Selectați și implementați proiectul corect de control al motorului pentru a îndeplini cerințele Industriei 4.0

Era Industriei 4.0, sau a Internetului industrial al lucrurilor (IIoT), face ca sistemele să devină mai inteligente prin furnizarea de inteligență localizată și conectivitate între dispozitive și computere, precum și cu internetul. Unul dintre motivele acestei conectivități este faptul că sistemele și subsistemele de producție pot fi monitorizate și controlate în vederea creșterii eficienței, fiabilității și stabilității. Această eră are implicații pentru motoarele industriale, care reprezintă o mare parte din resursele energetice ale unei instalații automatizate și a căror defectare poate opri o întreagă linie de producție.

Prin urmare, este esențial să se controleze în mod eficient motoarele, în special în ceea ce privește viteza și cuplul, care împreună au un impact semnificativ asupra domeniului dinamic al motorului. Controlul eficient al acestor doi parametri necesită un grad ridicat de precizie a feedback-ului. Pentru această precizie, proiectanții trebuie să aleagă cu atenție între detectarea curentului low-side, high-side sau în linie și apoi să implementeze în mod optim circuitele corespunzătoare.

Articolul de față discută pe scurt aceste trei opțiuni de detectare a curentului, apoi arată cum amplificatorul ideal dintr-un senzor de curent de motor în linie oferă informații reale despre faza de curent. Apoi, arată cum se utilizează un amplificator bidirecțional de detectare a curentului (CSA) de la Maxim Integrated cu respingerea modulației în lățime a impulsurilor (PWM) pentru a configura un sistem de motor trifazat pentru a permite o funcționare mai eficientă.

Detecție de curent low-side, high-side sau în linie?

Cele trei opțiuni de detecție – low-side, high-side și în linie – variază foarte mult în ceea ce privește implementarea (Figura 1). Proiectarea senzorului de curent al motorului low-side utilizează un rezistor de detecție și un amplificator aproape de masă (stânga jos).

Figura 1: opțiunile de circuite low-side, high-side și în linie pentru detectarea turației și cuplului motorului. (Sursă imagine: Analog Devices)

Dintre cele trei opțiuni, un circuit de detectare a curentului low-side este cel mai intuitiv și mai simplu. Acesta este potrivit pentru aplicațiile de consum în care rentabilitatea este adesea una dintre cerințele principale de proiectare.

Circuitele de detectare low-side au amplificatorul aproape de masă, capturând succesiv curentul fiecărei secțiuni. Circuitele au amplificatoare operaționale de uz general și ieftine în partea de jos a stivei de FET-uri de comandă a porții și un rezistor de detecție (R_S) cu tensiunea de mod comun aproape de masă (Figura 2). Pentru un curent de sarcină de până la 100 de amperi (A), rezistorul de detecție de mici dimensiuni (R_S) este, de obicei, o rezistență a traseului de pe placa de circuite imprimate.

Figura 2: acest circuit de detectare a curentului low-side al motorului de curent alternativ utilizează un amplificator CMOS în care tensiunea de mod comun ajunge la alimentarea negativă a amplificatorului. (Sursă imagine: Bonnie Baker)

În Figura 2, curentul de sarcină arată conducția prin stiva FET a unui motor de curent alternativ. Acest circuit are nevoie ca intervalul de intrare în modul comun al amplificatorului să se extindă până la masă. Circuitul amplificatorului mărește tensiunea pe R_S, ceea ce oferă o citire a tensiunii de magnitudine a curentului de sarcină (I_L). Această tensiune este alimentată la intrarea neinversoare a unui amplificator cu un câștig egal cu (1 + R_F / R_G), sau ~50 volți/volt.

Analog Devices AD8691 poate fi utilizat ca amplificator. Acesta este un amplificator operațional generic, ieftin, cu o lățime de bandă de 10 megahertzi (MHz). Tranzistoarele sale de intrare CMOS oferă un curent de polarizare tipic de intrare de 0,2 picoamperi (pA) și un interval de mod comun care este de -0,3 volți sub tensiunea de alimentare negativă.

Ieșirea amplificatorului este alimentată la un convertor analogic-digital (ADC). Un microcontroler sau un alt procesor poate utiliza semnalul digitalizat pentru a determina starea motorului.

Cerințe pentru placa de circuite imprimate

Simplitatea de proiectare a circuitului de detectare a curentului low-side poate fi înșelătoare. Dacă se utilizează placa de circuite imprimate pentru a crea R_S, este ușor să se genereze erori de măsurare prin adăugarea neintenționată la valoarea rezistorului de detectare. Pentru a garanta că valoarea R_S este precisă, trebuie să existe o conexiune directă de la terminalul superior sau pozitiv al R_S la terminalul neinversor al amplificatorului operațional. În plus, terminalul inferior (negativ) al R_Strebuie să aibă o conexiune directă la masă. Această a doua cerință de proiectare a plăcii de circuite imprimate asigură o conexiune directă la borna negativă a rezistorului de detecție și la partea inferioară a rezistorului de câștig al amplificatorului (R_G).

Rețineți, curentul trece prin planul de masă al plăcii de circuite imprimate, creând o diferență de tensiune pe aceasta. În condiții normale, acest lucru nu reprezintă o problemă. În cazul circuitului senzorului low-side, utilizarea rezistenței R_S scăzute face ca circuitul să fie extrem de sensibil la căderile de tensiune la masă pe placa de circuite imprimate.

Coeficientul de temperatură al rezistenței de cupru este de aproximativ 0,4%/°C, ceea ce permite varierea semnificativă a valorii R_s în funcție de temperatură. Rezistența plăcii de circuite imprimate creează o eroare dependentă de temperatură în sistemele care au variații mari de temperatură, introducând un grad de instabilitate. Este prudent să se evite traseele lungi, pentru a reduce la minimum erorile R_S. În plus, utilizarea unui rezistor de detecție în proiectul senzorului low-side adaugă căderi de tensiune dinamice nedorite, cauzând probleme de zgomot de interferență electromagnetică (EMI).

Detectarea curentului high-side

Senzorul de curent al motorului high-side minimizează impactul dinamic al tensiunii alternative a rezistorului cu un nivel minim de EMI. Cu toate acestea, acest proiect necesită un amplificator robust pentru a gestiona tensiuni ridicate.

Circuitul de senzor de curent low-side utilizează trei amplificatoare operaționale simple pentru a detecta curenții fiecărei secțiuni a motorului de curent alternativ. Abordarea este susceptibilă la erori datorate rezistențelor parazite ale plăcii de circuite imprimate, precum și la eroarea de măsurare aproape de masă, denumită și eroare de masă a tensiunii R_S.

Circuitele senzorilor de curent de tip high-side utilizează un amplificator diferențial cu tensiunea de mod comun aproape de alimentare. Pentru a compara unele dintre limitările circuitului senzorului de curent low-side, această configurație nu este sensibilă la perturbațiile de masă și este capabilă să detecteze un scurtcircuit de sarcină (Figura 3).

Figura 3: un circuit de detectare a curentului motorului de curent alternativ high-side utilizează un amplificator cu două etaje de intrare PNP în care tensiunea de mod comun ajunge dincolo de alimentarea pozitivă și negativă a amplificatorului. (Sursă imagine: Bonnie Baker)

Amplificatorul operațional trebuie să aibă o intrare de la șină la șină și o tensiune de mod comun mare la bornele R_S care să fie egală sau mai mare decât V_SUPPLY. Acest lucru reprezintă o provocare deoarece amplificatorul de detecție va avea nevoie de surse de tensiune extinse cel puțin egale cu V_SUPPLY. Prin urmare, într-o configurație de detecție de tip high-side, modul comun de intrare al amplificatorului trebuie să fie la fel de mare ca și tensiunea de alimentare, V_SUPPLY.

Pentru această aplicație, proiectanții pot apela la ADA4099-1 de la Analog Devices. Este un singur amplificator operațional de intrare/ieșire de precizie, robust, de la șină la șină, cu intrări care funcționează de la V- la V+ și chiar mai departe. Această din urmă caracteristică este denumită în fișa tehnică Over-The-Top.

Dispozitivul are o tensiune de decalaj de <40 microvolți (μV), un curent de polarizare de intrare (IB) de <10 nanoamperi (nA) și funcționează pe surse de alimentare simple sau divizate care variază de la 3,15 la 50 de volți. ADA4099-1 consumă 1,5 miliamperi (mA) de curent de repaus pe fiecare canal.

Potrivirea rezistoarelor

În cazul circuitului de detectare a curentului high-side din Figura 3, precizia rezistoarelor externe (_R1,_R2,_R3 și_R4) determină direct precizia măsurătorii. Ecuația 1 este utilizată pentru a calcula câștigul diferențial din Figura 3:

 Ecuația 1

Ecuația 2 este utilizată pentru a calcula eroarea de câștig în mod comun din Figura 3:

 Ecuația 2

Ecuația 3 este utilizată pentru a calcula tensiunea de ieșire din Figura 3:

 Ecuația 3

Dacă R₁ până la R₄ sunt rezistoare de 1%, cea mai nefavorabilă toleranță a erorilor globale este mai mare de 5%. Această eroare de 5% necesită utilizarea unor rezistoare scumpe, cu toleranță mai mică. Principalul dezavantaj al acestei abordări este costul suplimentar datorat cerinței de a avea rezistoare de precizie cu o toleranță strânsă pentru valorile raportului R₄/R₃ și R₂/R₁ pentru a depăși sensibilitatea la eroare datorată tensiunilor de mod comun mai mari.

Detectarea curentului în linie

În timp ce celelalte soluții funcționează, abordarea preferată este senzorul de curent al motorului în linie (sau cu înfășurare directă). Această abordare oferă informații reale despre faza de curent, permițând astfel timpi de reglare rapizi și o respingere mai mare a curenților tranzitorii de mod comun. Amplificatorul ideal pentru măsurători în linie este un CSA bidirecțional cu respingere PWM pentru abordarea acestor provocări. Acest amplificator are un timp de stabilire rapid, o lățime de bandă mare și respinge curenții tranzitorii de mod comun.

Pentru a produce o funcționare eficientă a motorului, procesorul de sistem dispune de date de curent pentru toate cele trei faze ale motorului în orice moment (Figura 4).

Figura 4: în cazul detectării curentului în linie pentru controlul motorului, procesorul dispune de date de curent pentru toate cele trei faze ale motorului în orice moment. (Sursă imagine: Analog Devices)

În Figura 4, MCU eșantionează simultan toate cele trei secțiuni ale motorului cu ajutorul CSA bidirecțional MAX40056 de la Analog Devices, păstrând relațiile de fază între excitația fiecărei secțiuni. Un amplificator în linie ideal obține semnalul diferențial al fiecărei secțiuni a motorului, respingând în același timp curenții tranzitorii de mod comun ai PWM. Respingerea puternică a PWM facilitează cel mai rapid timp de stabilire, o precizie mai mare și permite proiectantului să minimizeze ciclul de funcționare PWM, menținându-l aproape de 0%.

MAX40056 este un CSA bidirecțional, de înaltă precizie, cu o singură sursă de alimentare, cu o gamă de intrare de mod comun ridicată, care se extinde de la -0,1 volți la +65 volți. Etajul de intrare oferă protecție împotriva vârfurilor de tensiune și a retururilor inductive de la -5 volți până la +70 volți. Tensiunea de decalaj de intrare de ±5 μV (tipic) și eroarea de câștig de 0,05% (tipic) contribuie la asigurarea unor erori de sistem reduse (Figura 5).

Figura 5: capacitatea CSA MAX40056 de a suprima perturbațiile datorită circuitelor rapide de respingere PWM îl face potrivit pentru monitorizarea curentului în fază a sarcinilor inductive, cum ar fi înfășurările motoarelor. (Sursă imagine: Analog Devices)

În Figura 5, etajul de intrare este special conceput pentru a suprima perturbațiile semnalelor PWM rapide, care sunt comune în aplicațiile de control al motoarelor. Prin urmare, MAX40056 este potrivit pentru monitorizarea curentului în fază a sarcinilor inductive, cum ar fi înfășurările motoarelor și solenoizii care sunt acționați de semnale PWM. MAX40056 funcționează pe întreaga gamă de temperaturi de la -40 °C la +125 °C și de la o tensiune de alimentare de la +2,7 volți la +5,5 volți.

MAX40056 are o recuperare la marginea PWM de 500 nanosecunde (ns) de la 500 volți/microsecunde (µs) și margini PWM mai rapide. Datele de la banc ale MAX40056 și ale competitorilor ilustrează o diferență semnificativă în ceea ce privește imunitatea la modul comun PWM (Figura 6).

Figura 6: o comparație competitivă folosind o respingere a marginii PWM la un ciclu PWM de 50 de volți arată că MAX40056 are un avantaj clar în ceea ce privește imunitatea la curenții tranzitorii în mod comun PWM. (Sursă imagine: Analog Devices)

În Figura 6, ieșirea analogică a MAX40056 CSA prezintă o mică proeminență și își revine în 500 ns, în timp ce dispozitivul concurent are nevoie de aproximativ 2 µs pentru a-și reveni. Intrarea de respingere PWM patentată de CSA suprimă curenții tranzitorii și oferă o măsurare curată a semnalului diferențial.

Concluzie

Atât Industria 4.0, cât și IIoT pun accentul pe niveluri mai ridicate de eficiență și fiabilitate a producției, care trebuie să ajungă până la nivelul motoarelor individuale. Găsirea unor proiecte de circuite adecvate pentru a construi un sistem de acționare a motoarelor de curent alternativ pentru viteză și cuplu, pentru a asigura stabilitatea, fiabilitatea și eficiența energetică, poate fi complicată.

După cum s-a arătat, o abordare a senzorului de curent al motorului în linie cu un amplificator ideal oferă informații reale despre faza de curent. Cu această abordare – și folosind CSA bidirecțional MAX40056 cu respingere PWM – proiectanții pot configura un sistem de motor trifazat care măsoară cu precizie cuplul și viteza într-un sistem de motor trifazat de curent alternativ, asigurând eficiența, fiabilitatea și stabilitatea motorului.