Sopivan moottorinohjausratkaisun valinta ja toteutus teollisuus 4.0 -vaatimusten täyttämiseksi

Teollisuus 4.0:n eli teollisen esineiden internetin (IIoT) aikakausi tekee järjestelmistä älykkäämpiä tarjoamalla lokalisoitua älykkyyttä ja verkkoyhteyttä koneiden ja tietokoneiden välille sekä internetiin. Yksi tätä verkkoyhteysvaatimusta tukeva syy on se, että tuotantojärjestelmiä ja osajärjestelmiä voidaan valvoa ja ohjata tehokkuuden, luotettavuuden ja stabiiliuden parantamiseksi. Tällä aikakaudella on vaikutuksia teollisuusmoottoreihin, jotka käsittävät suuren osan automatisoidun laitoksen energiaresursseista ja joiden vikaantuminen voi pysäyttää koko tuotantolinjan.

Sen vuoksi moottoreiden tehokas ohjaus on erittäin tärkeää, ja erityisesti nopeus ja vääntömomentti vaikuttavat yhdessä suuresti moottorin dynaamiseen alueeseen. Näiden kahden parametrin tehokas ohjaus edellyttää korkeaa takaisinkytkentätarkkuutta. Jotta tämä tarkkuus voidaan saavuttaa, suunnittelijoiden on valittava huolellisesti halutaanko käyttää alapuolen virranmittausta, yläpuolen virranmittausta vai vaihekohtaista virranmittausta ja sitten toteutettava sopiva piiri optimaalisella tavalla.

Tässä artikkelissa käsitellään ensin lyhyesti näitä kolmea virranmittausvaihtoehtoa. Sitten siinä näytetään, miten vaihekohtaiseen moottorivirta-anturiin integroitu ideaalivahvistin tarjoaa luotettavan virtavaihetiedon. Tämän jälkeen artikkelissa näytetään, miten pulssinleveysmodulaation (PWM) vaimennusominaisuudella varustettua Maxim Integratedin kaksisuuntaista virranmittausvahvistinta (CSA) käytetään kolmivaiheisen moottorijärjestelmän konfigurointiin toiminnan tehostamiseksi.

Alapuolen virranmittaus, yläpuolen virranmittaus vai vaihekohtainen virranmittaus?

Kolmen mittausvaihtoehdon – alapuoli, yläpuoli ja vaihekohtainen – toteutus poikkeavat toisistaan suuresti (kuva 1). Alapuolen moottorivirta-anturissa käytetään mittausvastusta ja vahvistinta lähellä maatasoa (alhaalla vasemmalla).

Kuva 1: Alapuolen piirivaihtoehto, yläpuolen piirivaihtoehto ja vaihekohtainen piirivaihtoehto moottorin nopeuden ja vääntömomentin mittausta varten. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Näistä kolmesta vaihtoehdosta alapuolen virranmittauspiiri on intuitiivisin ja yksinkertaisin. Se soveltuu kuluttajasovelluksiin, joissa kustannustehokkuus on usein yksi tärkeimmistä suunnittelukriteereistä.

Alapuolen mittauspiirissä vahvistin sijaitsee lähellä maata, ja jokaisen haaran virta mitataan vuorollaan. Piirissä käytetään edullisia yleiskäyttöisiä operaatiovahvistimia hilaohjattujen FET-pinojen alapäässä sekä mittausvastusta (R_S), jonka yhteisjännite on lähellä maatasoa (kuva 2). Kun kuormitusvirta on enintään 100 ampeeria (A), pieni mittausvastus (R_S) on yleensä piirilevyn johtimen resistanssi.

Kuva 2: Tässä AC-moottorin alapuolen virranmittauspiirissä käytetään CMOS-vahvistinta, ja sen yhteisjännite saavuttaa vahvistimen negatiivisen syöttöjännitteen. (Kuvan lähde: Bonnie Baker)

Kuvassa 2 kuormitusvirta ilmaisee sähkövirran kulkevan yhden AC-moottorin FET-pinon läpi. Tämä piiri vaatii vahvistimen yhteismuotoisen tuloalueen ulottumista maatasoon asti. Vahvistinpiiri vahvistaa jännitteen vastuksen R_S yli, joka tarjoaa jännitelukeman kuormitusvirran (I_L) suuruudesta. Tämä jännite syötetään sellaisen vahvistimen ei-invertoivaan tuloon, jonka vahvistus on (1 + R_F / R_G) tai noin 50 volttia/voltti.

Vahvistimena voidaan käyttää piiriä Analog Devices AD8691. Se on edullinen ja yleinen operaatiovahvistin 10 megahertsin (MHz) kaistanleveydellä. Sen CMOS-tulotransistorit käyttävät tyypillistä 0,2 pikoampeerin (pA) biastulovirtaa ja yhteisjännitealuetta, joka on -0,3 volttia negatiivisen syöttöjännitteen alapuolella.

Vahvistimen lähtö syötetään analogi-digitaalimuuntimeen (ADC). Mikrokontrolleri tai muu prosessori voi määrittää moottorin tilan digitoidun signaalin avulla.

Piirilevyvaatimukset

Alapuolen virranmittauspiirin yksinkertaisuus voi olla harhaanjohtavaa. Kun vastuksen R_S luonnissa käytetään piirilevyä, syntyy helposti mittausvirheitä ja mittausvastuksen arvo kasvaa tahattomasti. Jotta vastuksen R_S arvo olisi tarkka, vastuksen R_S ylä- tai positiivinen jalka täytyy kytkeä suoraan operaatiovahvistimen ei-invertoivaan jalkaan. Lisäksi vastuksen R_S alempi (negatiivinen) jalka on kytkettävä suoraan maatasoon. Tämä piirilevyn toinen suunnittelukriteeri takaa suoran kytkennän mittausvastuksen negatiiviseen jalan ja vahvistimen vahvistusvastuksen (R_G) alapään välillä.

Huomaa, että piirilevyn maatason läpi kulkee sähkövirta synnyttäen siinä jännite-eron. Normaaliolosuhteissa tämä ei ole ongelma. Resistanssiltaan alhaisen R_S-vastuksen käyttö alapuolen anturipiirissä tekee piiristä erittäin herkän piirilevyllä tapahtuville maajännitehäviöille.

Kuparin resistanssin lämpötilakerroin on noin 0,4 %/°C, jolloin R_S-arvo voi vaihdella suuresti lämpötilan mukaan. Piirilevyn resistanssi synnyttää lämpötilasta riippuvaisen virheen järjestelmissä, joissa esiintyy suuria lämpötilavaihteluita. Tämä aiheuttaa epästabiiliutta. R_S-virheiden minimoimiseksi on viisasta välttää pitkiä johtimia. Lisäksi mittausvastuksen käyttö alapuolen anturiratkaisussa lisää ei-toivottuja dynaamisia jännitehäviöitä, mikä aiheuttaa sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) takia kohinaongelmia.

Yläpuolen virtamittaus

Yläpuolen moottorivirta-anturi minimoi vastuksen dynaamisen AC-jännitteen vaikutusta ja EMI-häiriöitä. Tämä ratkaisu edellyttää kuitenkin robustia vahvistinta, joka kestää korkeita jännitteitä.

Alapuolen virta-anturipiiri käyttää kolmea yksittäistä operaatiovahvistinta AC-moottorin kunkin haaran virtojen mittaukseen. Lähestymistapa on altis piirilevyn loisresistanssien aiheuttamille virheille sekä maatason läheisille mittausvirheille, joita kutsutaan myös R_S-jännitemaadoitusvirheiksi.

Yläpuolen virta-anturipiireissä käytetään differentiaalivahvistinta, jonka yhteisjännite on lähellä syöttöjännitettä. Vastakohtana joillekin alapuolen virta-anturipiirin rajoituksille tämä konfiguraatio ei ole herkkä maadoitushäiriöille ja se pystyy havaitsemaan kuorman oikosulun (kuva 3).

Kuva 3: AC-moottorin yläpuolen virranmittauspiiri käyttää vahvistinta, jossa on kaksi PNP-tulovaihetta. Yhteisjännite ulottuu vahvistimen positiivisen ja negatiivisen syötön ulkopuolelle. (Kuvan lähde: Bonnie Baker)

Operaatiovahvistin vaatii koko jännitealueen tuloa ja korkeaa yhteisjännitettä R_S-liitännöissä. Tämän on oltava yhtä korkea tai korkeampi kuin V_SUPPLY. Tämä on haastavaa, koska mittausvahvistin tarvitsee vähintään V_SUPPLY-jännitteen suuruisia laajennettuja jännitelähteitä. Näin ollen vahvistimen tulon yhteisjännitteen on oltava yläpuolen mittauskonfiguraatiossa yhtä korkea kuin syöttöjännitteen, V_SUPPLY.

Suunnittelijat voivat käyttää tähän sovellukseen piiriä Analog Devices ADA4099-1. Se on yksittäinen, robusti ja tarkka operaatiovahvistin koko jännitealueen tuloilla/lähdöillä, jonka tulot ulottuvat alueen V- ... V+ ulkopuolelle. Jälkimmäiseen ominaisuuteen viitataan teknisissä tiedoissa nimellä ”Over-The-Top”.

Laitteen offset-jännite on <40 mikrovolttia (μV), tulon biasvirta (IB) <10 nanoampeeria (nA) ja laite toimii sekä yksipuolisella että kaksipuolisella jännitteellä 3,15–50 V. Operaatiovahvistimen ADA4099-1 lepovirta on 1,5 milliampeeria (mA) kanavaa kohden.

Vastusten sovitus toisiinsa

Kuvassa 3 esitetyssä yläpuolen virranmittauspiirissä ulkoisten vastusten (R₁, R₂, R₃ ja R₄) tarkkuus määrää suoraan mittaustarkkuuden. Yhtälöä 1 käytetään kuvan 3 differentiaalivahvistuksen lasketaan:

 Yhtälö 1

Yhtälöä 2 käytetään kuvan 3 yhteisjännitteen vahvistusvirheen laskentaan:

 Yhtälö 2

Yhtälöä 3 käytetään kuvan 3 lähtöjännitteen laskentaan:

 Yhtälö 3

Jos R₁–R₄ ovat 1 prosentin vastuksia, kokonaisvirhetoleranssi on pahimmassa tapauksessa yli 5 %. Tämä 5 prosentin virhe edellyttää kalliiden vastusten käyttöä, joilla on tarkemmat toleranssit. Lisäkustannukset ovat tämän lähestymistavan suurin haittapuoli. Ne johtuvat tarpeesta käyttää toleranssiltaan tarkkoja tarkkuusvastuksia. Suhteiden R₄/R₃ ja R₂/R₁ on oltava tarkat, koska korkeat yhteisjännitteet aiheuttavat virheherkkyyttä.

Vaihekohtainen virranmittaus

Vaikka muutkin ratkaisut toimivat, suositeltavin lähestymistapa on käyttää moottorin vaihekohtaista virta-anturia (tai suorakäämitystä). Tämä lähestymistapa tarjoaa todellisen virtavaiheinformaation ja mahdollistaa näin nopeat asettumisajat ja paremman vaimennuksen yhteismuotoisille transienteille. Kaksisuuntainen virranmittausvahvistin PWM-vaimennuksella on ideaalivahvistin vaihekohtaisiin mittauksiin ja se ratkaisee nämä haasteet. Tällä vahvistimella on nopea asettumisaika, korkea kaistanleveys ja se vaimentaa yhteismuotoiset transientit.

Moottorin ohjausta voidaan tehostaa sillä, että järjestelmäprosessorilla on aina kaikkien kolmen moottorivaiheen virtatiedot (kuva 4).

Kuva 4: Kun moottorinohjauksessa käytetään vaihekohtaista virranmittausta, prosessorilla on kaikkien kolmen moottorivaiheen virtatiedot joka hetkellä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvassa 4 mikrokontrolleri mittaa samanaikaisesti kaikkia kolmea moottorihaaraa Analog Devices -yrityksen kaksisuuntaisella virranmittausvahvistimella MAX40056, jolloin vaihesuhteet säilyvät kunkin haaran aktivoinnin välillä. Vaihekohtainen ideaalivahvistin vahvistaa kunkin moottorihaaran differentiaalisignaalin ja vaimentaa samalla PWM:n yhteismuotoiset transientit. Voimakas PWM:n vaimennus takaa kaikkein nopeimman asettumisajan, korkeimman tarkkuuden ja mahdollistaa PWM-käyttöjakson minimoinnin pitämällä sen lähes 0 prosentissa.

MAX40056 on huipputarkka kaksisuuntainen virranmittausvahvistin yksipuolisella virtalähteellä ja korkealla yhteismuotoisella tuloalueella -0,1 ... +65 V. Tulovaihe suojaa jännitepiikeiltä ja induktiivisilta takaiskujännitteiltä -5 ... +70 V. Tulon offset-jännite ±5 μV (tyypillinen) ja vahvistusvirhe 0,05 % (tyypillinen) pitävät järjestelmävirheet pieninä (kuva 5).

Kuva 5: Virranmittausvahvistin MAX40056 pystyy vaimentamaan häiriöt nopean PWM-vaimennuspiirin ansiosta. Se soveltuu siksi hyvin induktiivisten kuormien, kuten moottorin käämien, vaihekohtaiseen virran valvontaan. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvassa 5 tulovaihe on erityisesti suunniteltu vaimentamaan nopeiden PWM-signaalien aiheuttamia häiriöitä, jotka ovat yleisiä moottorinohjaussovelluksissa. Virranmittausvahvistin MAX40056 soveltuu siksi hyvin PWM-signaaleilla ohjattavien induktiivisten kuormien, kuten moottorin käämien ja solenoidien, vaihekohtaiseen virran valvontaan. MAX40056-virranmittausvahvistin toimii koko lämpötila-alueella -40 ... +125 °C ja syöttöjännitteellä +2,7 ... +5,5 V.

MAX40056-virranmittausvahvistin tarjoaa 500 nanosekunnin (ns) paluuajan PWM-reunoille 500 voltista/mikrosekunti (µs) alkaen ja nopeammille. MAX40056-virranmittausvahvistimen ja kilpailijoiden vertailutiedot osoittavat merkittävän eron PWM:n yhteismuotoisessa immuniteetissa (kuva 6).

Kuva 6: Kilpailijavertailu käytettäessä 50 voltin PWM-sykliä osoittaa MAX40056-virranmittausvahvistimen olevan selvästi etulyöntiasemassa PWM-reunan yhteismuotoisen transientti-immuniteetin suhteen. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuva 6 näyttää MAX40056-virranmittausvahvistimen analogisessa lähdössä pienen nousun, joka palautuu 500 nanosekunnissa, kun taas kilpaileva laite tarvitsee palautumiseen noin 2 µs. Virranmittausvahvistimen patentoitu PWM-vaimennustulo vaimentaa transientit ja tarjoaa puhtaan differentiaalisignaalin mittauksen.

Yhteenveto

Teollisuus 4.0 ja IIoT korostavat molemmat tehokkuuden ja luotettavuuden parantamista tuotannossa. Tämän on ulotuttava yksittäisten moottoreiden tasolle asti. Voi olla monimutkaista löytää sopiva piiriratkaisu AC-moottorin nopeuden ja vääntömomentin ohjausjärjestelmään moottorin stabiiliuden, luotettavuuden ja energiatehokkuuden varmistamiseksi.

Kuten edellä on esitetty, ideaalivahvistimeen yhdistetty vaihekohtainen moottorivirta-anturi tarjoaa luotettavaa tietoa virtavaiheista. Tällä lähestymistavalla – ja käyttämällä kaksisuuntaista virranmittausvahvistinta MAX40056 PWM-vaimennuksella – suunnittelijat voivat konfiguroida kolmivaiheisen moottorijärjestelmän. Tällainen järjestelmä mittaa tarkasti vääntömomentin ja nopeuden kolmivaiheisessa AC-moottorijärjestelmässä ja takaa moottorin tehokkuuden, luotettavuuden ja vakauden.