Le contrôle du mouvement industriel couvre un large éventail d'applications, de la commande de ventilateur ou de pompe basée sur l'onduleur, à l'automatisation d'usine avec des commandes de lecteur AC plus sophistiquées, à des applications d'automatisation avancées telles que la robotique avec des commandes de servo complexes. Ces systèmes nécessitent la détection et la rétroaction de nombreuses variables telles que le courant ou la tension de l'enroulement moteur, le courant ou la tension du bus CC, la position et la vitesse du rotor. La sélection des variables et la précision de mesure requise dépend des exigences de l'application finale, de l'architecture du système, du coût du système cible ou de la complexité du système, et d'autres considérations telles que des fonctionnalités à valeur ajoutée comme la surveillance des conditions. Les moteurs consommant apparemment 40% de l'énergie mondiale, les réglementations internationales ont accru l'accent mis sur l'efficacité du système entre les applications de mouvement industriel, augmentant l'importance de ces variables, en particulier le courant et la tension.
Cet article se concentre sur la détection du courant et de la tension dans diverses topologies de la chaîne de signal de contrôle moteur basées sur les cotes de puissance du moteur, les exigences de performance du système et les applications finales. Dans ce cas, la mise en œuvre de la chaîne de signal de contrôle du moteur varie en fonction de la sélection des capteurs, des exigences d'isolement actuel, de la sélection du convertisseur analogique-numérique (ADC), de l'intégration du système et de la puissance du système et du partitionnement au sol.
Éventail des applications d'entraînement industrielles
Les applications de commande de moteur vont des onduleurs simples aux lecteurs de servo complexes, mais tous incluent des systèmes de contrôle du moteur avec des étapes d'alimentation et des processeurs qui entraînent des modules de modulateur de largeur d'impulsion (PWM) avec différents niveaux de détection et de rétroaction. Une vue simplifiée de la gamme d'applications est illustrée à la figure 1, illustrant les systèmes qui deviennent de plus en plus complexes à mesure que l'on se déplace de gauche à droite, des systèmes de contrôle simples tels que les pompes, les ventilateurs et les compresseurs, aux systèmes qui peuvent être mis en œuvre sans avoir besoin de rétroaction précise, en utilisant uniquement des microprocesseurs simples. À mesure que la complexité du système augmente vers l'extrémité supérieure du spectre, les systèmes de contrôle complexes nécessitent une rétroaction précise et des interfaces de communication rapide. Les exemples incluent le contrôle des vecteurs sans capteur ou sans capteur des moteurs d'induction ou d'aimant permanent, ainsi que des disques industriels de haute puissance conçus pour l'efficacité - tels que les grandes pompes, les ventilateurs et les compresseurs illustrés à la figure 1. À l'extrémité supérieure du spectre, des disques sophistiqués sont utilisés dans des applications telles que la robotique, les machines-outils et les machines à pick and-place. À mesure que les systèmes deviennent plus complexes, la détection et la rétroaction des variables deviennent plus importants.
Figure 1. Diffusion des applications de conduite industrielle.
Architecture d'entraînement - Partitionnement du système
Il existe de nombreux défis dans la conception de systèmes pour résoudre un large éventail d'applications dans le contrôle du mouvement industriel. La chaîne de signal de contrôle du moteur à usage général est illustrée à la figure 2.
Figure 2. Chaîne de signal de contrôle du moteur généralisé
Le problème clé est les exigences d'isolement, qui ont souvent un impact significatif sur la topologie et l'architecture du circuit final. Il y a deux facteurs clés à considérer: pourquoi isoler et où isoler.
La classification de l'isolement requise sera déterminée par la première. Les exigences peuvent être une isolation de sécurité à haute tension (SELV) pour se protéger contre le choc électrique artificiel, ou l'isolement fonctionnel pour le changement de niveau entre les tensions non létales, ou l'isolement à des fins d'intégrité des données et d'atténuation du bruit. L'emplacement de l'isolement est généralement déterminé par les performances du système attendues. Le contrôle du moteur est généralement un environnement électriquement bruyant, et les conceptions rencontrent généralement de grandes tensions en mode commun de plusieurs centaines de volts, éventuellement commandant à des fréquences supérieures à 20 kHz, avec des temps d'élévation DV / dt transitoires très élevés. Pour cette raison, il est courant d'isoler le stade de puissance à partir du stade de contrôle, à la fois dans les systèmes haute performance et dans les systèmes où la puissance élevée est intrinsèquement bruyante. Que la conception utilise une approche unique d'un processeur ou double processeur affecte également l'emplacement d'isolement. Dans les systèmes de performances inférieurs avec une consommation d'énergie plus faible, l'isolement est généralement à l'interface de communication numérique, ce qui signifie que les étapes de puissance et de contrôle ont le même potentiel. Les systèmes bas de gamme ont des interfaces de communication de bande passante inférieures pour l'isolement. Traditionnellement, l'isolement des interfaces de communication dans les systèmes haut de gamme a été difficile en raison de la bande passante élevée et des limitations requises par les techniques d'isolement traditionnelles, mais cela change avec l'avènement des produits d'émetteur-récepteur magnétiquement isolés et -485.
Deux éléments clés d'une conception de contrôle du moteur en boucle fermée haute performance sont la rétroaction de sortie du modulateur PWM et de courant de phase du moteur. Les figures 3a et 3b illustrent où l'isolement sûr est nécessaire, selon que l'étape de contrôle partage le même potentiel que le stade de puissance ou est référencé au sol. Dans les deux cas, l'isolement du conducteur de porte haut de gamme et des nœuds de détection de courant est nécessaire, mais à différents niveaux d'isolement - sur la figure 3A, seule l'isolement fonctionnel de ces nœuds est nécessaire, tandis que sur la figure 3B, l'isolement de sécurité physique (c'est-à-dire le courant) de ces nœuds est critique.
Figure 3A. Étape de contrôle avec étape de puissance comme référence
Techniques de mesure et topologies pour la détection de courant et de tension
Les implémentations de la chaîne de signaux pour la détection de courant et de tension varient en fonction de la sélection des transducteurs, des exigences d'isolement de courant, de la sélection ADC et de l'intégration du système, ainsi que de la puissance du système et du partitionnement de la terre, comme décrit précédemment. Réaliser le conditionnement du signal pour les mesures de haute fidélité n'est pas une tâche facile. Par exemple, récupérer de petits signaux ou transmettre des signaux numériques dans des environnements aussi bruyants est difficile, tandis que l'isolement des signaux analogiques est encore plus difficile. Dans de nombreux cas, les circuits d'isolement de signal introduisent des retards de phase qui peuvent limiter les performances dynamiques du système. La détection du courant de phase est particulièrement difficile car ce nœud est connecté au même nœud de circuit que le pilote de porte sortira au centre du stade d'alimentation (module d'onduleur) et a donc les mêmes exigences en termes de transitoires d'isolement de tension et de commutation. La détermination de la chaîne de signal de mesure (technologie, conditionnement du signal et ADC) à mettre en œuvre dans le système de contrôle moteur dépend de trois facteurs clés:
Le point ou le nœud du système, car cela détermine ce qui doit être mesuré.
Le niveau de puissance du moteur et la sélection du capteur résultant - qu'il soit intrinsèquement isolé ou non. Le choix du capteur a un impact significatif sur le choix de l'ADC, y compris l'architecture du convertisseur, la fonctionnalité et la plage d'entrée analogique.
L'application finale. Cela peut entraîner la nécessité d'une haute résolution, d'une grande précision ou d'une vitesse dans la chaîne de signal de détection. Par exemple, la mise en œuvre de contrôle sans sensor sur une plage de vitesse plus large nécessite plus de mesures plus fréquemment et une précision plus élevée. L'application finale influence également le besoin de fonctionnalité ADC. Par exemple, le contrôle multi-axe peut nécessiter un nombre de canaux plus élevé ADC.
Capteurs de courant et de tension
Les capteurs de courant les plus courants utilisés dans le contrôle du moteur sont les résistances de shunt, les capteurs à effet Hall (HE) et les transformateurs de courant (CTS). Bien que les résistances de shunt ne fournissent pas d'isolement et subissent des pertes à des courants plus élevés, ils sont les plus linéaires de tous les capteurs, ont le coût le plus bas et conviennent à la fois pour les mesures AC et DC. Le niveau de signal réduit requis pour limiter les pertes de puissance de shunt limite généralement les applications de shunt à 50 A ou moins. Les capteurs CT et He fournissent une isolation inhérente qui leur permet de servir des systèmes de courant élevé, mais parce que les capteurs eux-mêmes ont une mauvaise précision initiale ou une mauvaise précision sur les gammes de température, elles sont plus coûteuses et entraînent une solution moins précise que celle qui peut être obtenue avec une résistance de shunt.
Emplacements et topologies de mesure du courant moteur
En plus du type de capteur, plusieurs nœuds de mesure du courant du moteur sont disponibles. Le courant moyen du bus CC peut être utilisé à des fins de contrôle, mais dans des disques plus avancés, le courant d'enroulement du moteur est utilisé comme principale variable de rétroaction. La mesure du courant en phase directe est idéale pour les systèmes de haute performance. Cependant, les courants d'enroulement peuvent être mesurés indirectement en utilisant des shunts dans chaque branche inverse inférieure ou un seul shunt dans le bus CC. Ces méthodes ont l'avantage que les signaux de shunt sont tous référencés à l'alimentation commune, mais l'extraction du courant d'enroulement de la liaison CC nécessite de synchroniser les échantillons aux commutateurs PWM. Les mesures de courant de bobinage à phase directe peuvent être effectuées en utilisant l'une des techniques de détection de courant ci-dessus, mais le signal de résistance à la shunt doit être isolé. Un amplificateur à mode commun élevé peut fournir une isolation fonctionnelle, mais l'isolement de la sécurité humaine doit être fourni par un amplificateur d'isolement ou un modulateur d'isolement.
La figure 4 montre les différentes options de rétroaction actuelles décrites ci-dessus. Bien qu'une seule de ces options soit requise pour la rétroaction de contrôle, le signal de courant du bus CC peut être utilisé comme signal de sauvegarde pour la protection.
Fig. 4. Rétroaction de courant moteur isolé et non isolé
Comme mentionné précédemment, la puissance du système et le partitionnement au sol détermineront la classification d'isolement requise et donc quelles options de rétroaction sont appropriées. Les performances cibles du système affecteront également le choix du capteur ou de la technique de mesure. Il existe de nombreuses configurations qui peuvent être réalisées dans la plage de performances.
Exemple de performances inférieures: étapes de puissance et de contrôle sur le potentiel commun, options de détection A ou B
L'utilisation de shunts de jambe est l'une des plus économiquestechniques pour mesurer le courant du moteur. Dans cet exemple, où l'étape de puissance partage le même potentiAl Comme l'étage de contrôle, il n'y a pas de mode commun à traiter et les sorties de l'option A ou B peuvent se connecter directement aux circuits de conditionnement du signal et à l'ADC. Ce type de topologie se trouve généralement dans une puissance faible et faibleRFSystème d'ormance avec l'ADC intégré dans le microprocesseur.
Exemple de performance supérieure: étape de contrôle connectée à la Terre, option de détection C, D ou E
Dans cet exemple, l'isolement de la sécurité humaine est nécessaire. Les options de détection C, D et E sont toutes possibles. L'option E fournit le flux de courant de la plus haute qualitéCAK des trois options et, étant un système de performance supérieure, il est probable qu'il existe unFPGAou une autre forme de traitement dans le système qui peut fournir le filtre numérique pour le signal du modulateur isolé. Le choix ADC pour l'option C, le capteur isolé (probablement fermé en boucle He), serait traditionnellement discret pour atteindre des performances plus élevées que celle possible avec les offres ADC intégrées à ce jour. L'option D est un amplificateur isolé dans cette configuration, par rapport à un amplificateur en mode commun, car l'isolement de sécurité est requis. Un amplificateur isolé limitera les performances, et donc une solution ADC intégrée peut suffire. Cela fournira la rétroaction de courant de fidélité la plus faible par rapport aux options C ou E, et bien qu'un ADC intégré peut être perçu comme "libre" et l'amplificateur isolé potentiellement "bon marché", l'implémentation nécessite généralement des composants supplémentaires pour la compensation de décalage et le changement de niveau pour l'appariement de la plage d'entrée ADC, augmentant le coût global de la chaîne de signaux.
Il existe de nombreuses topologies qui peuvent être utilisées dans la conception de la commande de moteur pour détecter le courant moteur avec de nombreux faitsRsPour considérer comme le coût, le niveau de puissance et le niveau de performance. Un objectif clé pour la plupart des concepteurs de systèmes est d'améliorer la rétroaction du sens actuel afin d'améliorer l'efficacité dans leurs objectifs de coûts. Pour les applications plus finales, la rétroaction actuelle est essentielle aux autres mesures de performance du système telles que la réponse dynamique, le bruit acoustique ou l'ondulation de couple, pas seulement l'efficacité. Il est évident qu'il existe un continuum de performances allant de faible à élevéross les différentes topologies avIAlable et cela est mappé grossièrement sur la figure 5 illustrant à la fois une puissance inférieure et des options de puissance supérieure.
Figure 5. Plage de performances de topologie de détection actuelle
Objectifs, besoins et tendances qui en résultent pour les concepteurs de systèmes de contrôle moteur: migrer des capteurs HE vers des résistances shunt
Les résistances de shunt couplées aux modulateurs isolés Sigma-Delta fournissent la rétroaction de courant la plus élevée où le niveau actuel est suffisamment bas pour une utilisation de shunt. Il y a une tendance significative parmi les concepteurs de systèmes à migrer des capteurs HE vers des résistances shunt, et une autre tendance à passer à une approche de modulateur isolée plutôt qu'à une approche d'amplificateur isolé. Le remplacement uniquement du capteur réduit la facture de matériaux (BOM) et les coûts d'insertion des PCB et améliore la précision du capteur. Les résistances de shunt ne sont pas sensibles aux champs magnétiques ou aux vibrations mécaniques. Souvent, les concepteurs de systèmes remplaçant les capteurs HE par des résistances de shunt peuvent choisir un amplificateur d'isolement et continuer à utiliser l'ADC précédemment utilisé dans les conceptions basées sur les capteurs pour limiter le niveau de variation de la chaîne de signaux. Cependant, comme mentionné précédemment, les performances de l'amplificateur d'isolement seront limitées indépendamment des performances ADC.
Le remplacement de l'amplificateur d'isolement et de l'ADC par un modulateur Sigma-Delta isolé éliminera le goulot d'étranglement des performances et améliorera considérablement la conception, le changeant généralement de niveaux de bit de qualité 9- à 10- à 12-. Les circuits de protection contre les surintensités analogiques (OCP) peuvent également être éliminés, car les filtres numériques nécessaires pour traiter les sorties de modulateur Sigma-Delta peuvent également être configurés pour permettre des boucles OCP rapides. Par conséquent, toute analyse BOM doit inclure non seulement les amplificateurs d'isolement, les ADC bruts et le conditionnement du signal entre eux, mais également les dispositifs OCP qui peuvent être éliminés. La plage d'entrée différentielle AD7401A est basée sur ± 250 mV (± 320 mV de mV utilisée pour l'OCP), qui est bien proportionnelle pour le shunt à grande échelle. Les entrées analogiques sont échantillonnées en continu par le modulateur analogique et les informations d'entrée sont contenues dans le flux de sortie numérique à une densité allant jusqu'à 20 MHz. Les informations brutes peuvent être reconstruites avec un filtre numérique approprié, généralement un sinc.®3 pour les mesures de courant de précision. Étant donné que les performances de conversion peuvent être échangées contre la bande passante ou le délai de banque de filtre, des filtres plus grossiers et plus rapides peuvent fournir des OCP de réponse rapide à l'ordre de 2 μs, idéal pour la protection IGBT.
Réduction de la taille de la résistance de shunt requise
Du côté de la mesure du signal, il y a certains défis clés dans la sélection des résistances de shunt, car il existe un compromis entre la sensibilité et la consommation d'énergie. Des valeurs de résistance plus grandes garantiront que la plage complète du modulateur Sigma-Delta ou autant de plage d'entrée analogique que possible est utilisée, maximisant ainsi la plage dynamique. Cependant, des valeurs de résistance plus importantes entraîneront également une baisse de tension et une efficacité réduite en raison de la perte × r de la résistance I2. La réalisation de la non-linéarité par des effets d'auto-chauffage peut également être un défi lors de l'utilisation de résistances plus grandes. En conséquence, les concepteurs de systèmes sont confrontés à des compromis, qui sont encore exacerbés par le besoin commun de sélectionner des tailles de shunt qui peuvent servir de nombreux modèles et moteurs à différents niveaux actuels. Le maintien de la plage dynamique est également difficile face aux courants de pointe qui peuvent être plusieurs fois le courant nominal du moteur et la nécessité de capturer de manière fiable les deux. La capacité de contrôler le courant de pointe lorsque le système est allumé varie selon la conception, de étroitement contrôlé (par exemple, 30% au-dessus du nominal) à 10 fois nominal. Les courants de pointe sont également causés par des variations d'accélération et de charge ou de couple. Cependant, dans les conceptions d'entraînement, les courants de pointe dans un système sont généralement quatre fois le courant nominal.
Face à ces défis, les concepteurs de systèmes recherchent des modulateurs Sigma-Delta supérieurs avec une plage dynamique plus large ou un rapport signal / bruit amélioré (SINAD). À ce jour, les produits de modulation σ-δ isolés ont offert des performances garanties avec une résolution de bits 16- et jusqu'à 12 bits effectifs (ENOB).
Sinad=(6.02 n + 1. 76) db où n =
Avec le passage aux résistances de shunt chez les conducteurs de faible puissance, les fabricants de conducteurs de moteurs cherchent également à augmenter la cote de puissance de leurs conducteurs, une topologie qui peut être utilisée pour des raisons de performance et de coût. Cela ne peut être accompli qu'en utilisant des résistances de shunt beaucoup plus petites, ce qui nécessite l'émergence de noyaux de modulation plus performance pour résoudre l'amplitude du signal réduit.
Les concepteurs de systèmes, en particulier les concepteurs de servo, cherchent également continuellement à améliorer la réponse du système en réduisant les temps de conversion analogiques-numériques ou en réduisant le retard de groupe à travers des filtres numériques associés au modulateur Sigma-Delta isolé et aux topologies de résistance de shunt. Comme mentionné précédemment, les performances de conversion peuvent être échangées contre le retard de bande passante ou de groupe de filtre. Des filtres plus grossiers et plus rapides peuvent fournir une réponse plus rapide, mais au détriment des performances. Le concepteur du système analyse l'impact de la longueur du filtre ou du taux d'extraction, puis fait des compromis en fonction des besoins de sa demande finale. L'augmentation de la fréquence d'horloge du modulateur aiderait, mais de nombreux concepteurs fonctionnent déjà à la fréquence d'horloge maximale de 20 MHz acceptable pour l'AD7401A. L'un des inconvénients de l'augmentation de la vitesse d'horloge est le potentiel d'effets de rayonnement et d'interférence (EMI). Un modulateur plus performant à la même fréquence d'horloge améliorera le délai de groupe par rapport au compromis de performances, entraînant des temps de réponse plus courts tout en minimisant l'impact sur les performances.