Az Ipar 4.0 követelményeinek megfelelő motorvezérlési megoldás kiválasztása és megvalósítása

Az Ipar 4.0-nak. illetve az ipari dolgok internetének (IIoT) korszaka intelligensebbé teszi a rendszereket azáltal, hogy helyi intelligenciát biztosít, és a gépek és számítógépek közötti, valamint az internethez való kapcsolódást tesz lehetővé. Ennek az összekapcsolhatóságnak az egyik oka, hogy így a termelési rendszerek és alrendszerek a nagyobb hatékonyság, megbízhatóság és stabilitás érdekében felügyelhetők és irányíthatók. Ez a korszak hatással van az ipari villanymotorokra is, amelyek az automatizált létesítmények erőgépeinek nagy részét teszik ki, és amelyek meghibásodása akár egy teljes gyártósor leállását is eredményezheti.

Ebből következik, hogy a motorok hatékony vezérlése kritikus fontosságú, különösen a fordulatszám és a nyomaték tekintetében, amelyek együttesen nagyban befolyásolják a motor dinamikatartományát. E két paraméter hatékony szabályozásához nagyfokú visszacsatolási pontosságra van szükség. Ennek a pontosságnak az érdekében a tervezőknek gondosan kell választaniuk az alacsonyoldali, a magasoldali és a vonali áramérzékelés között, majd optimálisan kell kialakítaniuk a megfelelő áramkört.

Ez a cikk röviden tárgyalja ezt a három áramérzékelési lehetőséget, mielőtt ismerteti, hogy a vonali motor-áramérzékelőben lévő ideális erősítő hogyan szolgáltat valódi áramfázis-adatokat. Ezt követően bemutatja, hogy hogyan lehet egy Maxim Integrated impulzusszélességmoduláció-elutasításos (PWM-elutasításos) kétirányú áramérzékelő erősítőt (CSA) használni a háromfázisúmotor-rendszereknek a hatékonyabb működés érdekében történő beállításához.

Alacsonyoldali, magasoldali vagy vonali áramérzékelés?

A három áramérzékelési lehetőség – az alacsonyoldali, a magasoldali és a vonali – a megvalósítás terén széles skálán mozog (1. ábra). Az alacsonyoldali motor-áramérzékelő kialakítása egy földhöz közeli érzékelő ellenállást és erősítőt használ (balra lent).

1. ábra: A motor fordulatszám- és nyomatékérzékelésének megvalósításához szükséges alacsonyoldali, a magasoldali és a vonali áramérzékelő áramkörök megvalósítási lehetőségei (kép: Analog Devices)

A három lehetőség közül az alacsonyoldali áramérzékelő áramkör a leglogikusabban felfogható és legegyszerűbb. Alkalmas olyan fogyasztói készülékekhez, ahol a gazdaságosság gyakran az egyik elsődleges tervezési követelmény.

Az alacsonyoldali érzékelő áramkörben az erősítő a föld közelében van, és egymás után fogadja az egyes motorfázisok áramát. Az áramkör a kapuvezérlő FET-csoportok alatt elhelyezett általános célú, olcsó műveleti erősítőket használ, valamint egy érzékelő ellenállást (R_S), amelynek közös módusú feszültsége közel van a földfeszültséghez (2. ábra). 100 A terhelőáramig a kis érzékelő ellenállás (R_S) általában egy nyomtatott áramköri vezetőcsíkból kialakított ellenállás.

2. ábra: Ez a váltakozó áramú motorhoz tartozó alacsonyoldali áramérzékelő áramkör egy CMOS erősítőt használ, ahol a közös módusú feszültség eléri az erősítő negatív tápfeszültségét (kép: Bonnie Baker)

A 2. ábrán a terhelőáram a váltakozó áramú motor egy-egy FET-csoportján átfolyó áramnak felel meg. Ennek az áramkörnek az esetében arra van szükség, hogy az erősítő közös módusú bemeneti tartománya egészen a földfeszültségig terjedjen. Az erősítő áramkör felerősíti az R_S ellenálláson eső feszültséget, amelynek eredményeképpen a terhelőáram (I_L) nagyságával arányos feszültségértékét kapunk. Ezt a feszültséget egy olyan erősítő nem invertáló bemenetére adjuk rá, amelynek erősítése (1 + R_F/R_G), vagyis nagyjából 50 V/V (voltonként 50 V).

Ezen erősítőként használható az Analog Devices AD8691 jelű terméke. Ez egy olcsó általános célú műveleti erősítő 10 MHz sávszélességgel. Az erősítő bemeneti CMOS tranzisztorai jellemzően 0,2 pA bemenet-előfeszítő áramot és 0,3 V-tal a negatív tápfeszültség alatti (azaz –0,3 V-os) közös módusú tartományt szolgáltatnak.

Az erősítő kimenőjele egy analóg-digitális átalakító (ADC) bemenetére van rákapcsolva. Egy mikrovezérlő vagy más processzor a digitalizált jelet fel tudja használni a motor állapotának meghatározására.

A nyomtatott áramköri lapra vonatkozó követelmények

Az alacsonyoldali áramérzékelő áramkör kialakításának egyszerűsége félrevezető lehet. Azzal, hogy a nyomtatott áramköri lapot használjuk az R_S ellenállás kialakítására, könnyű mérési hibákat bevinni a rendszerbe az érzékelő ellenállás értékének akaratlan megnövelése révén. Annak érdekében, hogy az R_S értéke pontos legyen, közvetlen kapcsolatot kell létesíteni az R_S ellenállás felső vagy pozitív vége és a nem invertáló műveleti erősítő lába között. Emellett az R_S alsó (negatív) végének közvetlenül a földre kell csatlakoznia. Ez a nyomtatott áramköri lapra vonatkozó második tervezési követelmény közvetlen kapcsolatot biztosít az érzékelő ellenállás negatív végpontja és a műveleti erősítő erősítő ellenállásának (R_G) alsó pontja között.

Vegye figyelembe, hogy az áram keresztülfolyik a nyomtatott áramköri lap földelőfelületén, és emiatt feszültségkülönbséget hoz létre annak pontjai között. Normál körülmények között ez nem jelent problémát. Az alacsonyoldali érzékelő áramkör esetében azonban az a tény, hogy az R_S ellenállás nagyon kis értékű, rendkívül érzékennyé teszi az áramkört a nyomtatott áramköri lap pontjai közötti földfeszültség-csökkenésekre.

A réz ellenállás hőmérsékleti együtthatója körülbelül 0,4%/°C, ami lehetővé teszi, hogy az R_S értéke a hőmérséklet függvényében tág határok között változzon. A nyomtatott áramköri lapon kialakított ellenállás a nagy hőmérséklet-ingadozású rendszerekben hőmérsékletfüggő hibát okoz, ami bizonyos fokú instabilitást eredményez. Az R_S ellenállás miatti hibák minimálisra csökkentése érdekében célszerű kerülni a hosszú vezetőcsíkok használatát. Ezen túlmenően az alacsonyoldali érzékelő kialakításánál használt érzékelő ellenállás nemkívánatos dinamikus feszültségeséseket okoz, ami az elektromágneses zavarás (EMI) miatt fellépő zajproblémákhoz vezet.

Magasoldali áramérzékelés

A magasoldali motoráram-érzékelő minimálisra csökkenti az ellenállásra adott dinamikus váltakozó feszültség hatását, rendkívül kismértékű elektromágneses zavarás mellett. Ez a kialakítás viszont a nagy feszültségek kezelése miatt erős felépítésű erősítőt igényel.

Az alacsonyoldali áramérzékelő áramkör három egyszerű műveleti erősítőt használ a váltakozó áramú motor egyes fázisain átfolyó áram érzékelésére. Ez a megoldás érzékeny a nyomtatott áramköri lap parazita-ellenállásai miatt fellépő hibákra, valamint a földközeli mérési hibára, más szóval az R_S-feszültség földelési hibájára.

A magasoldali áramérzékelő áramkörök differenciálerősítőt használnak, amelynek közös módusú feszültsége közel van a tápfeszültséghez. Az alacsonyoldali áramérzékelő áramkör néhány korlátozásával szemben ez a kialakítás nem érzékeny a földzavarokra, és képes a terhelés rövidzárlatának érzékelésére (3. ábra).

3. ábra: A váltakozó áramú motorok magasoldali áramérzékelő áramköre két pnp bemeneti fokozattal rendelkező erősítőt használ, ahol a közös módusú feszültség az erősítő pozitív és negatív tápfeszültségén túlra terjed (kép: Bonnie Baker)

A műveleti erősítőnek síntől sínig terjedő bemenőjellel kell rendelkeznie, valamint az R_S ellenállás végpontjain olyan nagy közös módusú feszültséggel, amely egyenlő a V_SUPPLY tápfeszültség értékével, vagy meghaladja azt. Ez kihívást jelent, mert az érzékelő erősítőnek legalább a V_SUPPLY értékével megegyező megnövelt értékű feszültségforrásokra van szüksége. Emiatt a magasoldali érzékelős elrendezésben az erősítő bemeneti közös módusú feszültségének olyan nagynak kell lennie, mint a V_SUPPLY tápfeszültség.

Ennél a megoldásnál a tervezők használhatják az Analog Devices ADA4099-1 jelű termékét. Ez egyetlen erős felépítésű, nagy pontosságú, síntől sínig terjedő be- és kimenőjelű műveleti erősítő, amelynek bemenőjelei a V– és V+ (a negatív és pozitív tápfeszültség) közöttiek és azokat meghaladóak is lehetnek. Ez utóbbi funkciót az adatlapon Over-The-Top (csúcsértéken túli) megnevezéssel említik.

Az eszköz jellemzői: < 40 μV eltolási feszültség, < 10 nA bemenet-előfeszítő áram (IB), valamint 3,15 V és 50 V közötti egyetlen vagy osztott tápfeszültségről való működés. Az ADA4099-1 csatornánként 1,5 mA nyugalmi áramot vesz fel.

Ellenállás-illesztés

A 3. ábrán látható magasoldali áramérzékelő áramkör esetében a külső ellenállások (R₁, R₂, R₃ és R₄) pontossága közvetlenül határozza meg a mérési pontosságot. Az 1. egyenlet a 3. ábrán látható kapcsolás differenciálerősítésének kiszámításához használható:

 1. egyenlet

A 2. egyenlet a 3. ábrán látható kapcsolás közös módusú erősítési hibájának kiszámításához használható:

 2. egyenlet

A 3. egyenlet a 3. ábrán látható kapcsolás kimenőfeszültségének kiszámításához használható:

 3. egyenlet

Ha az R₁–R₄ 1%-os tűrésű ellenállás, akkor az összes hiba miatti tűrés a legrosszabb esetben több mint 5%. Ez az 5%-os hiba drága, kisebb tűrésű ellenállások használatát teszi szükségessé. Ennek a megoldásnak a legnagyobb hátránya a többletköltség, amely abból adódik, hogy a nagyobb közös módusú feszültségek miatti hibaérzékenység leküzdése érdekében a megfelelő R₄/R₃ és R₂/R₁ ellenállásarány eléréséhez kis tűrésű, nagy pontosságú ellenállásokra van szükség.

Vonali áramérzékelés

Bár a többi megoldás is működik, az előnyben részesített módszer mégis a vonali (vagy közvetlenül a tekercseken történő) motoráram-érzékelés. Ez a megoldás valódi áramfázis-adatokat szolgáltat, ezáltal lehetővé teszi a gyors leszabályozási időt és a közös módusú tranziensek nagyobb mértékű elutasítását. A vonali mérésekhez ideális erősítő egy PWM-elutasításos kétirányú áramérzékelő erősítő, amely megoldja ezeket a feladatokat. Ez az erősítő gyors leszabályozási idővel és nagy sávszélességgel rendelkezik, és elutasítja a közös módusú tranzienseket.

A motor hatékony vezérlése érdekében a rendszerprocesszornak mindig ismernie kell mindhárom motorfázis áramadatait (4. ábra).

4. ábra: A motorvezérléshez használt vonali áramérzékelésnél a processzornak minden pillanatban ismernie kell mindhárom motorfázis áramadatait (kép: Analog Devices)

A 4. ábrán az mikrovezérlő egyidejűleg a motor mindhárom fázisát mintavételezi az Analog Devices MAX40056 kétirányú áramérzékelő erősítővel, megőrizve az egyes fázisok gerjesztése közötti fázisviszonyokat. Egy ideális vonali erősítő erősíti mindegyik motorfázis különbségi jelét, miközben elutasítja a PWM közös módusú tranzienseit. Az erős PWM-elutasítás elősegíti a legrövidebb leszabályozási időt, a nagyobb pontosságot, és lehetővé teszi a tervező számára, hogy minimálisra csökkentse a PWM-munkaciklust, közel 0%-on tartva azt.

A MAX40056 egy egyforrású, nagy pontosságú, kétirányú áramérzékelő erősítő nagy, –0,1 V és +65 V közötti közös módusú bemeneti tartománnyal. A bemeneti fokozat –5 V és +70 V között védelmet nyújt a feszültségcsúcsok és az induktív impulzustúllövések ellen. A ±5 μV (jellegzetes) bemeneti eltolási feszültség és a 0,05% (jellegzetes) erősítési hiba segíti az alacsony rendszerhibák elérését (5. ábra).

5. ábra: A MAX40056 áramérzékelő erősítő a gyors PWM-elutasító áramkörnek köszönhetően képes elnyomni a zavarokat, így jól használható induktív terhelések, például motortekercsek fázison belüli áramerősség-figyelésére (kép: Analog Devices)

Az 5. ábrán látható kapcsolás bemeneti fokozatát kifejezetten arra tervezték, hogy elnyomja a motorvezérlő alkalmazásokban gyakori gyors PWM-jelek zavaró hatását. A MAX40056 ezért jól használható induktív terhelések, például PWM-jelekkel vezérelt motortekercsek és mágnestekercsek fázison belüli áramfigyelésére. A MAX40056 a teljes –40 °C – +125 °C közötti hőmérséklet-tartományban használható, +2,7 V és +5,5 V közötti tápfeszültségről.

A MAX40056 erősítő 500 V/µs és annál meredekebb PWM-élek esetén 500 ns-os PWM-élhelyreállítást végez. A MAX40056 és a versenytársak összehasonlító adatai a közös módusú PWM-védettséget tekintve jelentős különbséget mutatnak (6. ábra).

6. ábra: A versenytársakkal az 50 V-os PWM-ciklus PWM-élének elutasítása alapján végzett összehasonlítás azt mutatja, hogy a MAX40056 egyértelmű előnyben van a PWM közös módusú tranzienseivel szembeni védettség tekintetében (kép: Analog Devices)

A 6. ábrán a MAX40056 áramérzékelő erősítő analóg kimenőjele kisebb túllövést mutat, és 500 ns alatt helyreáll, míg a vetélytárs eszköznek körülbelül 2 µs-ra van szüksége a helyreálláshoz. Az áramérzékelő erősítő szabadalmaztatott PWM-elutasító bemenete elnyomja a tranzienseket, és tiszta differenciáljel-mérést tesz lehetővé.

Összegzés

Az Ipar 4.0 és az IIoT egyaránt a termelés hatékonyságának és megbízhatóságának magasabb szintjére helyezi a hangsúlyt, és ennek le kell nyúlnia az egyes motorok szintjéig. Nem egyszerű megtalálni azokat a megfelelő áramköri kialakításokat, amelyekre a váltakozó áramú motorok fordulatszámát és nyomatékát szabályozó olyan vezérlőrendszert lehet építeni, amely képes biztosítani a stabilitást, a megbízhatóságot és az energiatakarékosságot.

Amint látható, egy ideális erősítővel ellátott vonali motoráram-érzékelő megoldás valódi áramfázis-adatokat szolgáltat. Ezzel a megközelítéssel – és a MAX40056 PWM-elutasításos kétirányú áramérzékelő erősítővel – a tervezők olyan háromfázisú motorrendszert alakíthatnak ki, amely pontosan méri az adott háromfázisú váltakozó áramú motorrendszer nyomatékát és fordulatszámát, biztosítva a motor megfelelő hatásfokát, megbízhatóságát és stabilitását.