Le contrôle de mouvement industriel couvre un large éventail d'applications, du contrôle de ventilateurs ou de pompes basé sur un onduleur à l'automatisation d'usine avec des commandes d'entraînement CA plus sophistiquées, en passant par des applications d'automatisation avancées telles que la robotique avec des servocommandes complexes. Ces systèmes nécessitent la détection et la rétroaction de nombreuses variables telles que le courant ou la tension de l'enroulement du 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 dépendent des exigences de l'application finale, de l'architecture du système, du coût du système cible ou de la complexité du système. Il existe d'autres considérations, telles que les fonctionnalités à valeur ajoutée- telles que la surveillance des conditions. Les moteurs électriques consommant 40 % de l'électricité mondiale, les réglementations internationales ont mis davantage l'accent sur l'efficacité des systèmes dans les applications de mouvement industriel (voir Figure 1).
Figure 1. Gamme d'applications d'entraînement industriel
Les techniques de détection de courant et de tension dans diverses topologies de chaînes de signaux de commande de moteur varient en fonction de la puissance nominale du moteur, des exigences de performances du système et de l'application finale. Dans ce cas, la mise en œuvre de la chaîne de signaux de commande du moteur varie en fonction de la sélection du capteur, des exigences d'isolation du courant, de la sélection du CAN, de l'intégration du système et de la séparation alimentation/terre du système. Bien que les exigences d'isolation aient généralement un impact significatif sur la topologie et l'architecture finales du circuit, cet article se concentrera sur l'amélioration des mesures de détection de courant (en tant que facteur d'influence) pour obtenir un système de contrôle moteur plus efficace.
Mesures I et V
La chaîne généralisée des signaux de commande du moteur est illustrée à la figure 2. Le conditionnement du signal pour obtenir des mesures haute -fidélité n'est pas une tâche facile. La détection du courant de phase est particulièrement difficile car ce nœud est connecté au même nœud de circuit que les sorties du pilote de grille au sein du cœur du module onduleur, et a donc les mêmes exigences en termes d'isolation des tensions et de gestion des transitoires de commutation.
Figure 2. Chaîne de signaux de commande de moteur généralisée
Les capteurs de courant les plus couramment utilisés dans le contrôle des moteurs sont les résistances shunt, les capteurs à effet Hall (HES) et les transformateurs de courant (CT). Bien que les résistances shunt n'assurent pas d'isolation et entraînent des pertes, elles sont les plus linéaires de tous les capteurs, ont le coût le plus bas et conviennent aux mesures CA et CC. Le niveau de signal réduit requis pour limiter les pertes de puissance du shunt limite généralement les applications shunt à 50 A ou moins. Les TC et les HES offrent une isolation inhérente, leur permettant de desservir des systèmes à courant élevé, mais sont plus coûteux en raison d'une mauvaise précision initiale ou d'une mauvaise précision de la température et donnent lieu à des solutions moins précises que celles pouvant être obtenues avec des résistances shunt. En plus des types de capteurs, vous avez le choix entre plusieurs nœuds de mesure du courant moteur (comme le montre la figure 3), les mesures directes des enroulements en phase - étant le choix idéal pour les systèmes les plus performants.
Figure 3. Retour de courant moteur isolé et non isolé
Il existe de nombreuses topologies pour détecter le courant moteur et de nombreux facteurs à prendre en compte, tels que le coût, la consommation électrique et les niveaux de performances, mais l'un des objectifs clés de la plupart des concepteurs de systèmes est d'améliorer l'efficacité dans le cadre de leurs objectifs de coûts.
Du HES aux résistances shunt
Les résistances shunt sont couplées à des modulateurs sigma-delta (Σ-Δ) isolés pour fournir un retour de courant de la plus haute qualité (niveaux de courant suffisamment bas). Il existe une tendance significative chez les concepteurs de systèmes à passer des HES aux résistances shunt, et une autre tendance à passer aux modulateurs isolés plutôt qu'aux méthodes d'amplificateurs isolés. Souvent, lorsque les concepteurs de systèmes remplacent les HES par des résistances shunt, ils choisissent des amplificateurs d'isolation et continuent d'utiliser les CAN précédemment utilisés dans les conceptions basées sur HES-. dans ce cas, les performances seront limitées par l'amplificateur d'isolation, quelles que soient les performances analogiques-vers-numériques.
Le remplacement de l'amplificateur isolé et de l'ADC par un modulateur sigma-delta isolé éliminera le goulot d'étranglement des performances et améliorera considérablement la conception, généralement en le faisant passer de 9-bits à 10 bits de retour de masse à des niveaux de 12 bits. Le circuit analogique de protection contre les surintensités (OCP) peut également être éliminé, car les filtres numériques requis pour traiter les sorties du modulateur sigma-delta peuvent également être configurés pour activer des boucles OCP rapides.
Les modulateurs Σ-Δ disponibles peuvent avoir une plage d'entrée différentielle de ±250 mV, où ±320 mV pleine échelle est utilisée pour l'OCP, idéale pour les mesures de shunt résistif. Les entrées analogiques sont échantillonnées en continu par le modulateur analogique et les informations d'entrée sont contenues dans un flux de sortie numérique avec un débit de données allant jusqu'à 20 MHz. Les informations brutes peuvent être reconstruites avec des filtres numériques appropriés. Étant donné que les performances de conversion peuvent être échangées contre la bande passante ou le retard du banc de filtres, des filtres plus grossiers et plus rapides peuvent fournir des OCP à réponse rapide de l'ordre de 2 μs, idéal pour la protection IGBT.
Réduire la taille de la résistance shunt
Du point de vue de la mesure du signal, la sélection des résistances shunt présente certains défis majeurs, car il existe un compromis entre la sensibilité et la consommation d'énergie. La non-linéarité due aux effets d'auto-échauffement constitue également un défi lors de l'utilisation de résistances de valeur plus élevée. Les concepteurs sont confrontés à des compromis-qui sont encore exacerbés par le fait qu'une taille de shunt doit souvent être sélectionnée pour desservir de nombreux modèles et moteurs à différents niveaux de courant. Maintenir la plage dynamique face à des courants de pointe qui peuvent être plusieurs fois supérieurs au courant nominal du moteur et la nécessité de capturer les deux de manière fiable constitue un défi.
Face à ces défis, les concepteurs de systèmes recherchent des modulateurs sigma-delta supérieurs avec une plage dynamique plus large ou un rapport signal-sur-bruit et distorsion (SINAD) amélioré. À ce jour, les produits de modulateurs Σ-Δ isolés offrent des performances garanties avec une résolution de 16 bits et jusqu'à 12 bits effectifs (ENOB).
Figure 4. L'AD7403 est un modulateur delta sigma-delta de deuxième-haute performance-.Modulateur Sigma Delta isolé haute performance
Les modulateurs sigma-delta isolés -plus performants- répondront à un large éventail de besoins dans les conceptions de commande de moteur industrielles et amélioreront l'efficacité énergétique des entraînements de moteur en réduisant la taille de la résistance shunt. Un exemple industriel est le modulateur AD7403 d'ADI (voir Figure 4). Il s'agit de la nouvelle génération de l'AD7401A et offre une plage dynamique plus large avec la même fréquence d'horloge externe de 20 MHz. Il permet des options de dimensionnement de shunt plus flexibles et permet l'utilisation de résistances shunt au lieu de HES à des niveaux de courant plus élevés. l'ENOB de la puce est généralement de 14,2 bits. La réponse dynamique peut également être améliorée en réduisant le délai de mesure. L'appareil dispose également d'un schéma d'isolation avec une tension-en-fonctionnement continu-(VIORM) plus élevée que son prédécesseur, ce qui améliore l'efficacité du système grâce à des tensions de bus CC plus élevées et des courants plus faibles.