Het juiste motorbesturingsontwerp selecteren en implementeren om te voldoen aan de vereisten van Industrie 4.0

Het tijdperk van Industrie 4.0, of het Industrial Internet of Things (IIoT), maakt systemen slimmer door gelokaliseerde intelligentie en connectiviteit tussen machines en computers, en met het internet. Een van de redenen voor deze connectiviteit is dat produktiesystemen en subsystemen kunnen worden gecontroleerd en bestuurd met het oog op een grotere efficiëntie, betrouwbaarheid en stabiliteit. Dit tijdperk heeft gevolgen voor industriële motoren, die een groot deel van de energiebronnen van een geautomatiseerde installatie uitmaken en waarvan het uitvallen een hele productielijn kan stilleggen.

Hieruit volgt dat het van cruciaal belang is motoren doeltreffend te regelen, met name wat betreft snelheid en koppel, die samen een grote invloed hebben op het dynamische bereik van een motor. Om deze twee parameters doeltreffend te regelen is een hoge mate van feedbacknauwkeurigheid vereist. Voor deze nauwkeurigheid moeten ontwerpers zorgvuldig kiezen tussen low-side, high-side of in-line stroomdetectie, en vervolgens de juiste schakelingen optimaal implementeren.

In dit artikel worden deze drie opties voor stroomdetectie kort besproken voordat wordt getoond hoe de ideale versterker in een in-line motorstroomsensor echte stroomfase-informatie oplevert. Vervolgens wordt getoond hoe een Maxim Integrated bidirectionele current sense amplifier (CSA) met pulsbreedtemodulatie (PWM) afwijzing kan worden gebruikt om een driefasig motorsysteem te configureren om een efficiëntere werking mogelijk te maken.

Low-side, high-side of in-line stroomdetectie?

De drie detectieopties - low-side, high-side en in-line - verschillen sterk in uitvoering (Afbeelding 1). Het ontwerp van de motorstroomsensor aan de lage kant maakt gebruik van een meetweerstand en een versterker dicht bij de massa (linksonder).

Afbeelding 1: De low-side, high-side en in-line circuitopties voor motortoerental- en koppeldetectie. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Van de drie opties is een low-side stroomdetectieschakeling de meest intuïtieve en eenvoudige. Het is geschikt voor consumententoepassingen waarbij kosteneffectiviteit vaak een van de primaire ontwerpeisen is.

Het low-side detectiecircuit heeft de versterker in de buurt van massa, en vangt achtereenvolgens de stroom van elk been op. De schakeling heeft goedkope operationele versterkers voor algemeen gebruik (op-amps) onderaan de FET-stacks die de poort aansturen en een sensorweerstand (R_S) met de common-mode spanning dicht bij massa (Afbeelding 2). Bij een belastingsstroom van 100 ampère (A) is de kleine sensorweerstand (R_S) gewoonlijk een printplaatspoorweerstand.

Afbeelding 2: Deze AC-motor low-side stroomdetectieschakeling maakt gebruik van een CMOS-versterker waarbij de common-mode spanning de negatieve voeding van de versterker bereikt. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

In Afbeelding 2 geeft de belastingsstroom de geleiding door de FET-stapel van één wisselstroommotor aan. Voor deze schakeling moet het common-mode ingangsbereik van de versterker naar aarde gaan. De versterkerschakeling verhoogt de spanning over R_S, die een spanningsaflezing geeft van de grootte van de belastingsstroom (I_L). Deze spanning wordt toegevoerd aan de niet-inverterende ingang van een versterker met een versterking gelijk aan (1 + R_F / R_G), of ~50 volt/volt.

Als versterker kan de Analog Devices AD8691 worden gebruikt. Dit is een goedkope, generieke op amp met een bandbreedte van 10 megahertz (MHz). Zijn CMOS-ingangstransistors leveren een typische ingangsstroom van 0,2 picoamperes (pA) en een common-mode bereik dat -0,3 volt onder de negatieve voedingsspanning ligt.

De uitgang van de versterker wordt toegevoerd aan een analoog-digitaalconvertor (ADC). Een microcontroller of andere processor kan het gedigitaliseerde signaal gebruiken om de status van de motor te bepalen.

Eisen aan het pc-board

De eenvoud van het ontwerp van het circuit voor low-side stroomdetectie kan misleidend zijn. Als u de printplaat gebruikt om R_S te maken, is het gemakkelijk om meetfouten te genereren door onbedoeld de waarde van de sensorweerstand aan te vullen. Om ervoor te zorgen dat de waarde van de R_S nauwkeurig is, moet er een directe verbinding zijn van de bovenste of positieve klem van de R_S met de niet-inverterende opampklem. Bovendien moet de onderste (negatieve) pool van R_S een rechtstreekse massa-aansluiting hebben. Deze tweede eis voor het ontwerp van de printplaat zorgt voor een directe verbinding met de negatieve pool van de sensorweerstand en de onderkant van de versterkingsweerstand (R_G) van de versterker.

Merk op dat er stroom vloeit door de massaplaat van de printplaat, waardoor er een spanningsverschil ontstaat. Onder normale omstandigheden is dit geen probleem. Bij het circuit met de lage sensor maakt het gebruik van de lage R_S-weerstand het circuit uiterst gevoelig voor aardspanningsdalingen over de printplaat.

De temperatuurcoëfficiënt van de koperweerstand is ongeveer 0,4%/°C, waardoor de waarde van R_s sterk kan variëren met de temperatuur. De weerstand van de printplaat veroorzaakt een temperatuurafhankelijke fout in systemen met grote temperatuurschommelingen, waardoor een zekere instabiliteit ontstaat. Het is verstandig lange sporen te vermijden om R_S-fouten tot een minimum te beperken. Bovendien voegt het gebruik van een sensor aan de lage kant van de sensor ongewenste dynamische spanningsdalingen toe, waardoor problemen met elektromagnetische interferentie (EMI) ontstaan.

High-side stroomdetectie

De high-side motorstroomsensor minimaliseert de dynamische AC-spanningsimpact van de weerstand met minimale EMI. Dit ontwerp vereist echter een robuuste versterker om hoge spanningen aan te kunnen.

Het circuit van de low-side stroomsensor gebruikt drie afzonderlijke opamps om de stromen van elke wisselstroommotor te meten. De aanpak is gevoelig voor fouten als gevolg van parasitaire weerstanden op de printplaat, alsmede voor meetfouten nabij de grond, ook wel R_S-spanningsgrondfout genoemd.

High-side stroomsensorkringen gebruiken een differentiële versterker met de common-mode spanning dicht bij de voeding. Om enkele van de beperkingen van het circuit van de low-side stroomsensor tegen te gaan, is deze configuratie niet gevoelig voor aardingsstoringen en kan zij een kortsluiting in de belasting detecteren (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een AC-motor, high-side, stroomdetectieschakeling gebruikt een versterker met twee PNP-ingangstrappen waarbij de common-mode spanning verder reikt dan de positieve en negatieve voeding van de versterker. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

De op amp moet een rail-to-rail ingang hebben en een grote common-mode spanning op de R_S-klemmen die gelijk is aan of hoger is dan V_SUPPLY. Dit is een uitdaging omdat de detectieversterker uitgebreide spanningsbronnen nodig heeft die ten minste gelijk zijn aan V_SUPPLY. In een high-side sensorconfiguratie moet de common-mode ingang van de versterker dus even hoog zijn als de voedingsspanning,_VSUPPLY.

Voor deze toepassing kunnen ontwerpers terecht bij de ADA4099-1 van Analog Devices. Het is een enkele, robuuste, precisie rail-to-rail input/output op amp met ingangen die werken van V- tot V+ en verder. Deze laatste functie wordt in het gegevensblad aangeduid als Over-The-Top.

Het apparaat heeft een offsetspanning van <40 microvolt (μV), een ingangsbiasstroom (IB) van <10 nanoamperes (nA), en werkt op enkele of gedeelde voedingen van 3,15 tot 50 volt. De ADA4099-1 trekt 1,5 milliampère (mA) ruststroom per kanaal.

Weerstand aanpassing

Bij het high-side stroommeetcircuit in Afbeelding 3 bepaalt de nauwkeurigheid van de externe weerstanden (R₁, R₂, R₃ en R₄) rechtstreeks de meetnauwkeurigheid. Vergelijking 1 wordt gebruikt om de differentiële versterking van Afbeelding 3 te berekenen:

Vergelijking 1

Vergelijking 2 wordt gebruikt om de common-mode versterkingsfout van Afbeelding 3 te berekenen:

Vergelijking 2

Vergelijking 3 wordt gebruikt om de uitgangsspanning van Afbeelding 3 te berekenen:

Vergelijking 3

Als R₁ tot en met R₄ weerstanden van 1% zijn, is de worst-case tolerantie van de totale fouten groter dan 5%. Deze fout van 5% maakt het gebruik van dure weerstanden met een nauwere tolerantie noodzakelijk. Het belangrijkste nadeel van deze aanpak zijn de extra kosten als gevolg van de vereiste precisieweerstanden met een nauwe tolerantie voor de verhoudingswaarden van R₄/R₃ en R₂/R₁ om de foutgevoeligheid als gevolg van hogere common-mode spanningen te ondervangen.

In-line stroomdetectie

Hoewel de andere oplossingen werken, verdient de in-line (of directe wikkeling) motorstroomsensor de voorkeur. Deze benadering levert de werkelijke stroom-fase informatie, waardoor snelle settling tijden en een hogere afwijzing van common-mode transiënten mogelijk zijn. De ideale versterker voor in-line metingen is een bidirectionele CSA met PWM-afwijzing om deze uitdagingen aan te gaan. Deze versterker heeft een snelle zettijd, een hoge bandbreedte en verwerpt common-mode transiënten.

Voor een efficiënte werking van de motor beschikt de systeemprocessor op elk moment over stroomgegevens voor alle drie de motorfasen (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Bij in-line stroomdetectie voor motorbesturing beschikt de processor op elk moment over stroomgegevens voor alle drie de motorfasen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 4 neemt de MCU gelijktijdig monsters van alle drie de motorpoten met de MAX40056 bidirectionele CSA van Analog Devices, waarbij de faserelaties tussen de excitatie van elke poot behouden blijven. Een ideale in-line versterker versterkt het differentiële signaal van elk motorbeen en verwerpt de common-mode transiënten van PWM. De sterke PWM-afwijzing zorgt voor de snelste bezinktijd en een hogere nauwkeurigheid, en stelt de ontwerper in staat de PWM-belastingscyclus te minimaliseren en dicht bij 0% te houden.

De MAX40056 is een single-supply, zeer nauwkeurige, bidirectionele CSA met een hoog common-mode ingangsbereik van -0,1 volt tot +65 volt. De ingangstrap biedt bescherming tegen spanningspieken en inductieve terugslag van -5 volt tot +70 volt. De ±5 μV (typisch) ingangs-offsetspanning en 0,05% (typisch) versterkingsfout dragen bij tot lage systeemfouten (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Het vermogen van de MAX40056 CSA om storingen te onderdrukken dankzij snelle PWM-afwijzingscircuits maakt hem zeer geschikt voor het bewaken van inductieve belastingen, zoals motorwikkelingen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 5 is de ingangstrap speciaal ontworpen om de storing van snelle PWM-signalen, die vaak voorkomen in toepassingen voor motorbesturing, te onderdrukken. De MAX40056 is daarom zeer geschikt voor het bewaken van inductieve belastingen, zoals motorwikkelingen en solenoïden die door PWM-signalen worden aangedreven. De MAX40056 werkt over het volledige temperatuurbereik van -40 °C tot +125 °C en met een voedingsspanning van +2,7 volt tot +5,5 volt.

De MAX40056 heeft een PWM-randherstel van 500 nanoseconden (ns) vanaf 500 volt/microseconde (µs) en snellere PWM-randen. De testgegevens van de MAX40056 en die van de concurrent laten een aanzienlijk verschil zien in de PWM common-mode immuniteit (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Een vergelijking met een PWM edge rejection van een 50-volt PWM-cyclus laat zien dat de MAX40056 een duidelijk voordeel heeft met betrekking tot PWM common-mode transient immunity. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 6 vertoont de analoge uitgang van de MAX40056 CSA een kleine hobbel en herstelt deze zich binnen 500 ns, terwijl het concurrerende apparaat ongeveer 2 µs nodig heeft om zich te herstellen. CSA's gepatenteerde PWM rejection ingang onderdrukt transiënten en zorgt voor een schone differentiële signaalmeting.

Conclusie

Industrie 4.0 en het IIoT leggen beide de nadruk op hogere niveaus van productie-efficiëntie en betrouwbaarheid die moeten reiken tot op het niveau van individuele motoren. Het vinden van geschikte circuitontwerpen om een AC-motoraandrijfsysteem voor snelheid en koppel te bouwen om stabiliteit, betrouwbaarheid en energie-efficiëntie te garanderen, kan ingewikkeld zijn.

Zoals aangetoond levert een in-line motorstroomsensor met een ideale versterker echte stroom-fase-informatie op. Met deze aanpak en met behulp van de MAX40056 bidirectionele CSA met PWM-afwijzing kunnen ontwerpers een driefasig motorsysteem configureren dat nauwkeurig het koppel en de snelheid in een driefasig AC-motorsysteem meet, waardoor de efficiëntie, betrouwbaarheid en stabiliteit van de motor worden gewaarborgd.