Vyberte a implementujte správnou konstrukci řízení motoru, která splňuje požadavky koncepce Industry 4.0.

Éra koncepce Industry 4.0 neboli průmyslového internetu věcí (IIoT) činí systémy chytřejšími tím, že poskytuje lokalizovanou inteligenci a konektivitu mezi stroji, počítači a internetem. Jedním z důvodů této konektivity je skutečnost, že výrobní systémy a subsystémy lze monitorovat a řídit s ohledem na vyšší efektivitu, spolehlivost a stabilitu. Tato éra má důsledky pro průmyslové motory, které tvoří velkou část energetických zdrojů automatizovaného provozu a kde jejich porucha může odstavit celou výrobní linku.

Z toho plyne důležitost efektivního řízení motorů, zejména s ohledem na otáčky a točivý moment, které společně výrazně ovlivňují dynamický rozsah motoru. Účinné řízení těchto dvou parametrů vyžaduje vysoký stupeň přesnosti zpětné vazby. Pro dosažení této přesnosti musí konstruktéři pečlivě volit mezi low-side, high-side nebo in-line snímáním proudu a poté optimálně implementovat příslušné obvody.

Tento článek stručně pojednává o těchto třech možnostech snímání proudu, poté ukazuje, jak ideální zesilovač v in-line snímači proudu motoru poskytuje reálné informace o proudu a fázi. Poté popisuje, jak používat obousměrný proudový snímací zesilovač (CSA) od společnosti Maxim Integrated s potlačením pulzní šířkové modulace (PWM) ke konfiguraci třífázového motorového systému pro dosažení efektivnějšího provozu.

Low-side, high-side nebo in-line snímání proudu?

Tři možnosti snímání - low-side, high-side a in-line - se značně liší v implementaci (obrázek 1). Konstrukce low-side snímače proudu motoru využívá snímací odpor a zesilovač v blízkosti, země (vlevo dole).

Obrázek 1: Možnosti snímání otáček a točivého momentu pomocí obvodu low-side, high-side a in-line. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Ze tří možností je nejintuitivnější a nejpřímější low-side obvod snímání proudu. Je vhodný pro spotřebitelské aplikace, kde je nákladová efektivita často jedním z hlavních konstrukčních požadavků.

Low-side snímací obvod používá zesilovač v blízkosti země a zachycuje postupně proud jednotlivých větví. Obvod používá univerzální, levné operační zesilovače ve spodní části hradlem řízených FET vrstev a snímací odpor (R_S) se souhlasným napětím v blízkosti země (obrázek 2). Pro zatěžovací proud až 100 A je malý snímací odpor (R_S) obvykle realizován odporem spoje na obvodové desce.

Obrázek 2: Tento obvod pro low-side snímání proudu střídavého motoru používá zesilovač CMOS, kde napětí v soufázovém režimu dosahuje záporné napájení zesilovače. (Zdroj obrázku: Bonnie Baker)

Na obrázku 2 udává zatěžovací proud vedení jednou FET vrstvou střídavého motoru. K dosažení země tento obvod potřebuje vstupní rozsah souhlasných napětí zesilovače. Obvod zesilovače získá napětí na odporu R_S, který poskytuje odečet napětí velikosti zátěžného proudu (I_L). Toto napětí se přivádí na neinvertující vstup zesilovače se ziskem rovným (1 + R_F / R_G) nebo ~50 V/V.

Obvod AD8691 od společnosti Analog Devices lze použít jako zesilovač. Jedná se o levný, generický operační zesilovač s šířkou pásma 10 MHz. Jeho vstupní tranzistory CMOS poskytují typický klidový proud 0,2 pikoampérů (pA) a rozsah souhlasných napětí ležící o -0,3 V pod záporným napájecím napětím.

Výstup zesilovače je přiveden do analogově-digitálního převodníku (ADC). Mikrokontrolér nebo jiný procesor může pomocí digitalizovaného signál určit stav motoru.

Požadavky na obvodovou desku

Jednoduchost konstrukce obvodu pro low-side snímání proudu může být zavádějící. Využití obvodové desky k vytvoření odporu R_S vede ke snadnému generování chyb vlivem nežádoucího zvyšování hodnoty snímacího odporu. Pro zajištění přesnosti hodnoty R_S musí existovat přímé spojení z horní nebo kladné svorky odporu R_S na neinvertující svorku operačního zesilovače. Kromě toho musí být spodní (záporná) svorka odporu R_S přímo uzemněná. Tento druhý požadavek na návrh desky plošných spojů zajišťuje přímé připojení k záporné svorce snímacího odporu a spodní straně ziskového odporu zesilovače (R_G).

Vezměte na vědomí, že proud protékající zemnicí rovinou obvodové desky na ní vytváří rozdíl napětí. Za normálních okolností se nejedná o problém. Díky použití nízkého odporu R_S u low-side snímacího obvodu se obvod stává extrémně citlivým na poklesy napětí na obvodové desce vůči zemi.

Teplotní koeficient odporu mědi je přibližně 0,4 %/°C, což umožňuje měnit hodnotu odporu R_s v širokém rozsahu s teplotou. Odpor desky plošných spojů vytváří chybu závislou na teplotě v systémech, které mají velké teplotní výkyvy, což představuje určitý stupeň nestability. Z důvodů minimalizace chyb odporu R_S je rozumné vyhnout se dlouhým spojům. Použití snímacího odporu u low-side snímače navíc přidává nežádoucí dynamické poklesy napětí, což způsobuje problémy s elektromagnetickým rušením (EMI).

High-side snímání proudu

High-side snímač proudu motoru minimalizuje dynamický vliv střídavého napětí na odpor s minimálním rušením (EMI). Tato konstrukce však vyžaduje robustní zesilovač pro zvládnutí vysokého napětí.

Obvod low-side snímače proudu používá tři samostatné operační zesilovače ke snímání proudů v každé větvi střídavého motoru. Tato koncepce je náchylná k chybám způsobeným parazitními odpory obvodové desky a také chybou měření v blízkosti země, nazývanou také zemní chyba napětí R_S.

Obvody high-side snímačů proudu používají diferenciální zesilovač se souhlasným napětím v blízkosti napájení. Na rozdíl od některých omezení obvodu low-side snímače proudu není tato konfigurace citlivá na zemní rušení a je schopna detekovat zkrat zátěže (obrázek 3).

Obrázek 3: Obvod pro high-side snímání proudu střídavého motoru používá zesilovač se dvěma vstupními stupni PNP, kde souhlasné napětí přesahuje kladné a záporné napájecí napětí zesilovače. (Zdroj obrázku: Bonnie Baker)

Operační zesilovač musí mít vstup typu rail-to-rail a velké souhlasné napětí na svorkách odporu R_S, které je větší nebo rovné U_NAP.. Toto řešení je náročné, protože snímací zesilovač bude potřebovat zdroje zvýšeného napětí, které je rovné nejméně U_NAP.. Proto v konfiguraci high-side snímání musí být souhlasné vstupní napětí zesilovače stejně vysoké jako napájecí napětí U_NAP..

Pro tuto aplikaci mohou konstruktéři využít obvod ADA4099-1 od společnosti Analog Devices. Jedná se o samostatný, robustní, přesný, rail-to-rail vstupní/výstupní operační zesilovač se vstupy, které pracují v rozsahu převyšujícím U- až U+. Poslední jmenovaná funkce je v datovém listu označována jako Over-The-Top.

Součást se vyznačuje offsetovým napětím <40 μV, vstupním klidovým proudem (IB) <10 nA a provozem na jediný nebo dělený zdroj v rozsahu od 3,15 do 50 V. Obvod ADA4099-1 odebírá klidový proud 1,5 mA na kanál.

Přizpůsobení rezistorů

V obvodu high-side snímání proudu na obrázku 3 je přesnost měření přímo určena přesností externích rezistorů (R₁, R₂, R₃ a R₄). Pro výpočtu diferenciálního zisku na obrázku 3 se používá rovnice 1:

 Rovnice 1

Pro výpočet chyby zisku souhlasného napětí na obrázku 3 se používá rovnice 2:

 Rovnice 2

Pro výpočet výstupního napětí na obrázku 3 se používá rovnice 3:

 Rovnice 3

Pokud jsou R₁ až R₄ jsou 1% odpory, pak tolerance celkových chyb v nejhorším případě je vyšší než 5 %. Tato 5% chyba vyžaduje použití drahých rezistorů s přísnější tolerancí. Hlavní nevýhodou tohoto přístupu jsou dodatečné náklady v důsledku požadavku na přesné rezistory s přísnou tolerancí pro poměrné hodnoty R₄/R₃ a R₂/R₁ k překonání chybové citlivosti v důsledku vyšších souhlasných napětí.

In-line snímání proudu

Ačkoli ostatní řešení fungují, upřednostňovaným přístupem je in-line snímač proudu motoru (přímé umístění ve vinutí). Tato koncepce poskytuje reálnou informaci o proudové fázi, čímž umožňuje rychlé ustálení a vyšší potlačení soufázových rušivých signálů. Ideálním řešením pro in-line měření s odstraněním těchto problémů je obousměrný CSA zesilovač s potlačením signálů PWM. Tento zesilovač má rychlou dobu ustálení, vysokou šířku pásma a potlačuje soufázové rušivé signály.

Aby byl zajištěn efektivní provoz motoru, systémový procesor poskytuje proudová data pro všechny tři fáze motoru v libovolném okamžiku (obrázek 4).

Obrázek 4: Při in-line snímání proudu pro řízení motoru má procesor v každém okamžiku proudová data pro všechny tři fáze motoru. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Jednotka MCU na obrázku 4 simultánně vzorkuje všechny tři větve motoru pomocí obousměrného zesilovače CSA MAX40056 od společnosti Analog Devices a zachovává tak fázové vztahy mezi buzením jednotlivých větví. Ideální in-line zesilovač získává diferenciální signál každé větve motoru a zároveň potlačuje soufázové přechodové jevy PWM signálu. Silné potlačení PWM signálu podporuje nejrychlejší dobu ustálení, vyšší přesnost a umožňuje konstruktérovi minimalizovat pracovní cyklus PWM s udržením v blízkosti 0 %.

MAX40056 je vysoce přesný, obousměrný CSA zesilovač s jedním zdrojem s vysokým vstupním rozsahem souhlasných napětí od -0,1 V do +65 V. Vstupní stupeň poskytuje ochranu proti napěťovým špičkám a indukčním rázům od -5 V do +70 V. Vstupní offset napětí ±5 μV (typ.) a chyba zesílení 0,05 % (typ.) pomáhají zajistit nízké systémové chyby (obrázek 5).

Obrázek 5: Díky své schopnosti potlačit rušení pomocí obvodů rychlého potlačení signálů PWM se snímací CSA zesilovač MAX40056 stává vhodným pro monitorování soufázového proudu indukčních zátěží, jako jsou vinutí motoru. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Na obrázku 5 je vstupní stupeň speciálně navržen pro potlačení rušení rychlých PWM signálů, které jsou běžné v aplikacích řízení motorů. Zesilovač MAX40056 je proto velmi vhodný pro monitorování soufázového proudu indukčních zátěží, jako jsou vinutí motoru a solenoidy, které jsou řízeny signály PWM. Zesilovač MAX40056 pracuje v celém rozsahu teplot -40 °C až +125 °C a napájecích napětí +2,7 V až +5,5 V.

Zesilovač MAX40056 vykazuje 500ns obnovení hrany PWM signálu u hran PWM 500 V/µs a rychlejších. Údaje MAX40056 a konkurenčních testů ukazují významný rozdíl v odolnosti vůči soufázovým rušivým signálům PWM (obrázek 6).

Obrázek 6: Konkurenční srovnání využívající potlačení hran u 50V PWM cyklu ukazuje, že zesilovač MAX40056 má jasnou výhodu s ohledem na odolnost vůči soufázovým rušivým signálům PWM. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

U analogového výstupu zesilovače CSA MAX40056 na obrázku 6 je patrný menší náraz a obnovení do 500 ns, zatímco konkurenční obvod potřebuje k obnovení přibližně 2 µs. Patentovaný vstup potlačení signálu PWM u zesilovače CSA potlačuje přechodové jevy a poskytuje čisté měření diferenciálního signálu.

Závěr

Koncepce Industry 4.0 i IIoT kladou důraz na vyšší úroveň efektivity výroby a spolehlivosti, která musí dosahovat až na úroveň jednotlivých motorů. Nalezení vhodných návrhů obvodů pro vytvoření systému pohonu střídavého motoru s řízením rychlosti a točivého momentu, aby byla zajištěna stabilita, spolehlivost a energetická účinnost, může být komplikované.

Jak bylo ukázáno, koncepce in-line snímače proudu motoru s ideálním zesilovačem poskytuje reálné informace o proudové fázi. S touto koncepcí, a pomocí obousměrného CSA zesilovače MAX40056 s potlačením signálu PWM, mohou konstruktéři nakonfigurovat systém třífázového motoru, který přesně měří točivý moment a otáčky v třífázovém systému, čímž je zajištěna účinnost, spolehlivost a stabilita motoru.