Välj och implementera rätt motorstyrningskonstruktion för att uppfylla kraven i Industry 4.0

Industri 4.0 eller Industrial Internet of Things (IIoT), gör systemen smartare genom att tillhandahålla lokal intelligens och uppkoppling mellan maskiner och datorer, och till Internet. Ett av skälen till uppkopplingen är att produktionssystem och delsystem kan övervakas och styras för att öka effektiviteten, tillförlitligheten och stabiliteten. Denna era har konsekvenser för industrimotorer, som utgör en stor del av en automatiserad anläggnings energiresurser, och där fel i dessa kan få en hel produktionslinje att stanna.

Därför är det viktigt att styra motorerna effektivt, särskilt när det gäller hastighet och vridmoment, som tillsammans har stor inverkan på en motors dynamiska område. För att styra dessa två parametrar effektivt krävs en hög grad av noggrannhet i återkopplingen. För att uppnå denna noggrannhet, måste konstruktörer noggrant välja mellan strömavkänning på den låga sidan, höga sidan eller inline och sedan implementera lämpliga kretsar på bästa sätt.

Artikeln diskuterar kortfattat dessa tre olika typer av strömgivare innan man visar hur den perfekta förstärkaren i en inline strömgivare i motorn ger sann information om strömfasen. Den visar sedan hur man använder en dubbelriktad strömavkännande förstärkare (CSA) från Maxim Integrated med PWM-avvisning för att konfigurera ett motorsystem med trefas, för att möjliggöra effektivare drift.

Strömavkänning på låg sida, hög sida eller inline?

De tre avkänningsalternativen - låg sida, hög sida och inline - varierar mycket i implementeringen (figur 1). Konstruktionen av strömgivaren för den låga sidan använder ett avkänningsmotstånd och en förstärkare nära jord (nere till vänster).

Figur 1: Kretsalternativ för avkänning av motorhastighet och vridmoment på låg sida, hög sida och inline. (Bildkälla: Analog Devices)

Av de tre alternativen är en strömavkänningskrets med styrning på den låga sidan det mest intuitiva och enklaste. Den är lämplig för konsumenttillämpningar där kostnadseffektivitet ofta är ett av de viktigaste konstruktionskraven.

Avkänningskretsen för den låga sidan har förstärkaren nära jord och fångar upp varje bens ström i följd. Kretsarna innehåller vanliga, billiga operationsförstärkare i botten av de gate-styrande FET-staplarna och ett avkänningsmotstånd (R_S) med common mode-spänning nära jord (figur 2). För en belastningsström ända upp till 100 A, är det lilla avkänningsmotståndet (R_S) vanligtvis en resistor på kretskortet.

Figur 2: Den här kretsen för strömavkänning på den låga sidan av en växelströmsmotor använder en CMOS-förstärkare där spänningen i common mode når förstärkarens negativa spänningsmatning. (Bildkälla: Bonnie Baker)

I figur 2 visar belastningsströmmen ledningsförmågan genom en FET-stapel på växelströmsmotorn. Kretsen behöver förstärkarens inspänningsintervall i common mode till jord. Förstärkarkretsen förstärker spänningen över R_S, vilket ger en spänningsavläsning motsvarande storleken på belastningsströmmen (I_L). Spänningen matas till den icke-inverterande ingången på en förstärkare med en förstärkning som motsvarar (1 + R_F/R_G), eller ~50 V.

AD8691 från Analog Devices kan användas som förstärkare. Det är en billig, generisk operationsförstärkare med en bandbredd på 10 MHz. Dess CMOS-transistorer på ingångarna ger en typisk biasström för ingången på 0,2 pA och ett common mode-område som är -0,3 V vid den negativa matningsspänningen.

Förstärkarens utgång skickas till en analog till digitalomvandlare (ADC). En microcontroller eller annan processor kan använda den digitaliserade signalen för att avgöra motorns status.

Krav på kretskort

Den enkla konstruktionen av strömavkänningskretsen för den låga sidan kan vara vilseledande. Om du använder kretskortet för att skapa R_S är det lätt att generera mätfel genom att oavsiktligt lägga till värdet på avkänningsresistorn. För att säkerställa att värdet för R_S är korrekt måste det finnas en direkt anslutning från den övre eller positiva anslutningen på R_S till den icke-inverterande anslutningen på operationsförstärkaren. Dessutom måste R_S nedre (negativa) anslutning ha en direkt jordanslutning. Detta andra krav på kretskortets utformning garanterar att en direkt anslutning till avkänningsresistorns negativa anslutning och den nedre delen av förstärkarens förstärkningsmotstånd (R_G).

Observera att strömmen flyter genom kretskortets jordplan, vilket skapar en spänningsskillnad över det. Vid normala omständigheter är detta inte ett problem. Med avkänningskretsen för den låga sidan, medför användningen av det låga värdet på R_S att kretsen blir extremt känslig för jordspänningsfall på kretskortet.

Kopparresistansens temperaturkoefficient är cirka 0,4 %/°C, vilket gör att värdet på R_s kan variera kraftigt med temperaturen. Kretskortets resistans skapar ett temperaturberoende fel i system med stora temperaturvariationer, vilket medför en viss instabilitet. Det är klokt att undvika långa kretskortsbanor för att minimera R_S-fel. Dessutom, lägger avkänningens konstruktion med en avkänningsresistor på den låga sidan till oönskade dynamiska spänningsfall, vilket orsakar elektromagnetiska störningsproblem (EMI).

Strömavkänning för hög sida

Strömgivaren för motorns höga sida minimerar resistorns dynamiska växelspänningspåverkan med minimal EMI. Men, konstruktionen kräver en robust förstärkare som klarar höga spänningar.

I kretsen för strömavkänning på den låga sidan användes tre enkla operationsförstärkare för att känna av strömmarna i respektive ben på växelströmsmotorn. Metoden är känslig för fel på grund av parasitära resistanser på kretskortet och mätfel nära jord, även kallat R_S-jordspänningsfel.

Givarkretsar för den höga sidan använder en differentialförstärkare med common mode-spänning nära spänningsmatningen. Till skillnad från några av begränsningarna i avkänningskretsen för den låga sidan är denna konfiguration inte känslig för jordstörningar och kan upptäcka en snabb kortslutning av belastningen (figur 3).

Figur 3: En strömavkännande krets för den höga sidan av en växelströmsmotor, som använder en förstärkare med två PNP-ingångssteg, där common mode-spänningen sträcker sig bortom förstärkarens plus- och minusmatning. (Bildkälla: Bonnie Baker)

Operationsförstärkaren måste ha en inspänning från matning till matning och en stor common mode-spänning vid anslutningarna för R_S som är lika stor eller större än V_SUPPLY. Det är en utmaning eftersom förstärkaren för avkänningen kommer att behöva utökade spänningskällor som är åtminstone lika stora som V_SUPPLY. Därav, måste förstärkarens inspänning med common mode vara lika hög som matningsspänningen V_SUPPLY, i en konfiguration med avkänning på den höga sidan.

För denna tillämpning kan konstruktörer använda sig av ADA4099-1, från Analog Devices. Det är en enda, robust, noggrann operationsförstärkare med inspänning från matning till matning/operationsförstärkare för utspänning med infångar som arbetar från V- till V+ och därutöver. Den sistnämnda funktionen kallas i databladet för Over-The-Top.

Enheten har en offsetspänning på <40 μV, en biasström för inspänningen (IB) på <10 nA och fungerar med en eller flera spänningsmatningar från 3,15 till 50 V. ADA4099-1 drar 1,5 mA i viloström per kanal.

Anpassning av resistor

Med strömavkänningskretsen för strömavkänning för den högs sidan i figur 3 bestämmer noggrannheten hos de externa resistorerna (R₁, R₂, R₃, and R₄) mätnoggrannheten direkt. Ekvation 1 används för att beräkna differentialförstärkningen i figur 3:

Ekvation 1

Ekvation 2 används för att beräkna förstärkningsfelet i common more i figur 3:

Ekvation 2

Ekvation 3 används för att beräkna utspänningen i figur 3:

Ekvation 3

Om R₁ till R₄ är resistorer på 1 % är den sämsta toleransen för det totala felet större än 5 %. Detta fel på 5 % gör det nödvändigt att använda dyra motstånd med snävare tolerans. Den största nackdelen med detta tillvägagångssätt är den ökade kostnaden på grund av kravet på precisionsmotstånd med en snäv tolerans för kvotvärdena för R₄/R₃ and R₂/R₁ för att övervinna felkänsligheten på grund av högre spänningar i common-mode.

Strömavkänning inline

Även om de andra lösningarna fungerar, är den föredragna metoden den med strömgivare för motorn inline (eller direktlindade). Detta tillvägagångssätt ger sann information om strömfasen, vilket möjliggör snabba avstämningstider och högre avstötning av transienter i common mode. Den perfekta förstärkaren för inlinemätningar är en dubbelriktad CSA med PWM-avvisning för att hantera dessa utmaningar. Förstärkaren har en snabb låsningstid, hög bandbredd och avvisar transienter i common mode.

För att skapa en effektiv motordrift måste systemprocessorn ha information om strömmen för motorns alla tre faser vid varje given tidpunkt (figur 4).

Figur 4: Vid strömavkänning inline för motorstyrning, har processorn information om strömmen för motorns alla tre faser vid varje tidpunkt. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 4 samplar MCU:n motorns alla tre ben samtidigt med den dubbelriktade CSA:n MAX40056 från Analog Devices, som bevarar fasrelationerna mellan respektive bens excitering. En perfekt inline-förstärkare förstärker respektive motorbens differentiella signal samtidigt som den avvisar common mode-transienter i PWM:en. Den starka PWM-avvisningen möjliggör den snabbaste inställningstiden, högre noggrannhet och gör det möjligt för konstruktören att minimera PWM-tjänstgöringscykeln och hålla den nära 0 %.

MAX40056 är en dubbelriktad CSA med hög noggrannhet och en enda strömmatning, med ett stort inspänningsintervall för gemensamt läge som sträcker sig från -0,1 till +65 V. Inspänningssteget skyddar mot spänningstoppar och induktiva återkopplingar från -5 upp till +70 V. Inspänningens offset på ±5 μV (typisk) och förstärkningsfelet på 0,05 % (typisk) bidrar till att garantera låga systemfel (figur 5).

Figur 5: Förmågan att undertrycka störningar hos CSA:n MAX40056 tack vare den snabba kretsen för PWM-avvisning, gör den väl lämpad för övervakning av induktiva belastningar i fas, som t.ex. motorlindningar. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 5 är inspänningssteget särskilt utformat för att undertrycka störningar från snabba PWM-signaler, som är vanliga i motorstyrningstillämpningar. MAX40056 är därför väl lämpat för strömövervakning av induktiva belastningar i fas, som t.ex. motorlindningar och solenoider som drivs av PWM-signaler. MAX40056 fungerar i hela temperaturområdet från -40 °C till +125 °C och med en matningsspänning på +2,7 till +5,5 V.

MAX40056 har en återhämtning på PWM-flanken på 500 ns från 500 V/µs och snabbare PWM-flanker. MAX40056 och konkurrentens testdata illustrerar en betydande skillnad i PWM-immuniteten vid common mode (figur 6).

Figur 6: En jämförelse med konkurrensen vid avvisning av en PWM-flank i en PWM-cykel på 50 V visar att MAX40056 har en klar fördel när det kommer till immunitet mot transienta PWM-övergångar i common mode. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 6 visar den analoga utgången på CSA:n MAX40056 en liten bula som återhämtar sig inom 500 ns, medan den konkurrerande enheten behöver ungefär 2 µs för att återhämta sig. Den patenterade PWM-avvisningsingången i CSA:n dämpar transienter och ger en ren mätning av den differentiella signalen.

Sammanfattning

Industry 4.0 och IIoT lägger båda stor vikt vid högre nivåer av produktionseffektivitet och tillförlitlighet som ska sträcka sig ända ner till enskilda motorer. Det kan vara komplicerat att hitta en lämplig kretskonstruktion för att bygga ett drivsystem för styning av hastighet och vridmoment i växelströmsmotorer, för att garantera stabilitet, tillförlitlighet och energieffektivitet.

Som visat, ger ett tillvägagångssätt med strömgivare inline i motorn och en perfekt förstärkare, verklig information om strömmens fas. Med detta tillvägagångssätt och den dubbelriktade CSA:n MAX40056 med PWM-avvisning, kan konstruktörer konfigurera ett motorsystem med trefas som mäter vridmoment och hastighet exakt i ett system med trefas växelströmsmotor, för att garantera motorns effektivitet, tillförlitlighet och stabilitet.