -digitaaliseen{7}}suorituskyvystä riippumatta.
Eristetyn vahvistimen ja ADC:n korvaaminen eristetyllä sigma-delta-modulaattorilla poistaa suorituskyvyn pullonkaulan ja parantaa huomattavasti suunnittelua, tyypillisesti muuttamalla se 9-bitistä 10-bittiseen massapalautteeseen 12-bittiselle tasolle. Analoginen ylivirtasuojapiiri (OCP) voidaan myös poistaa, koska sigma-delta-modulaattorin lähtöjen käsittelyyn tarvittavat digitaaliset suodattimet voidaan myös konfiguroida mahdollistamaan nopeat OCP-silmukat.
Saatavilla olevilla Σ-Δ-modulaattoreilla voi olla ±250 mV:n differentiaalinen tuloalue, jossa OCP:lle käytetään ±320 mV:n täyttä skaalaa, mikä on ihanteellinen resistiivisiin shunttimittauksiin. Analoginen modulaattori näytteistää analogisia tuloja jatkuvasti, ja tulotiedot sisältyvät digitaaliseen lähtövirtaan, jonka tiedonsiirtonopeus on jopa 20 MHz. Raakainformaatio voidaan rekonstruoida sopivilla digitaalisilla suodattimilla. Koska muunnossuorituskyky voidaan korvata kaistanleveyden tai suodatinpankin viiveellä, karkeammat, nopeammat suodattimet voivat tarjota nopean vasteen OCP:tä noin 2 μs, mikä on ihanteellinen IGBT-suojaukseen.
Shunttivastuksen koon pienentäminen
Signaalin mittauksen näkökulmasta shunttivastuksen valinnassa on joitakin keskeisiä haasteita, koska herkkyyden ja virrankulutuksen välillä on kompromissi.{0}} Itse-lämpenemisvaikutuksista johtuva epälineaarisuus on myös haaste käytettäessä suurempiarvoisia vastuksia. Suunnittelijat joutuvat kohtaamaan kompromisseja-, joita pahentaa entisestään se, että shuntin koko on usein valittava palvelemaan monia malleja ja moottoreita eri virtatasoilla. Dynaamisen alueen ylläpitäminen huippuvirroissa, jotka voivat olla useita kertoja moottorin nimellisvirtaan verrattuna, ja tarve siepata molemmat luotettavasti on haaste.
Näiden haasteiden edessä järjestelmäsuunnittelijat etsivät ylivoimaisia sigma{0}}delta-modulaattoreita, joilla on laajempi dynaaminen alue tai parannettu signaali---kohina- ja vääristymäsuhde (SINAD). Tähän mennessä eristetyt Σ-Δ-modulaattorituotteet ovat tarjonneet taatun suorituskyvyn 16-bittisellä resoluutiolla ja jopa 12 tehoisella bitillä (ENOB).
Kuva 4. AD7403 on korkean-suorituskyvyn, toisen-kertaluvun sigma-delta-modulaattoriTehokas eristetty Sigma Delta -modulaattori
Tehokkaammat -suorituskykyiset eristetyt sigma-delta-modulaattorit tukevat monenlaisia tarpeita teollisuuden moottoreiden ohjausjärjestelmissä ja parantavat moottorikäyttöjen tehotehokkuutta pienentämällä shunttivastuksen kokoa. Teollisuuden esimerkki on ADI:n AD7403-modulaattori (katso kuva 4). Se on AD7401A:n seuraavan sukupolven ja tarjoaa laajemman dynaamisen alueen samalla ulkoisella kellotaajuudella 20 MHz. Se mahdollistaa joustavammat shunttimitoitusvaihtoehdot ja mahdollistaa shunttivastuksien käytön HES:ien sijasta suuremmilla virtatasoilla. sirun ENOB on tyypillisesti 14,2 bittiä. Dynaamista vastetta voidaan myös parantaa vähentämällä mittausviivettä. Laitteessa on myös edeltäjäänsä korkeampi jännite-jatkuvassa{15}}toiminnassa (VIORM) (VIORM), mikä parantaa järjestelmän tehokkuutta korkeampien tasavirtaväylän jännitteiden ja pienempien virtojen ansiosta.