Dobór i wdrożenie odpowiedniego układu sterowania silnikiem w celu spełnienia wymagań Przemysłu 4.0

W erze Przemysłu 4.0, czy przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) mamy do czynienia z coraz inteligentniejszymi systemami wykorzystującymi lokalną inteligencję i łączność między maszynami i komputerami oraz z Internetem. Jednym z powodów wykorzystywania takiej łączności jest możliwość monitorowania i kontroli systemów i podsystemów produkcyjnych w celu zwiększenia wydajności, niezawodności i stabilności. Ta era ma wpływ na silniki przemysłowe, które są częścią wielu zautomatyzowanych zasobów energetycznych zakładów, a ich awaria może spowodować wyłączenie całej linii produkcyjnej.

W związku z tym kluczowe znaczenie ma skuteczne sterowanie silnikami, zwłaszcza w odniesieniu do prędkości i momentu obrotowego, które łącznie mają duży wpływ na zakres dynamiczny silnika. Efektywne sterowanie tymi dwoma parametrami wymaga wysokiego stopnia dokładności sprzężenia zwrotnego. Aby zapewnić taką dokładność, projektant musi dokonać starannego wyboru między pomiarem prądu po stronie niskiej, po stronie wysokiej oraz w linii, a następnie w optymalny sposób wdrożyć odpowiednie obwody elektryczne.

W niniejszym artykule omówiono trzy opcje pomiaru prądu, a następnie zaprezentowano, jak idealny wzmacniacz z czujnikiem natężenia prądu w linii silnika dostarcza informacji o rzeczywistej fazie prądu. Oprócz tego przedstawiono sposób korzystania z dwukierunkowego wzmacniacza pomiarowego prądu firmy Maxim Integrated z eliminacją sygnałów modulacji szerokości impulsu (PWM) w celu skonfigurowania układu trójfazowego silnika dla zwiększenia wydajności jego pracy.

Pomiar prądu po stronie wysokiej, niskiej czy w linii?

Trzy opcje pomiaru prądu - strona niska, strona wysoka i w linii - różnią się znacznie pod względem implementacji (ilustracja 1). Konstrukcja z pomiarem prądu silnika po stronie niskiej wykorzystuje rezystor pomiarowy i wzmacniacz w pobliżu masy (u dołu po lewej).

Ilustracja 1: opcje obwodów do pomiaru prądu po stronie niskiej, wysokiej oraz w linii na potrzeby pomiaru prędkości i momentu obrotowego silnika. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Spośród trzech opcji najbardziej intuicyjny i prosty jest obwód pomiaru prądu po stronie niskiej. Jest on przeznaczony do zastosowań konsumenckich, w których opłacalność jest często jednym z podstawowych wymagań projektowych.

Obwód pomiaru po stronie niskiej posiada wzmacniacz blisko masy, który rejestruje kolejno prądy każdego odgałęzienia. Obwody elektryczne są wyposażone w niedrogie wzmacniacze operacyjne ogólnego przeznaczenia (wzmacniacze operacyjne) umieszczone poniżej stosów sterujących bramkami tranzystorów polowych (FET) oraz rezystor pomiarowy (R_S) dla napięcia w trybie wspólnym w pobliżu masy (ilustracja 2). W przypadku prądu obciążeniowego o natężeniu 100A niewielki rezystor pomiarowy (R_S) przybiera zwykle postać ścieżki rezystancyjnej na płytce drukowanej.

Ilustracja 2: obwód pomiarowy prądu strony niskiej silnika prądu zmiennego wykorzystuje wzmacniacz CMOS, w którym napięcie w trybie wspólnym osiąga wartość ujemnego zasilania wzmacniacza. (Źródło ilustracji: Bonnie Baker)

Prąd obciążeniowy na ilustracji 2 wskazuje przewodzenie przez jeden stos tranzystora polowego (FET) silnika prądu zmiennego. Obwód wymaga, aby zakres wejściowy napięcia w trybie wspólnym wzmacniacza rozciągał się do masy. Obwód wzmacniacza zwiększa napięcie odkładające się na rezystorze R_S, co zapewnia odczyt napięcia proporcjonalnego do natężenia prądu obciążeniowego (i_L). Napięcie to jest doprowadzane do nieodwracającego wejścia wzmacniacza o wzmocnieniu równym (1 + R_F / R_G) lub ~50V/V.

W roli wzmacniacza można wykorzystać urządzenie AD8691 firmy Analog Devices. Jest to niedrogi wzmacniacz operacyjny o szerokości pasma 10MHz. Tranzystory wejściowe w technologii CMOS charakteryzują się typowym prądem wejściowym polaryzacji o natężeniu 0,2pA i zakresem w trybie wspólnym o -0,3V poniżej ujemnego napięcia zasilania.

Sygnał wyjściowy wzmacniacza jest podawany do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Mikrokontroler lub inny procesor może wykorzystać sygnał cyfrowy do określenia statusu silnika.

Wymagania dotyczące płytki drukowanej

Prostota konstrukcji obwodu do pomiaru prądu po stronie niskiej może być zwodnicza. Wykorzystując płytkę drukowaną do stworzenia R_S, łatwo jest wprowadzić błędy pomiarowe poprzez niezamierzone zwiększenie wartości rezystora pomiarowego. Aby mieć pewność, że wartość R_S jest dokładna, musi istnieć bezpośrednie połączenie górnego czy też dodatniego zacisku R_S z nieodwracającym zaciskiem wzmacniacza operacyjnego. Ponadto dolny (ujemny) zacisk R_S musi mieć bezpośrednie połączenie z masą. Ten drugi wymóg dla płytki drukowanej zapewnia bezpośrednie połączenie z ujemnym zaciskiem rezystora pomiarowego i dolną częścią rezystora wzmocnienia wzmacniacza (R_G).

Należy pamiętać, że prąd przepływa przez płaszczyznę uziemienia płytki drukowanej, tworząc na niej różnicę napięć. W normalnych okolicznościach nie jest to problemem. Zastosowanie niskiej rezystancji R_S w obwodzie czujnika po stronie niskiej sprawia, że obwód jest bardzo czuły na spadki napięcia na płytce drukowanej.

Współczynnik temperaturowy rezystancji miedzi wynosi około 0,4%/°C, dlatego wartość R_s zmienia się znacznie w zależności od temperatury. Rezystancja płytki drukowanej w układach, w których występują duże wahania temperatury, skutkuje błędami zależnymi od temperatury, a w efekcie niestabilnością. Rozsądnie jest unikać długich ścieżek w celu zminimalizowania błędów R_S. Ponadto zastosowanie rezystora pomiarowego w konstrukcji do pomiarów po stronie niskiej powoduje niepożądane dynamiczne spadki napięcia, skutkujące zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI).

Pomiar prądu po stronie wysokiej

Czujnik prądu po stronie wysokiej ogranicza do minimum dynamiczny wpływ rezystora na napięcie prądu zmiennego przy minimalnym poziomie zakłóceń elektromagnetycznych. Jednak taka konstrukcja wymaga solidnego wzmacniacza do obsługi wysokich napięć.

Obwód pomiarowy prądu po stronie niskiej mierzy natężenia prądu w poszczególnych odgałęzieniach silnika prądu zmiennego wykorzystując trzy pojedyncze wzmacniacze operacyjne. Podejście to jest podatne na błędy wynikające z rezystancji pasożytniczej płytki drukowanej, a także błędy pomiaru w pobliżu masy, zwane również błędami napięcia masy R_S.

Obwody czujnika prądu po stronie wysokiej wykorzystują wzmacniacz różnicowy o napięciu w trybie wspólnym zbliżonym do zasilania. W przeciwieństwie do niektórych ograniczeń dotyczących obwodu czujnika prądu po stronie niskiej, ta konfiguracja nie jest podatna na zakłócenia masy i jest w stanie wykryć zwarcie obciążenia (ilustracja 3).

Ilustracja 3: obwód pomiarowy prądu strony wysokiej dla silnika prądu zmiennego wykorzystuje wzmacniacz z dwoma wejściowymi stopniami PNP, w którym napięcie w trybie wspólnym osiąga wartość przekraczającą dodatnie i ujemne napięcie wzmacniacza. (Źródło ilustracji: Bonnie Baker)

Wzmacniacz operacyjny musi posiadać wejście typu rail-to-rail i duże napięcie w trybie wspólnym na zaciskach R_S, równe co najmniej napięciu V_SUPPLY. Jest to trudne, ponieważ wzmacniacz pomiarowy będzie potrzebował rozszerzonych źródeł napięciowych o napięciu co najmniej równym V_SUPPLY. W związku z tym, w konfiguracji pomiar po stronie wysokiej, napięcie trybu wspólnego wejścia wzmacniacza musi być tak wysokie, jak napięcie zasilania, V_SUPPLY.

W przypadku tego zastosowania projektanci mogą sięgnąć po wzmacniacz operacyjny ADA4099-1 firmy Analog Devices. Jest on pojedynczym, wytrzymałym, precyzyjnym wzmacniaczem operacyjnym wejścia-wyjścia typu rail-to-rail z napięciami wejściowymi w zakresie od V- do V+ i poza nim. Ta ostatnia funkcja jest określana w arkuszu danych jako „Over-the-Top”.

Urządzenie posiada napięcie niezrównoważenia <40μV, wejściowy prąd polaryzacji (IB) <10nA i może działać przy zasilaniu pojedynczym lub dzielonym w zakresie od 3,15 do 50V. Wzmacniacz operacyjny ADA4099-1 pobiera 1,5mA prądu spoczynkowego na kanał.

Dopasowanie rezystora

W przypadku obwodu pomiarowego prądu po stronie wysokiej z ilustracji 3 dokładność rezystorów zewnętrznych (R₁, R₂, R₃ i R₄) decyduje bezpośrednio o dokładności pomiaru. Równanie 1 służy do obliczania wzmocnienia różnicowego z ilustracji 3:

Równanie 1

Równanie 2 służy do obliczania błędu wzmocnienia w trybie wspólnym z ilustracji 3:

Równanie 2

Równanie 3 służy do obliczania napięcia wyjściowego z ilustracji 3:

Równanie 3

Jeśli rezystory od R₁ do R₄ posiadają tolerancję 1%, to najgorsza możliwa tolerancja całkowita błędów przekracza 5%. Błąd 5% wymaga zastosowania drogich rezystorów o węższej tolerancji. Główną wadą tego podejścia jest dodatkowy koszt wynikający z potrzeby zastosowania precyzyjnych rezystorów o wąskiej tolerancji dla wartości współczynnika R₄/R₃ i R₂/R₁ w celu zniwelowania wrażliwości na błędy spowodowane wyższymi napięciami w trybie wspólnym.

Pomiar prądu w linii

Podczas gdy inne rozwiązania działają, preferowanym podejściem jest czujnik prądu silnika umieszczony w linii (bezpośredni pomiar w uzwojeniu). Takie podejście zapewnia rzeczywiste informacje dotyczące prądu i fazy, zapewniając tym samym krótkie czasy ustalania i lepszą eliminację stanów nieustalonych w trybie wspólnym. Idealnym wzmacniaczem do pomiarów w linii jest dwukierunkowy wzmacniacz pomiarowy prądu (CSA) z eliminacją sygnałów modulacji szerokości impulsu (PWM), który pozwala sprostać tym wyzwaniom. Wzmacniacz ten charakteryzuje się krótkim czasem ustalania, dużą szerokością pasma i eliminacją stanów nieustalonych w trybie wspólnym.

Aby zapewnić wydajną pracę silnika, procesor układu posiada dane prądu dla wszystkich trzech faz silnika w dowolnej chwili (ilustracja 4).

Ilustracja 4: w przypadku pomiaru prądu w linii wykorzystywanego do sterowania silnikiem procesor posiada dane prądu dla wszystkich trzech faz silnika w dowolnym momencie. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Ukazany na ilustracji 4 mikrokontroler MCU jednocześnie próbkuje wszystkie trzy odgałęzienia silnika za pomocą dwukierunkowego wzmacniacza pomiarowego prądu (CSA) MAX40056 firmy Analog Devices, zachowując powiązania fazowe pomiędzy wzbudzeniem poszczególnych odgałęzień. Idealny wzmacniacz liniowy uzyskuje sygnał różnicowy poszczególnych odgałęzień silnika, eliminując jednocześnie stany nieustalone modulacji szerokości impulsu (PWM) w trybie wspólnym. Silna eliminacja sygnału modulacji szerokości impulsu (PWM) zapewnia krótki czas ustalania, większą dokładność i umożliwia projektantom zminimalizowanie cyklu roboczego modulacji szerokości impulsu (PWM), utrzymując go w pobliżu 0%.

Dwukierunkowy wzmacniacz pomiarowy prądu (CSA) o wysokiej dokładności MAX40056 przeznaczony jest do pracy z pojedynczym zasilaniem w szerokim zakresie sygnałów wejściowych trybu wspólnego, rozciągającym się od -0,1V do +65V. Stopień wejściowy zapewnia ochronę przed skokami napięcia i odbiciami indukcyjnymi w zakresie od -5 do +70V. Wejściowe napięcie niezrównoważenia ±5μV (typ.) i błąd wzmocnienia 0,05% (typ.) pomagają w zapewnieniu niskich błędów układu (ilustracja 5).

Ilustracja 5: zdolność wzmacniacza pomiarowego prądu (CSA) MAX40056 do tłumienia zakłóceń w wyniku zastosowania szybkich obwodów eliminacji sygnału modulowanej szerokości impulsu (PWM) sprawia, że jest on dobrze przystosowany do monitorowania prądu w fazach odbiorników indukcyjnych, takich jak uzwojenia silników. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Na ilustracji 5 stopień wejściowy został zaprojektowany specjalnie z myślą o tłumieniu zakłóceń wynikających z szybkich sygnałów modulacji szerokości impulsu (PWM), które występują powszechnie w sterowaniu silnikami. Dlatego też wzmacniacz MAX40056 doskonale nadaje się do monitorowania prądu w fazach odbiorników indukcyjnych, takich jak uzwojenia silnika i elektromagnesy, które są sterowane sygnałami modulacji szerokości impulsu (PWM). Wzmacniacz MAX40056 działa w pełnym zakresie temperatur od -40°C do +125°C i w zakresie napięcia zasilania od +2,7V do +5,5V.

Czas regeneracji od zbocza sygnału z modulacją szerokości impulsu (PWM) wzmacniacza MAX40056 wynosi 500ns, co przekłada się na szybkość zmiany napięcia od 500V/µs. Parametry projektowe wzmacniacza MAX40056 i urządzeń konkurencyjnych ilustrują znaczną różnicę w odporności na sygnały modulacji szerokości impulsu (PWM) w trybie wspólnym (ilustracja 6).

Ilustracja 6: porównanie funkcji eliminacji zboczy sygnałów modulacji szerokości impulsu (PWM) w cyklu 50V z urządzeniami konkurencyjnymi wykazujące wyraźną przewagę wzmacniacza MAX40056 w dziedzinie odporności na stany nieustalone modulacji szerokości impulsu (PWM) w trybie wspólnym. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Wzmacniacz pomiarowy prądu (CSA) MAX40056 firmy Analog Devices na ilustracji 6 wykazuje niewielkie wahnięcie i regenerację w ciągu 500ns, podczas gdy konkurencyjne urządzenie na regenerację potrzebuje około 2µs. Opatentowane wejście eliminacji sygnałów modulacji szerokości impulsu (PWM) we wzmacniaczu pomiarowym prądu (CSA) tłumi stany nieustalone i zapewnia czysty pomiar sygnału różnicowego.

Podsumowanie

Przemysł 4.0 i przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) wymagają wyższego poziomu wydajności i niezawodności produkcji, który jest ograniczany poziomem wydajności poszczególnych silników. Znalezienie odpowiednich układów w celu zbudowania układu sterowania prędkością i momentem obrotowym silnika prądu zmiennego w celu zapewnienia stabilności, niezawodności i sprawności energetycznej może być skomplikowane.

Jak przedstawiono w niniejszym artykule, czujnik prądu silnika zainstalowany w linii z idealnym wzmacniaczem dostarczają informacji dotyczących prądu i fazy. Dzięki temu podejściu - i zastosowaniu dwukierunkowego wzmacniacza pomiarowego prądu (CSA) MAX40056 z eliminacją sygnału modulacji szerokości impulsu (PWM) - projektanci mogą stworzyć układ dla trójfazowego silnika prądu zmiennego, który dokładnie zmierzy moment obrotowy i prędkość silnika, zapewniając jego sprawność, niezawodność i stabilność.