Velge og implementere riktig motorstyringsutforming for å oppfylle kravene til Industri 4.0

Epoken med Industri 4.0, eller det industrielle tingenes Internett (IIoT), gjør systemer smartere ved å tilby lokalisert intelligens og konnektivitet mellom maskiner og datamaskiner og til Internett. En av årsakene til denne konnektiviteten er at produksjonssystemer og undersystemer kan overvåkes og styres med tanke på økt effektivitet, pålitelighet og stabilitet. Denne epoken har konsekvenser for industrimotorer, som bruker mye av energiresursene i et automatisert anlegg, og i tilfeller der utstyrsfeil kan stanse en hel produksjonslinje.

Det er derfor svært viktige å styre motorene effektivt, spesielt med hensyn til hastighet og dreiemoment, som sammen påvirker en motors dynamiske rekkevidde i stor grad. Styring av disse to parametrene krever høy grad av tilbakekoblingsnøyaktighet. For å oppnå denne nøyaktigheten må konstruktører velge nøye mellom strømføling på lavsiden, høysiden eller på linjen, og deretter implementere egnet strømkrets på en optimal måte.

Denne artikkelen tar kort for seg disse tre alternativene for strømføling og går deretter videre til hvordan den ideelle forsterkeren i en motorstrømsensor på linjen gir sann strømfaseinformasjon. Den viser deretter hvordan en toveis Maxim Integrated-strømfølingsforsterker (CSA – current sense amplifier) med PWM-demping (PWM – pulse width modulation – pulsbreddemodulasjon) kan brukes til å konfigurere et trefaset motorsystem slik at det kan kjøre mer effektiv.

Strømføling på lavsiden, høysiden eller på linjen?

Implementeringen av de tre sensoralternativene – lavside, høyside og på-linje – varierer kraftig (figur 1). Utformingen til motorstrømsensoren på lavsiden bruker en sensormotstand og forsterker tett på jord (nederst til venstre).

Figur 1: Kretsalternativene for lavside, høyside og på-linje for deteksjon av motorhastighet og dreiemoment. (Bildekilde: Analog Devices)

Av de tre alternativene, er en strømfølingskrets på lavsiden den mest intuitive og brukervennlige. Dette alternativet er egnet for forbrukerenheter der kostnadseffektivitet ofte er et av de viktigste konstruksjonskravene.

Sensorkretsene for lavsiden har forsterkeren nær jord, og fanger strømmen til hver pinne i orden. Kretsen har generelle, prisgunstige operasjonsforsterkere (op-amp) under de gate-drevne FET-stakkene og en sensormotstand (R_S) med fellesmodusspenning nær jord (figur 2). For en laststrøm på opptil 100 ampere (A), er den lille sensormotstanden (R_S) vanligvis en spormotstand på kretskortet.

Figur 2: Denne vekselstrømsmotorens strømfølingskrets på lavsiden bruker en CMOS-forsterker der fellesmodusspenningen når forsterkerens negative forsyning. (Bildekilde: Bonnie Baker)

I figur 2 indikerer laststrømmen konduksjonen som går gjennom FET-stakken til én vekselstrømsmotor. Denne kretsen trenger forsterkerens fellesmodus-inngangsområde for å strekke seg til jord. Forsterkerkretsen forsterker spenningen over R_S, som gir en spenningsavlesning av størrelsen til laststrømmen (I_L). Denne spenningen mates til den ikke-inverterende inngangen på en forsterker med en forsterkning som tilsvarer (1 + R_F / R_G), eller ~50 volt.

Analog Devices AD8691 kan brukes som forsterker. Dette er en prisgunstig, generisk operasjonsforsterker med en båndbredde på 10 megahertz (MHz). CMOS-inngangstransistorene gir en typisk forspenningsstrøm på inngangen som er 0,2 picoampere (pA) og et fellesmodusområde som er –0,3 volt under den negative forsyningsspenningen.

Forsterkerens utgang mates til en analog-til-digital-omformer (ADC eller A-D-omformer). En mikrokontroller eller en annen prosessor kan bruke det digitaliserte signalet til å fastsette motorens status.

Krav til kretskort

Den enkle utformingen til strømfølingskretsen på lavsiden kan være villedende. Ved å bruke kretskortet til å opprette R_S, er det fort gjort å generere målefeil ved å utilsiktet legge til sensormotstandens verdi. For å sikre at R_S-verdien er nøyaktig, må det være en direkte forbindelse fra R_S sin toppterminal (positive terminal) til den ikke-inverterte terminalen til operasjonsforsterkeren. I tillegg må R_S sin bunnterminal (negative terminal) ha direkte jordforbindelse. Dette andre konstruksjonskravet til kretskortet sikrer direkte forbindelse til sensormotstandens negative terminal og bunnen til forsterkerens forsterkningsmotstand (R_G).

Vær oppmerksom på at strømmen beveger seg gjennom jordingsplanet (ground plane) på kretskortet, noe som skaper en spenningsforskjell på tvers av det. Under normale omstendigheter er ikke dette noe problem. Med sensorkretsen på lavsiden vil bruken av den lave R_S-motstanden gjøre kretsen ekstremt følsom for jordspenningsfall på tvers av kretskortet.

Temperaturkoeffisienten til kobbermotstanden er omtrent 0,4 %/°C, noe som gjør at verdien R_s varierer kraftig med temperaturen. Kretskortets motstand skaper en temperaturavhengig feil i systemer som har store temperaturvariasjoner, noe som introduserer en viss grad av ustabilitet. Det er lurt å unngå lange spor for å minimere R_S-feil. I tillegg bidrar bruken av sensormotstand på sensorkonstruksjonens lavside til uønskede dynamiske spenningsfall, noe som forårsaker støyproblemer relatert til elektromagnetisk interferens (EMI – electromagnetic interference).

Strømføling på høysiden

Motorstrømsensorens høyside minimerer motstandens dynamiske vekselspenningspåvirkning med minimal elektromagnetisk interferens. Denne konstruksjonen krever imidlertid en robust forsterker som kan håndtere høye spenninger.

Strømsensorkretsens lavside bruker tre enkle operasjonsforsterkere til å registrere strømmene i hver pinne på vekselstrømsmotoren. Tilnærmingen er følsom for feil på grunn av parasittiske kretskortmotstander, samt målefeil nær jord, også kalt R_S spenningsjordfeil.

Strømsensorkretsenes høyside bruker en differensialforsterker med fellesmodusspenning nær strømforsyningen. For å gi kontrast til noen av begrensningene til strømsensorkretsens lavside, er ikke denne konfigurasjonen følsom for jordforstyrrelser, og den er i stand til å detektere kortslutning på lasten (figur 3).

Figur 3: En strømfølgende høyside-vekselstrømsmotor bruker en forsterker med to PNP-inngangstrinn, der fellesmodusspenningen strekker seg forbi forsterkerens positive og negative forsyning. (Bildekilde: Bonnie Baker)

Operasjonsforsterkeren må ha skinne-til-skinne-inngang og en stor fellesmodusspenning på R_S-terminalene som tilsvarer eller overstiger V_SUPPLY. Dette er utfordrende fordi følingsforsterkeren vil trenge utvidede spenningskilder som er minst like store som V_SUPPLY. Derfor, i en sensorkonfigurasjon for høysiden, må inngangsmodusen til forsterkeren være like høy som forsyningsspenningen, V_SUPPLY.

For dette bruksområdet kan konstruktører bruke Analog Devices sin ADA4099-1. Det er en enkel, robust og nøyaktig operasjonsforsterker med skinne-til-skinne-inngang/utgang og innganger som er virksomme fra V– til V+ og videre. Sistnevnte funksjon omtales i databladet som Over-The-Top.

Enheten har en forskyvningsspenning på <40 mikrovolt (μV),  en inngående forspenningsstrøm (IB) på <10 nanoampere (nA) og drift på enkle (single) eller delte (split) forsyninger som varierer fra 3,15 til 50 volt. ADA4099-1 trekker 1,5 milliampere (mA) hvilestrøm per kanal.

Samsvaring av motstand

Med strømmålingskretsens høyside i figur 3, fastsetter nøyaktigheten til de eksterne motstandene (R₁, R₂, R ₃ og R₄) målingsnøyaktigheten direkte. Formel 1 brukes til å beregne differensialforsterkningen til figur 3:

 Formel 1

Formel 2 brukes til å beregne fellesmodusforsterkningen til figur 3:

 Formel 2

Formel 3 brukes til å beregne utgangsspenningen til figur 3:

 Formel 3

Hvis R₁ opp til R₄ er motstander på 1 %, er den verste mulige toleransen for generelle feil større enn 5 %. Denne feilmengden på 5 % gjør det nødvendig å bruke dyre motstander med strammere toleranser. Den største ulempen med denne tilnærmingen, er ekstra kostnader på grunn av kravet til nøyaktige motstander med tette toleranser for forholdene mellom verdiene R₄/R₃ og R₂/R₁, for å få bukt med feilsensitiviteten som skyldes høyere fellesmodusspenninger.

Strømføling på linjen (in-line)

Selv om de andre løsningene fungerer, er motorstrømsensor på-linje (eller direkte viklet) den foretrukne tilnærmingen. Denne tilnærmingen gir sann strømfaseinformasjon, og muliggjør dermed raske innsvingningstider og høyere demping av fellesmodustransienter. Den ideelle forsterkeren for målinger på linjen er en toveis CSA med PWM-demping for å få bukt med disse utfordringene. Denne forsterkeren har rask innsvingningstid, høy båndbredde og demping av fellesmodustransienter.

For å produsere effektiv motordrift, har systemprosessoren til enhver tid oppdaterte data for alle tre motorfasene (figur 4).

Figur 4: Prosessoren har oppdaterte data for alle tre motorfasene når som helst under strømføling for på-linje-motorstyring. (Bildekilde: Analog Devices)

I figur 4 sampler mikrokontrolleren alle tre motorpinnene samtidig med Analog Devices sin toveis MAX40056 CSA, noe som gjør at faseforholdene mellom eksitasjonen til hver pinne bevares. En ideell på-linje-forsterker får hvert motorbens differensialsignal forsterket mens den avviser fellesmodustransientene til pulsbreddemodulasjonen (PWM). Den sterke PWM-dempingen bidrar til den raskeste innsvingningstiden, høyere nøyaktighet og gjør det mulig for konstruktøren å minimere PWM-driftsyklusen slik at den holdes nær 0 %.

MAX40056 er en toveis CSA-enkeltforsyning med høy nøyaktighet som har et høyt fellesmodus-inngangsområde som strekker seg fra –0,1 volt til +65 volt. Inngangstrinnet gir beskyttelse mot spenningstopper og induktive tilbakeslag på mellom –5 volt og +70 volt. ±5 μV (typisk) inngangsspenning og 0,05 % (typisk) forsterkningsfeil bidrar til å sikre få systemfeil (figur 5).

Figur 5: MAX40056 CSA-ens evne til å dempe forstyrrelser takke være raske PWM-dempingskretser, gjør den godt egnet til å overvåke induktive laster i fase, for eksempel motorviklinger. (Bildekilde: Analog Devices)

I figur 5 er inngangstrinnet spesialkonstruert for å dempe forstyrrelsen av raske PWM-signaler, som er vanlige i motorstyringssystemer. MAX40056 er derfor godt egnet for overvåking av induktive laster i fase, for eksempel motorviklinger og solenoider som drives av PWM-signaler. MAX40056 fungerer over det fullstendige temperaturområdet på mellom –40 °C og +125 °C og fra en forsyningsspenning på mellom +2,7 volt og +5,5 volt.

MAX40056 har en PWM-kantgjenoppretting på 500 nanosekunder (ns) fra PWM-kanter på 500 volt/mikrosekund (µs) og raskere. Dataene fra MAX40056 og referansedata fra konkurrenter illustrerer en betydelig forskjell i PWM-fellesmodusimmunitet (figur 6).

Figur 6: En konkurrerende sammenligning som bruker en PWM-kantdemping med 50-volts PWM-syklus viser at MAX40056 har en klar fordel med hensyn til immunitet mot PWM-fellesmodustransienter. (Bildekilde: Analog Devices)

I figur 6 viser den analoge utgangen til MAX40056 CSA-en et mindre støt, og den gjenopprettes i løpet av 500 ns. Den konkurrerende enheten krever til sammenligning rundt 2 µs for å gjenopprette. CSA-ens patenterte PWM-dempeinngang demper transienter og gir en ren differensialsignalmåling.

Konklusjon

Både Industri 4.0 og IIoT vektlegger høyere nivåer av produksjonseffektivitet og pålitelighet som må nå nivået til individuelle motorer. Det kan være komplisert å finne egnede kretsutforminger som kan brukes til å bygge et drivsystem til en vekselstrømmotor for hastighet og dreiemoment for å sikre stabilitet, pålitelighet og energieffektivitet.

Som vist vil tilnærmingen med en på-linje-motorstrømsensor med en ideell forsterker gi sann strømfaseinformasjon. Med denne tilnærmingen – og ved hjelp av den toveis MAX40056 CSA-en med PWM-demping – kan konstruktører konfigurere et trefaset motorsystem som nøyaktig måler moment og hastighet i et trefaset vekselstrømmotorsystem, noe som sikrer motorens virkningsgrad, pålitelighet og stabilitet.