Vælg og implementer det rigtige design af motorstyring for at opfylde kravene til industri 4.0

Industri 4.0-æraen eller Industrial Internet of Things (IIoT) gør systemerne smartere ved at levere lokaliseret intelligens og tilslutningsmuligheder mellem maskiner og computere og til internettet. En af grundene til denne forbindelse er, at produktionssystemer og delsystemer kan overvåges og styres med henblik på større effektivitet, pålidelighed og stabilitet. Denne æra har konsekvenser for industrimotorer, som udgør en stor del af et automatiseret anlægs energiressourcer, og hvor deres svigt kan lukke en hel produktionslinje ned.

Det er derfor afgørende at styre motorer effektivt, især med hensyn til hastighed og drejningsmoment, som tilsammen har stor indflydelse på en motors dynamiske område. En effektiv styring af disse to parametre kræver en høj grad af feedback-præcision. For at opnå denne nøjagtighed skal designerne vælge omhyggeligt mellem low-side-, high-side- eller in-line-strømaftastning og derefter implementere det relevante kredsløb optimalt.

I denne artikel gennemgås kort disse tre muligheder for strømafsporing, før det vises, hvordan den ideelle forstærker i en in-line motorstrømsensor giver ægte strømfaseinformation. Derefter vises det, hvordan man bruger en Maxim Integrated tovejs strømfølelsesforstærker (CSA) med PWM-undertrykkelse (pulsbreddemodulation) til at konfigurere et trefaset motorsystem for at muliggøre mere effektiv drift.

Low-side-, high-side- eller in-line-strømaftastning?

De tre sensormuligheder - low-side, high-side og in-line - varierer meget i implementeringen (figur 1). Designet af motorstrømsensoren på den lave side anvender en følermodstand og en forstærker tæt på jorden (nederst til venstre).

Figur 1: Mulighederne for low-side-, high-side- og in-line-kredsløb til registrering af motorhastighed og drejningsmoment. (Billedkilde: Analog Devices)

Af de tre muligheder er et kredsløb med strømføling på lav side det mest intuitive og ligetil. Den er velegnet til forbrugerapplikationer, hvor omkostningseffektivitet ofte er et af de vigtigste designkrav.

Low-side-følelseskredsløbet har forstærkeren tæt på jorden og opfanger hvert bens strøm efter hinanden. Kredsløbet har almindelige, billige operationsforstærkere (op-forstærkere) i bunden af de gate-drivende FET-stacks og en sensemodstand (R_S) med common-mode-spænding tæt på jord (figur 2). Ved en belastningsstrøm på op til 100 ampere (A) er den lille følermodstand (R_S) normalt en sporingsmodstand på printkortet.

Figur 2: Dette kredsløb til lavtsidestrømsaflæsning af AC-motoren anvender en CMOS-forstærker, hvor common-mode-spændingen når op til forstærkerens negative forsyning. (Billedkilde: Bonnie Baker)

I figur 2 angiver belastningsstrømmen ledningen gennem en AC-motorer FET-stakke. Dette kredsløb har brug for, at forstærkerens common-mode-indgangsområde skal spænde til jord. Forstærkerkredsløbet forstærker spændingen over_RS, hvilket giver en spændingsaflæsning af størrelsen af belastningsstrømmen (_IL). Denne spænding føres til den ikke-inverterende indgang til en forstærker med en forstærkning svarende til (1 +_RF /_RG), dvs. ~50 volt/volt.

Analog Devices AD8691 kan anvendes som forstærker. Dette er en billig, generisk op-forstærker med en båndbredde på 10 megahertz (MHz). Dennes CMOS-indgangstransistorer giver en typisk indgangsforspændingsstrøm på 0,2 picoampere (pA) og et common-mode-område, der er -0,3 volt under den negative forsyningsspænding.

Forstærkerens output føres til en analog-til-digital-konverter (ADC). En mikrocontroller eller en anden processor kan bruge det digitaliserede signal til at bestemme motorens status.

Krav til pc-kort

Low-side strømfølekredsløbets enkelhed i designet kan være vildledende. Ved at bruge printkortet til at oprette_RS er det let at generere målefejl ved utilsigtet at tilføje til værdien af følermodstanden. For at sikre, at_RS-værdien er nøjagtig, skal der være en direkte forbindelse fra_RS's øverste eller positive terminal til den ikke-inverterende op-ampterminal. Desuden skal_RS' nederste (negative) terminal have en direkte jordforbindelse. Dette andet krav til printkortets design sikrer en direkte forbindelse til aftastningsmodstandens negative terminal og bunden af forstærkerens forstærkningsmodstand (_RG).

Vær opmærksom på, at strømmen løber gennem printkortets jordplade og skaber en spændingsforskel over den. Under normale omstændigheder er dette ikke et problem. Med low-side-sensorkredsløbet gør brugen af den lave_RS-modstand kredsløbet ekstremt følsomt over for jordspændingsfald på tværs af printkortet.

Kobbermodstandens temperaturkoefficient er ca. 0,4 %/°C, hvilket gør det muligt for værdien af R_s at variere meget med temperaturen. Modstanden på printkortet skaber en temperaturafhængig fejl i systemer med store temperaturudsving, hvilket medfører en vis ustabilitet. Det er klogt at undgå lange spor for at minimere R_S-fejl. Desuden tilføjer low-side-sensorkonstruktionen ved brug af en følermodstand uønskede dynamiske spændingsfald, hvilket giver problemer med elektromagnetisk interferens (EMI) støj.

Strømsensing på høj-side

High-side motorstrømsensoren minimerer modstandens dynamiske vekselspændingspåvirkning med minimal EMI. Dette design kræver imidlertid en robust forstærker, der kan håndtere høje spændinger.

Strømsensorkredsløbet på den lave side bruger tre enkelt op-forstærkere til at registrere strømmene fra hvert AC-motorben. Denne metode er modtagelig for fejl på grund af parasitære modstande på printkortet og for fejl ved måling nær jorden, også kaldet R_S-spændingsjordfejl.

Strømsensorkredsløb med højtsidet strømføler anvender en differentialforstærker med common-mode-spænding tæt på forsyningen. Som kontrast til nogle af begrænsningerne i kredsløbet med low-side strømsensor er denne konfiguration ikke modtagelig over for jordforstyrrelser og kan registrere en kortslutning af belastningen (figur 3).

Figur 3: I et kredsløb til strømafsporing af en AC-motor på højsiden anvendes en forstærker med to PNP-indgangstrin, hvor common-mode-spændingen når ud over forstærkerens positive og negative forsyningsspænding. (Billedkilde: Bonnie Baker)

Opforstærkeren skal have en indgang med skinne-til-skinne-indsats og en stor common-mode-spænding ved R_S-terminalerne, der er lig med eller større end V_SUPPLY. Dette er en udfordring, fordi senseforstærkeren har brug for udvidede spændingskilder, der mindst svarer til V_SUPPLY. I en high-side sensing-konfiguration skal forstærkerens indgangs common-mode derfor være lige så høj som forsyningsspændingen V_SUPPLY.

Til denne anvendelse kan designere henvende sig til Analog Devices' ADA4099-1. Det er en enkelt, robust, præcisions-, skinne-til-skinne input/output-opforstærker med indgange, der fungerer fra V- til V+ og videre. Sidstnævnte funktion betegnes i databladet som Over-The-Top.

Enheden har en offset-spænding på <40 mikrovolt (μV), en indgangsforspændingsstrøm (IB) på <10 nanoampere (nA) og drift på enkelt- eller splitforsyninger, der spænder fra 3,15 til 50 volt. ADA4099-1 bruger 1,5 milliampere (mA) hvilestrøm pr. kanal.

Tilpasning af modstande

Med strømfølekredsløbet på højsiden i figur 3 er nøjagtigheden af de eksterne modstande (R₁, R₂, R₃, og R₄) direkte afgørende for målepræcisionen. Ligning 1 anvendes til at beregne figur 3's differentielle forstærkning:

 Ligning 1

Ligning 2 anvendes til at beregne figur 3's common-mode forstærkningsfejl:

 Ligning 2

Ligning 3 anvendes til at beregne figur 3's udgangsspænding:

 Ligning 3

Hvis R₁ til R₄ er 1 %-modstande, er den værst tænkelige tolerance for de samlede fejl større end 5 %. Denne 5 % fejl gør det nødvendigt at bruge dyre modstande med snævrere tolerance. Den største ulempe ved denne fremgangsmåde er de øgede omkostninger som følge af kravet om præcisionsmodstande med en snæver tolerance for forholdet mellem værdierne R₄/R₃ og R₂/R₁ for at overvinde fejlfølsomheden som følge af højere common-mode-spændinger.

In-line strømføling

Selv om de andre løsninger fungerer, er den foretrukne metode en inline-motorstrømsensor (eller en sensor med direkte vikling). Denne fremgangsmåde giver den sande strøm-fase-information og giver dermed mulighed for hurtige nedreguleringstider og større afvisning af common-mode-transienter. Den ideelle forstærker til in-line-målinger er en bidirektionel CSA med PWM-undertrykkelse for at imødegå disse udfordringer. Denne forstærker har en hurtig indstillingstid, høj båndbredde og afviser common-mode-transienter.

For at opnå en effektiv motordrift har systemprocessoren til enhver tid strømdata for alle tre motorfaser (Figur 4).

Figur 4: Ved in-line strømføling til motorstyring har processoren strømdata for alle tre motorfaser på et hvilket som helst tidspunkt. (Billedkilde: Analog Devices)

I figur 4 prøver MCU'en samtidig alle tre motorben med Analog Devices' MAX40056 bi-directional CSA, der bevarer faseforholdene mellem hvert bens excitation. En ideel in-line-forstærker forstærker hvert motorbenets differentielle signal og afviser samtidig PWM's common-mode-transienter. Den kraftige PWM-afvisning giver den hurtigste nedreguleringstid, højere nøjagtighed og gør det muligt for designeren at minimere PWM-tasticitetscyklussen og holde den tæt på 0 %.

MAX40056 er en højpræcis, bidirektionel CSA med en enkelt forsyning og et højt common-mode-indgangsområde, der strækker sig fra -0,1 volt til +65 volt. Indgangstrinet beskytter mod spændingsspidser og induktive tilbageslag fra -5 volt til +70 volt. Indgangsoffsetspændingen på ±5 μV (typ) og forstærkningsfejlen på 0,05 % (typ) er med til at sikre lave systemfejl (Figur 5).

Figur 5: MAX40056 CSA's evne til at undertrykke forstyrrelser på grund af det hurtige PWM-afvisningskredsløb gør den velegnet til overvågning af strøm i fase af induktive belastninger, f.eks. motorviklinger. (Billedkilde: Analog Devices)

I figur 5 er indgangstrappen specielt designet til at undertrykke forstyrrelser fra hurtige PWM-signaler, som er almindelige i motorstyringsapplikationer. MAX40056 er derfor velegnet til overvågning af strømmen i fase af induktive belastninger, f.eks. motorviklinger og solenoider, der drives af PWM-signaler. MAX40056 fungerer i hele temperaturområdet fra -40 °C til +125 °C og fra en forsyningsspænding på +2,7 volt til +5,5 volt.

MAX40056 har en 500 nanosekunder (ns) PWM-kantgenopretning fra 500 volt/mikrosekund (µs) og hurtigere PWM-kanter. MAX40056 og konkurrentens bench data viser en betydelig forskel i PWM common-mode immunitet (Figur 6).

Figur 6: En konkurrencesammenligning ved hjælp af en PWM-kantafvisning af en PWM-cyklus på 50 volt viser, at MAX40056 har en klar fordel med hensyn til PWM-impedansmodstandsdygtighed over for overgangsforstyrrelser i common-mode. (Billedkilde: Analog Devices)

I figur 6 viser MAX40056 CSA's analoge udgang et mindre bump og genopstår inden for 500 ns, mens det tager ca. 2 µs for den konkurrerende enhed at genopstå. CSA's patenterede PWM-afvisningsindgang undertrykker transienter og giver en ren differentialsignalmåling.

Konklusion

Industri 4.0 og IIoT lægger begge vægt på højere niveauer af produktionseffektivitet og pålidelighed, som skal nå ned til de enkelte motorer. Det kan være kompliceret at finde egnede kredsløbsdesigns til at opbygge et AC-motordrevssystem til hastighed og drejningsmoment for at sikre stabilitet, pålidelighed og energieffektivitet.

Som vist giver en in-line motorstrømsensor med en ideel forstærker ægte strømfaseinformation. Med denne fremgangsmåde - og ved hjælp af MAX40056 bidirektionel CSA med PWM-afvisning - kan designere konfigurere et trefaset motorsystem, der nøjagtigt måler drejningsmoment og hastighed i et trefaset AC-motorsystem, hvilket sikrer motorens effektivitet, pålidelighed og stabilitet.