Điều khiển chuyển động công nghiệp bao gồm nhiều ứng dụng, từ điều khiển quạt hoặc máy bơm dựa trên biến tần-đến tự động hóa nhà máy với các bộ điều khiển truyền động AC phức tạp hơn cho đến các ứng dụng tự động hóa nâng cao như robot với bộ điều khiển servo phức tạp. Các hệ thống này yêu cầu phát hiện và phản hồi nhiều biến số như dòng điện hoặc điện áp cuộn dây động cơ, dòng điện hoặc điện áp DC, vị trí và tốc độ rôto. Việc lựa chọn các biến và độ chính xác của phép đo cần thiết phụ thuộc vào-yêu cầu của ứng dụng cuối, kiến trúc hệ thống, chi phí hệ thống mục tiêu hoặc độ phức tạp của hệ thống. Có những cân nhắc khác, chẳng hạn như các tính năng-giá trị gia tăng như giám sát tình trạng. Với động cơ điện được cho là tiêu thụ 40% điện năng của thế giới, các quy định quốc tế đã tăng cường tập trung vào hiệu suất hệ thống trên các ứng dụng chuyển động công nghiệp (xem Hình 1).
Hình 1. Phạm vi ứng dụng truyền động công nghiệp
Kỹ thuật phát hiện dòng điện và điện áp trong các cấu trúc liên kết chuỗi tín hiệu điều khiển động cơ khác nhau khác nhau tùy thuộc vào mức công suất động cơ, yêu cầu về hiệu suất hệ thống và ứng dụng cuối. Trong trường hợp này, việc triển khai chuỗi tín hiệu điều khiển động cơ thay đổi tùy theo lựa chọn cảm biến, yêu cầu cách ly hiện tại, lựa chọn ADC, tích hợp hệ thống và phân vùng nguồn/mặt đất của hệ thống. Mặc dù các yêu cầu cách ly thường có tác động đáng kể đến cấu trúc và cấu trúc liên kết mạch cuối cùng, bài viết này sẽ tập trung vào việc cải thiện các phép đo phát hiện dòng điện (là một trong những yếu tố ảnh hưởng) để đạt được hệ thống điều khiển động cơ hiệu quả hơn.
Các phép đo I và V
Chuỗi tín hiệu điều khiển động cơ tổng quát được minh họa trong Hình 2. Điều chỉnh tín hiệu để đạt được các phép đo-có độ chính xác cao không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Việc phát hiện dòng pha đặc biệt khó khăn vì nút này được kết nối với cùng một nút mạch khi trình điều khiển cổng xuất ra trong lõi của mô-đun biến tần và do đó có cùng yêu cầu về điện áp cách ly và xử lý các chuyển tiếp chuyển mạch.
Hình 2. Chuỗi tín hiệu điều khiển động cơ tổng quát
Các cảm biến dòng điện được sử dụng phổ biến nhất trong điều khiển động cơ là điện trở shunt, Cảm biến hiệu ứng Hall (HES) và Máy biến dòng (CT). Mặc dù điện trở shunt không tạo ra sự cách ly và gây ra tổn thất, nhưng chúng là loại cảm biến tuyến tính nhất, có chi phí thấp nhất và phù hợp cho cả phép đo AC và DC. Mức tín hiệu giảm cần thiết để hạn chế tổn thất điện năng song song thường giới hạn các ứng dụng song song ở mức 50 A trở xuống. CT và HES cung cấp khả năng cách ly vốn có, cho phép chúng phục vụ các hệ thống có dòng điện cao, nhưng tốn kém hơn do độ chính xác ban đầu kém hoặc độ chính xác nhiệt độ kém và dẫn đến các giải pháp kém chính xác hơn so với các giải pháp có thể đạt được bằng điện trở song song. Ngoài các loại cảm biến, còn có một số nút đo dòng điện động cơ để bạn lựa chọn (như minh họa trong Hình 3), trong đó các phép đo cuộn dây trực tiếp{6}}cùng pha là lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống có hiệu suất cao nhất.
Hình 3. Phản hồi dòng điện động cơ cách ly và không{1}}cách ly
Có nhiều cấu trúc liên kết để cảm nhận dòng điện động cơ và nhiều yếu tố cần xem xét như chi phí, mức tiêu thụ điện năng và mức hiệu suất, nhưng mục tiêu chính của hầu hết các nhà thiết kế hệ thống là cải thiện hiệu quả trong phạm vi mục tiêu chi phí của họ.
Từ HES đến điện trở Shunt
Điện trở Shunt được ghép nối với bộ điều biến sigma-delta (Σ-Δ) biệt lập để cung cấp phản hồi dòng điện chất lượng cao nhất (mức dòng điện đủ thấp). Có một xu hướng đáng kể là các nhà thiết kế hệ thống chuyển từ HES sang điện trở shunt và một xu hướng khác là chuyển sang các bộ điều biến cách ly thay vì các phương pháp khuếch đại cách ly. Thông thường, khi các nhà thiết kế hệ thống thay thế HES bằng điện trở song song, họ sẽ chọn bộ khuếch đại cách ly và tiếp tục sử dụng các ADC trước đây đã dùng trong các thiết kế dựa trên HES. trong trường hợp này, hiệu suất sẽ bị giới hạn bởi bộ khuếch đại cách ly, bất kể hiệu suất tương tự-sang-kỹ thuật số.
Việc thay thế bộ khuếch đại và ADC bị cô lập bằng bộ điều biến sigma{0}}delta biệt lập sẽ loại bỏ tắc nghẽn hiệu suất và cải thiện đáng kể thiết kế, thường bằng cách thay đổi từ phản hồi khối lượng 9-bit sang 10 bit thành mức 12 bit. Mạch bảo vệ quá dòng tương tự (OCP) cũng có thể được loại bỏ vì các bộ lọc kỹ thuật số cần thiết để xử lý đầu ra của bộ điều biến sigma-delta cũng có thể được cấu hình để kích hoạt các vòng lặp OCP nhanh.
Bộ điều biến Σ-Δ có sẵn có thể có phạm vi đầu vào vi sai là ±250 mV, trong đó thang đo đầy đủ ±320 mV được sử dụng cho OCP, lý tưởng cho các phép đo shunt điện trở. Các đầu vào tương tự được lấy mẫu liên tục bởi bộ điều chế tương tự và thông tin đầu vào được chứa trong luồng đầu ra kỹ thuật số với tốc độ dữ liệu lên tới 20 MHz. Thông tin thô có thể được xây dựng lại bằng các bộ lọc kỹ thuật số thích hợp. Vì hiệu suất chuyển đổi có thể được đánh đổi dựa trên băng thông hoặc độ trễ của bộ lọc, nên các bộ lọc thô hơn, nhanh hơn có thể cung cấp OCP phản hồi nhanh ở mức 2 μs, lý tưởng cho việc bảo vệ IGBT.
Giảm kích thước điện trở Shunt
Từ góc độ đo tín hiệu, có một số thách thức chính trong việc lựa chọn điện trở shunt vì có sự cân bằng-giữa độ nhạy và mức tiêu thụ điện năng. Tính phi tuyến do hiệu ứng tự làm nóng-cũng là một thách thức khi sử dụng điện trở có giá trị cao hơn. Các nhà thiết kế phải đối mặt với sự đánh đổi- càng trở nên trầm trọng hơn do thực tế là thường cần phải chọn kích thước shunt để phục vụ nhiều kiểu máy và động cơ ở các mức dòng điện khác nhau. Việc duy trì dải động khi dòng điện cực đại có thể gấp vài lần dòng điện định mức của động cơ và nhu cầu nắm bắt cả hai dòng điện này một cách đáng tin cậy là một thách thức.
Đối mặt với những thách thức này, các nhà thiết kế hệ thống đang tìm kiếm các bộ điều biến delta sigma-cao cấp hơn với dải động rộng hơn hoặc tỷ lệ nhiễu và biến dạng tín hiệu-trên-độ méo (SINAD) được cải thiện. Cho đến nay, các sản phẩm bộ điều biến Σ-Δ biệt lập đã mang lại hiệu suất được đảm bảo với độ phân giải 16 bit và tối đa 12 bit hiệu dụng (ENOB).
Hình 4. AD7403 là bộ điều biến delta sigma-bậc hai{2}}hiệu suất caoBộ điều biến Sigma Delta biệt lập hiệu suất cao
Bộ điều biến delta sigma-cô lập có hiệu suất cao hơn-sẽ hỗ trợ nhiều nhu cầu trong thiết kế điều khiển động cơ công nghiệp và cải thiện hiệu suất sử dụng điện của bộ truyền động động cơ bằng cách giảm kích thước điện trở song song. Một ví dụ trong ngành là bộ điều biến AD7403 của ADI (xem Hình 4). Đây là thế hệ tiếp theo của AD7401A và cung cấp dải động rộng hơn ở cùng tốc độ xung nhịp bên ngoài là 20 MHz. Nó cho phép các tùy chọn định cỡ shunt linh hoạt hơn và cho phép sử dụng điện trở shunt thay vì HES ở mức dòng điện cao hơn. ENOB của chip thường là 14,2 bit. Phản ứng động cũng có thể được cải thiện bằng cách giảm độ trễ đo. Thiết bị này cũng có sơ đồ cách ly với điện áp-khi hoạt động-liên tục{15}}(VIORM) cao hơn so với thiết bị tiền nhiệm, giúp cải thiện hiệu suất hệ thống thông qua điện áp bus DC cao hơn và dòng điện thấp hơn.