کنترل حرکت صنعتی طیف گسترده‌ای از کاربردها را پوشش می‌دهد، از اینورتر-کنترل پمپ یا فن، تا اتوماسیون کارخانه‌ای با کنترل‌های پیچیده‌تر درایو AC تا برنامه‌های اتوماسیون پیشرفته مانند روباتیک با کنترل‌های سروو پیچیده. این سیستم ها نیازمند تشخیص و بازخورد بسیاری از متغیرها مانند جریان یا ولتاژ سیم پیچ موتور، جریان یا ولتاژ باس DC، موقعیت و سرعت روتور هستند. انتخاب متغیرها و دقت اندازه‌گیری مورد نیاز به پایان{3}}نیازهای برنامه، معماری سیستم، هزینه سیستم هدف یا پیچیدگی سیستم بستگی دارد. ملاحظات دیگری نیز وجود دارد، مانند ویژگی‌های ارزش افزوده-مانند نظارت بر وضعیت. با توجه به اینکه موتورهای الکتریکی 40 درصد از برق جهان را مصرف می کنند، مقررات بین المللی تمرکز را بر کارایی سیستم در سراسر کاربردهای حرکت صنعتی افزایش داده است (شکل 1 را ببینید).
شکل 1. محدوده کاربردهای درایو صنعتی
تکنیک‌های تشخیص جریان و ولتاژ در توپولوژی‌های مختلف زنجیره سیگنال کنترل موتور بسته به رتبه‌بندی قدرت موتور، الزامات عملکرد سیستم و کاربرد نهایی متفاوت است. در این مورد، اجرای زنجیره سیگنال کنترل موتور بر اساس انتخاب حسگر، الزامات جداسازی جریان، انتخاب ADC، یکپارچگی سیستم و تقسیم‌بندی قدرت/زمین سیستم متفاوت است. در حالی که الزامات جداسازی معمولاً تأثیر قابل‌توجهی بر توپولوژی و معماری مدار نهایی دارد، این مقاله بر روی بهبود اندازه‌گیری‌های تشخیص جریان (به عنوان یکی از عوامل تأثیرگذار) برای دستیابی به یک سیستم کنترل موتور کارآمدتر تمرکز می‌کند.
اندازه گیری I و V
زنجیره سیگنال کنترل موتور تعمیم یافته در شکل 2 نشان داده شده است. تهویه سیگنال برای دستیابی به اندازه گیری های وفاداری بالا کار آسانی نیست. تشخیص جریان فاز به ویژه چالش برانگیز است زیرا این گره به همان گره مداری متصل است که خروجی درایور گیت در هسته ماژول اینورتر است و بنابراین از نظر جداسازی ولتاژها و مدیریت گذرای سوئیچینگ دارای الزامات یکسانی است.
شکل 2. زنجیره سیگنال کنترل موتور تعمیم یافته
متداول‌ترین سنسورهای جریان در کنترل موتور، مقاومت‌های شنت، سنسورهای اثر هال (HES) و ترانسفورماتورهای جریان (CT) هستند. اگرچه مقاومت های شنت ایزوله نمی کنند و متحمل تلفات می شوند، آنها خطی ترین سنسورها هستند، کمترین هزینه را دارند و برای اندازه گیری AC و DC مناسب هستند. کاهش سطح سیگنال مورد نیاز برای محدود کردن تلفات توان شنت معمولاً کاربردهای شنت را به 50 A یا کمتر محدود می‌کند. CT و HES ها ایزوله ذاتی را فراهم می کنند و به آنها اجازه می دهد تا به سیستم های جریان بالا خدمت کنند، اما به دلیل دقت اولیه ضعیف یا دقت دمای ضعیف هزینه بیشتری دارند و منجر به راه حل هایی می شوند که دقت کمتری نسبت به مواردی که می توان با مقاومت های شنت به دست آورد. علاوه بر انواع سنسور، چندین گره اندازه گیری جریان موتور وجود دارد که می توان از بین آنها انتخاب کرد (همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است)، با اندازه گیری های سیم پیچ مستقیم در فاز، انتخاب ایده آل برای سیستم های با بالاترین عملکرد است.
شکل 3. بازخورد جریان موتور ایزوله و غیر ایزوله-
توپولوژی های زیادی برای سنجش جریان موتور و فاکتورهای زیادی مانند هزینه، مصرف توان و سطوح عملکرد وجود دارد، اما یک هدف کلیدی برای اکثر طراحان سیستم بهبود کارایی در اهداف هزینه است.
از HES تا مقاومت های شنت
مقاومت‌های شنت به مدولاتورهای سیگما (Σ-Δ) ایزوله کوپل می‌شوند تا بالاترین کیفیت بازخورد فعلی را ارائه دهند (سطح جریان به اندازه کافی پایین). گرایش قابل توجهی برای طراحان سیستم وجود دارد که از HES به مقاومت های شنت حرکت کنند و گرایش دیگری به سمت تعدیل کننده های ایزوله به جای روش های تقویت کننده ایزوله حرکت کنند. اغلب، زمانی که طراحان سیستم HES را با مقاومت‌های شنت جایگزین می‌کنند، تقویت‌کننده‌های ایزوله را انتخاب می‌کنند و به استفاده از ADCهایی که قبلاً در طراحی‌های مبتنی بر HES{4}} استفاده می‌شد، ادامه می‌دهند. در این حالت، بدون در نظر گرفتن عملکرد آنالوگ-دیجیتال، عملکرد توسط تقویت کننده ایزوله محدود می شود.
جایگزینی تقویت کننده و ADC ایزوله با یک مدولاتور دلتا{0}Sigma ایزوله، گلوگاه عملکرد را از بین می برد و طراحی را تا حد زیادی بهبود می بخشد، معمولاً با تغییر آن از بازخورد انبوه 9-بیتی به 10 بیتی به سطوح 12 بیتی. مدار حفاظت آنالوگ اضافه جریان (OCP) را نیز می توان حذف کرد، زیرا فیلترهای دیجیتال مورد نیاز برای پردازش خروجی های مدولاتور سیگما-دلتا نیز می توانند برای فعال کردن حلقه های OCP سریع پیکربندی شوند.
تعدیل‌کننده‌های Σ-Δ موجود ممکن است محدوده ورودی دیفرانسیل ± 250 میلی‌ولت داشته باشند، که در آن مقیاس کامل ± 320 میلی‌ولت برای OCP استفاده می‌شود که برای اندازه‌گیری‌های شانت مقاومتی ایده‌آل است. ورودی های آنالوگ به طور مداوم توسط مدولاتور آنالوگ نمونه برداری می شوند و اطلاعات ورودی در یک جریان خروجی دیجیتال با نرخ داده تا 20 مگاهرتز قرار می گیرند. اطلاعات خام را می توان با فیلترهای دیجیتال مناسب بازسازی کرد. از آنجایی که عملکرد تبدیل را می توان در مقابل پهنای باند یا تاخیر بانکی فیلتر قرار داد، فیلترهای درشت تر و سریعتر می توانند OCPهای پاسخ سریع در حد 2 میکرو ثانیه را ارائه دهند که برای محافظت از IGBT ایده آل است.
کاهش اندازه مقاومت شنت
از منظر اندازه‌گیری سیگنال، چالش‌های کلیدی در انتخاب مقاومت شنت وجود دارد، زیرا بین حساسیت و مصرف انرژی یک مبادله- وجود دارد. غیرخطی بودن ناشی از اثرات خود{2}}گرمایشی نیز هنگام استفاده از مقاومت‌های با ارزش بالاتر یک چالش است. طراحان با معاوضه‌های- روبه‌رو می‌شوند که با این واقعیت تشدید می‌شوند که اغلب باید یک اندازه شنت انتخاب شود تا به بسیاری از مدل‌ها و موتورها در سطوح مختلف فعلی ارائه شود. حفظ محدوده دینامیکی در مواجهه با جریان های پیک که می تواند چندین برابر جریان نامی موتور باشد و نیاز به گرفتن قابل اطمینان هر دو یک چالش است.
در مواجهه با این چالش‌ها، طراحان سیستم به دنبال مدولاتورهای سیگما-مثلث برتر با دامنه دینامیکی وسیع‌تر یا سیگنال بهبود یافته-به-نسبت نویز و اعوجاج (SINAD) هستند. تا به امروز، محصولات تعدیل‌کننده Σ-Δ ایزوله عملکرد تضمینی با وضوح 16 بیت و حداکثر 12 بیت موثر (ENOB) ارائه کرده‌اند.
شکل 4. AD7403 یک مدولاتور دلتا-در مرتبه دوم-سیگما{4}}با کارایی بالا است.مدولاتور Sigma Delta Isolated با کارایی بالا
مدولاتورهای مثلث{0}}ایزوله سیگما{1}}با عملکرد بالاتر، طیف وسیعی از نیازها را در طرح‌های کنترل موتور صنعتی پشتیبانی می‌کنند و با کاهش اندازه مقاومت شنت، بازده نیرو درایوهای موتور را بهبود می‌بخشند. یک مثال صنعتی، مدولاتور AD7403 ADI است (شکل 4 را ببینید). این نسل بعدی AD7401A است و محدوده دینامیکی گسترده تری را با همان نرخ کلاک خارجی 20 مگاهرتز ارائه می دهد. این امکان را برای گزینه‌های اندازه شنت انعطاف‌پذیرتر فراهم می‌کند و امکان استفاده از مقاومت‌های شنت را به جای HES در سطوح جریان بالاتر می‌دهد. ENOB تراشه معمولاً 14.2 بیت است. پاسخ پویا را نیز می توان با کاهش تاخیر اندازه گیری بهبود بخشید. این دستگاه همچنین دارای یک طرح جداسازی با ولتاژ بالاتر-در عملکرد{14}پیوسته{15}} (VIORM) نسبت به دستگاه قبلی خود است که کارایی سیستم را از طریق ولتاژهای باس DC بالاتر و جریان های کمتر بهبود می بخشد.