Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
© aydindurdu dreamstime.com Komponenter | 30 oktober 2014

Förbättrad strömavkänning och systemeffektivitet för industriell kontroll

Dagens gästförfattare, Nicola O’Byrne, arbetar som senior systemingenjör i motor- och kraftstyrningsteamet (MPC) inom industri- och instrumentationssegmentet hos Analog Devices. Här delar hon med sig av lite tankar.
Industriell kontroll omfattar ett brett spann av tillämpningar. Det handlar om alltifrån strömriktad styrning av fläktar och pumpar, till fabriksautomation med komplex styrning baserad på frekvensomriktare. Området omfattar även avancerade tillämpningar, som robotik med sofistikerad servostyrning. Dessa system kräver avkänning och återmatning av ett antal variabler, som motor-lindningsström och motorlindningsspänning, DC-ström/-spänning eller rotorläge och rotorhastighet. Valet av variabler och nödvändig precision beror bland annat på sluttillämpningens krav, system-arkitekturen, kostnaden för systemet och systemkomplexiteten.

Även andra faktorer kan spela in, till exempel mervärdsefunktioner som tillståndsövervakning för slitage, vibrationen etcetera. Då motorer rapporteras stå för cirka 40 % av världens totala energiförbrukning har internationella förordningar ökat fokus på systemeffektivitet inom området, något som ökar betydelsen av dessa variabler och då särskilt ström och spänning.

En generell signalkedja för motorstyrning visas i Figur 1 nedan. Signalkonditionering för att åstadkomma mätningar med hög upplösning är ingen enkel uppgift. Fasströmsavkänning är särskilt utmanande, då den här noden är ansluten till samma kretsnod som gate-drivarutgången mitt i kraftsteget (inverter-blocket), och därför erfar samma krav i form av isolationsspänningar och switchtransienter.

Figur 1. Generell signalkedja för motorstyrning

De vanligaste sensorerna för motorstyrning just nu är shuntmotstånd, Halleffektsensorer (HE) och strömtransformatorer (CT). Medan shuntmotstånd inte ger isolering samt medför förluster vid högre strömmar är de samtidigt den mest linjära typen av sensor, de är också den billigaste och de är lämpliga för både växelströms- och likströmsmätningar. Den sänkning av signalnivån som krävs för att begränsa energiförlusten i en shunt-tillämpning begränsar typiskt strömmen till 50 A eller mindre.

Strömtransformatorer och Halleffektssensorer medför isolering som möjliggör system med högre strömmar, men de är samtidigt dyrare och ger en lägre noggrannhet än vad som kan fås med shuntmotstånd – antingen genom att sensorn har sämre noggrannhet till att börja med eller sämre noggrannhet när temperaturen varierar. Medan det finns många mätpunkter för motorströmsmätning, se Figur 2 nedan, är mätning av lindningsström direkt i fas ideal och används i system med högst prestanda. Ett huvudmål för de flesta systemkonstruktörer är att förbättra återmatning från strömavkänningen för att uppnå högre effektivitet och samtidigt möta kostnadsmålen.

Figur 2. Isolerad och icke-isolerad återmatning av motorström

Migrering från Halleffektsensorer till shuntmotstånd

Shuntmotstånd tillsammans med isolerade Sigma-Delta-modulatorer ger den bästa återmatningen (när strömnivån är tillräckligt låg för att använda shuntmotstånd). En tydlig, pågående trend är att system-konstruktörer migrerar från Halleffektsensorer till shuntmotstånd. Ytterligare en trend är att migrera till en isolerad modulator-strategi i stället för en isolerad förstärkar-strategi.

Sigma-Delta-modulatorn AD7401A, baserad på Analog Devices isolationsteknik iCoupler®, är därför en produkt i tiden, med ett differentierat indataområde på ±250 mV vilket är idealiskt för mätningar med shuntmotstånd. Den ursprungliga insamlade informationen kan rekonstrueras från den digitala en-bitsutgången (upp till 20 MHz) med ett lämpligt digitalfilter, vanligtvis ett Sinc3-filter för högprecisions-mätning av strömmen. Eftersom omvandlingens prestanda kan bytas mot bandbredd (eller filtergrupps-fördröjning) kan ett snabbare men mindre noggrant filter ge snabb respons i storleksordningen 2 µs. Det är perfekt för IGBT-skydd och det kan potentiellt eliminera behovet av associerade analoga kretsar.

Från en signalmätningssynvinkel finns det några viktiga utmaningar i samband med valet att använda shuntmotstånd då det innebär en kompromiss mellan känslighet och effektförlust. Det finns en stor efterfrågan att minska shuntmotståndets storlek för att minimera förluster och egenuppvärmnings-effekter samt behov av att välja shuntstorlek som skall fungera med många modeller och motorer med olika strömnivåer. Att erbjuda ett dynamiskt omfång är också utmanande på grund av toppströmmar som kan vara flera gånger högre än motorns märkström samt behovet av att på ett tillförlitligt sätt mäta båda.

Branschens mest högpresterande isolerade Sigma-Delta-modulator

Det är tydligt att en isolerad Sigma-Delta-modulator med högre prestanda skulle möta flera behov och trender inom industriell motorstyrning, samt förbättra effektiviteten av motordrivsteg genom mindre shuntmotstånd, förbättrade sensorfria styrkretsar och möjligheten att styra högeffektiva motorer av typen Interior Permanent Magnet (IPM).

Analog Devices Sigma-Delta-modulator AD7403 tillhör nästa generation, efter AD7401A, och har mycket större dynamiskt omfång vid samma externa klockfrekvens på 20 MHz. Detta ger mer flexibilitet i valet av shuntstorlek, optimerar matchningen mellan drivsteg och motor, förbättrar märk- och toppströmsavkänning, minskar påverkan av en enda shuntstorlek för ett antal motormodeller samt möjliggör användandet av shuntmotstånd istället för HE-sensorer vid högre strömnivåer. Dynamisk svarstid kan också förbättras genom minskad fördröjning vid mätning. AD7403 har också ett isolersystem med högre kontinuerlig spänning (VIORM) än förra generationen AD7400/01A, vilket också bidrar till högre effektivitet i hela systemet tack vare användandet av högre DC-busspänning och lägre motorström.

Systemlösningar med större bredd tack vare styrprocessorn ADSP-CM40x

Digitala filter implementeras traditionellt med FPGA eller en digital ASIC och anses ofta dyrt. Tack vare processorn ADSP-CM408F med inkluderat hårdvaru-Sinc3-filter som isolerade Sigma-Delta-modulatorer i AD740x-serien kan ansluta direkt till, är en ökning av migreringar till shuntmotståndsbaserad avkänning kopplad till isolerade Sigma-Delta-modulatorer sannolikt att vänta. Processorn ADSP-CM408F är en kostnadseffektiv lösning som ger många konstruktörer möjligheten att överväga shuntmotstånds-baserad avkänning som tidigare begränsats av kostnadsmål, och därmed uppnå högre systemeffektivitet.

Författare: Nicola O’Byrne är senior systemingenjör i motor- och kraftstyrningsteamet (MPC) inom industri- och instrumentationssegmentet hos Analog Devices. Därifrån stöttas motorstyrning och andra industriella precisionstillämpningar. Nicola har arbetat hos ADI i 18 år och ledde teamet Precision ADC Applications innan sin nuvarande roll.

Bilder: © Analog Devices

Kommentarer

Vänligen notera följande: Kritiska kommentarer är tillåtna och till och med uppmuntrade. Diskussioner är välkomna. Verbala övergrepp, förolämpningar, rasistiska och homofobiska kommentarer är inte tillåtna och sådana inlägg kommer att raderas.
Annons
Visa fler nyheter
2017-10-16 14:56 V8.8.6-2