การควบคุมการเคลื่อนที่ทางอุตสาหกรรมครอบคลุมการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่การควบคุมพัดลมหรือปั๊มที่ใช้อินเวอร์เตอร์- ไปจนถึงระบบอัตโนมัติในโรงงานที่มีการควบคุมไดรฟ์ AC ที่ซับซ้อนมากขึ้น ไปจนถึงการใช้งานระบบอัตโนมัติขั้นสูง เช่น หุ่นยนต์ที่มีการควบคุมเซอร์โวที่ซับซ้อน ระบบเหล่านี้ต้องการการตรวจจับและการป้อนกลับของตัวแปรต่างๆ เช่น กระแสหรือแรงดันไฟฟ้าของขดลวดมอเตอร์ กระแสหรือแรงดันบัส DC ตำแหน่งและความเร็วของโรเตอร์ การเลือกตัวแปรและความแม่นยำในการวัดที่ต้องการนั้นขึ้นอยู่กับ-ข้อกำหนดการใช้งานขั้นสุดท้าย สถาปัตยกรรมระบบ ต้นทุนของระบบเป้าหมาย หรือความซับซ้อนของระบบ ยังมีข้อควรพิจารณาอื่นๆ เช่น -คุณลักษณะที่เพิ่มมูลค่า เช่น การตรวจสอบสภาพ เนื่องจากมอเตอร์ไฟฟ้ารายงานว่าใช้พลังงานไฟฟ้าถึง 40% ของโลก กฎระเบียบระหว่างประเทศจึงให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพของระบบในการใช้งานการเคลื่อนที่ทางอุตสาหกรรมมากขึ้น (ดูรูปที่ 1)
รูปที่ 1. กลุ่มการใช้งานไดรฟ์ทางอุตสาหกรรม
เทคนิคการตรวจจับกระแสและแรงดันไฟฟ้าในโทโพโลยีสายสัญญาณควบคุมมอเตอร์ต่างๆ จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับพิกัดกำลังมอเตอร์ ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของระบบ และการใช้งานขั้นสุดท้าย ในกรณีนี้ การใช้งานห่วงโซ่สัญญาณควบคุมมอเตอร์จะแตกต่างกันไปตามการเลือกเซ็นเซอร์ ข้อกำหนดการแยกกระแสไฟฟ้า การเลือก ADC การรวมระบบ และการแบ่งพาร์ติชันระบบ/กราวด์ แม้ว่าข้อกำหนดการแยกมักจะส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อโครงสร้างและสถาปัตยกรรมวงจรขั้นสุดท้าย แต่บทความนี้จะมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงการวัดการตรวจจับกระแส (ซึ่งเป็นหนึ่งในปัจจัยที่มีอิทธิพล) เพื่อให้ได้ระบบควบคุมมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
การวัด I และ V
ห่วงโซ่สัญญาณควบคุมมอเตอร์ทั่วไปแสดงไว้ในรูปที่ 2 การปรับสภาพสัญญาณเพื่อให้ได้การวัดความเที่ยงตรงสูง-ไม่ใช่เรื่องง่าย การตรวจจับกระแสเฟสเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่ง เนื่องจากโหนดนี้เชื่อมต่อกับโหนดวงจรเดียวกันกับที่ตัวขับเกตส่งออกภายในแกนกลางของโมดูลอินเวอร์เตอร์ ดังนั้นจึงมีข้อกำหนดเดียวกันในแง่ของการแยกแรงดันไฟฟ้าและการจัดการกระแสสลับชั่วคราว
รูปที่ 2 ห่วงโซ่สัญญาณควบคุมมอเตอร์ทั่วไป
เซ็นเซอร์กระแสที่ใช้กันมากที่สุดในการควบคุมมอเตอร์คือตัวต้านทานแบบแบ่ง, เซ็นเซอร์ Hall Effect (HES) และหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า (CT) แม้ว่าตัวต้านทานแบบแบ่งไม่ได้ให้การแยกตัวและทำให้เกิดการสูญเสีย แต่เป็นเซนเซอร์เชิงเส้นมากที่สุด มีค่าใช้จ่ายต่ำที่สุด และเหมาะสำหรับการวัดทั้ง AC และ DC ระดับสัญญาณที่ลดลงซึ่งจำเป็นเพื่อจำกัดการสูญเสียพลังงานแบบสับเปลี่ยน โดยทั่วไปแล้วจะจำกัดการใช้งานแบบสับเปลี่ยนไว้ที่ 50 A หรือน้อยกว่า CT และ HES มีการแยกส่วนโดยธรรมชาติ ทำให้สามารถให้บริการระบบที่มีกระแสไฟฟ้าสูงได้ แต่มีราคาแพงกว่าเนื่องจากความแม่นยำเริ่มต้นต่ำหรือความแม่นยำของอุณหภูมิต่ำ และส่งผลให้โซลูชันมีความแม่นยำน้อยกว่าที่สามารถทำได้ด้วยตัวต้านทานแบบแบ่ง นอกจากประเภทเซ็นเซอร์แล้ว ยังมีโหนดการวัดกระแสมอเตอร์หลายจุดให้เลือก (ดังแสดงในรูปที่ 3) โดยการวัดการพันเฟสโดยตรงใน-เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับระบบที่มีสมรรถนะสูงสุด
รูปที่ 3 การป้อนกลับกระแสมอเตอร์แบบแยกและไม่-
มีโทโพโลยีมากมายสำหรับการตรวจจับกระแสไฟฟ้าของมอเตอร์และมีปัจจัยหลายอย่างที่ต้องพิจารณา เช่น ต้นทุน การใช้พลังงาน และระดับประสิทธิภาพ แต่เป้าหมายสำคัญสำหรับนักออกแบบระบบส่วนใหญ่คือการปรับปรุงประสิทธิภาพภายในเป้าหมายต้นทุนของตน
จาก HES ไปจนถึงตัวต้านทานแบบแบ่ง
ตัวต้านทานแบบแบ่งถูกเชื่อมต่อเข้ากับโมดูเลเตอร์เดลต้า (Σ-Δ) ซิกมา{0}}แบบแยกเพื่อให้สัญญาณป้อนกลับกระแสไฟมีคุณภาพสูงสุด (ระดับกระแสไฟต่ำเพียงพอ) มีแนวโน้มที่สำคัญสำหรับนักออกแบบระบบที่จะย้ายจาก HES ไปเป็นตัวต้านทานแบบแบ่ง และมีแนวโน้มอีกอย่างหนึ่งที่จะย้ายไปยังโมดูเลเตอร์แบบแยก แทนที่จะเป็นวิธีแบบแยกแอมพลิฟายเออร์ บ่อยครั้ง เมื่อผู้ออกแบบระบบแทนที่ HES ด้วยตัวต้านทานแบบแบ่ง พวกเขาเลือกแอมพลิฟายเออร์แยกและยังคงใช้ ADC ที่เคยใช้ในการออกแบบแบบ HES- ต่อไป ในกรณีนี้ ประสิทธิภาพจะถูกจำกัดโดยแอมพลิฟายเออร์แยกส่วน โดยไม่คำนึงถึงประสิทธิภาพแอนะล็อก-ถึง-ดิจิทัล
การแทนที่แอมพลิฟายเออร์แบบแยกส่วนและ ADC ด้วยโมดูเลเตอร์เดลต้าซิกมา-แบบแยกจะขจัดปัญหาคอขวดด้านประสิทธิภาพและปรับปรุงการออกแบบอย่างมาก โดยทั่วไปโดยการเปลี่ยนการตอบสนองมวลจาก 9- บิตเป็น 10 บิตเป็นระดับ 12 บิต วงจรป้องกันกระแสเกินแบบอะนาล็อก (OCP) ยังสามารถกำจัดได้ เนื่องจากตัวกรองดิจิทัลที่จำเป็นสำหรับการประมวลผลเอาต์พุตโมดูเลเตอร์ซิกมาเดลต้าสามารถกำหนดค่าให้เปิดใช้งานลูป OCP ที่รวดเร็วได้
โมดูเลเตอร์ที่มีอยู่ Σ-Δ ที่ใช้งานได้อาจมีช่วงอินพุตส่วนต่าง ±250 mV โดยที่ ±320 mV เต็มสเกลใช้สำหรับ OCP ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดค่าสับเปลี่ยนตัวต้านทาน อินพุตแบบอะนาล็อกจะถูกสุ่มตัวอย่างอย่างต่อเนื่องโดยโมดูเลเตอร์แบบอะนาล็อก และข้อมูลอินพุตจะอยู่ในสตรีมเอาท์พุตดิจิทัลที่มีอัตราข้อมูลสูงถึง 20 MHz ข้อมูลดิบสามารถสร้างใหม่ได้ด้วยตัวกรองดิจิทัลที่เหมาะสม เนื่องจากประสิทธิภาพการแปลงสามารถแลกเปลี่ยนกับแบนด์วิดท์หรือตัวกรองความล่าช้าของธนาคาร ตัวกรองที่หยาบกว่าและเร็วกว่าจึงสามารถให้ OCP การตอบสนองที่รวดเร็วตามลำดับ 2 μs ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการป้องกัน IGBT
การลดขนาดตัวต้านทานแบบแบ่ง
จากมุมมองของการวัดสัญญาณ มีความท้าทายที่สำคัญบางประการในการเลือกตัวต้านทานแบบสับเปลี่ยน เนื่องจากมีการแลกเปลี่ยน-ระหว่างความไวและการใช้พลังงาน ความไม่เชิงเส้นเนื่องจากผลกระทบจากความร้อนในตัวเอง-ยังเป็นเรื่องที่ท้าทายเมื่อใช้ตัวต้านทานที่มีค่าสูงกว่า นักออกแบบต้องเผชิญกับข้อเสีย-ที่เลวร้ายยิ่งกว่านั้นคือจำเป็นต้องเลือกขนาดสับเปลี่ยนเพื่อรองรับรุ่นและมอเตอร์หลายรุ่นในระดับกระแสที่แตกต่างกัน การรักษาช่วงไดนามิกเมื่อเผชิญกับกระแสสูงสุดซึ่งอาจมากกว่ากระแสที่กำหนดของมอเตอร์หลายเท่า และความจำเป็นในการจับกระแสทั้งสองอย่างเชื่อถือได้ถือเป็นความท้าทาย
เมื่อต้องเผชิญกับความท้าทายเหล่านี้ นักออกแบบระบบกำลังมองหาตัวปรับซิกมา-เดลต้าที่เหนือกว่าด้วยช่วงไดนามิกที่กว้างขึ้น หรือสัญญาณที่ได้รับการปรับปรุง-ต่อ-อัตราส่วนเสียงรบกวนและการบิดเบือน (SINAD) จนถึงปัจจุบัน ผลิตภัณฑ์โมดูเลเตอร์แบบแยกส่วน Σ-Δ ได้นำเสนอประสิทธิภาพที่รับประกันด้วยความละเอียด 16 บิตและสูงสุด 12 บิตที่มีประสิทธิภาพ (ENOB)
รูปที่ 4 AD7403 เป็นโมดูเลเตอร์เดลต้า-ประสิทธิภาพสูง-ลำดับที่สอง-โมดูเลเตอร์ Sigma Delta แบบแยกประสิทธิภาพสูง
โมดูเลเตอร์เดลต้า-ประสิทธิภาพสูงแบบแยกส่วน-จะรองรับความต้องการที่หลากหลายในการออกแบบการควบคุมมอเตอร์ทางอุตสาหกรรม และปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานของตัวขับมอเตอร์โดยการลดขนาดตัวต้านทานแบ่ง ตัวอย่างในอุตสาหกรรมคือ โมดูเลเตอร์ AD7403 ของ ADI (ดูรูปที่ 4) เป็นรุ่นถัดไปของ AD7401A และมีช่วงไดนามิกที่กว้างขึ้นที่อัตรานาฬิกาภายนอก 20 MHz เท่าเดิม ช่วยให้มีตัวเลือกการกำหนดขนาดสับเปลี่ยนที่ยืดหยุ่นมากขึ้น และช่วยให้สามารถใช้ตัวต้านทานสับเปลี่ยนแทน HES ในระดับกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่าได้ โดยทั่วไป ENOB ของชิปจะเป็น 14.2 บิต นอกจากนี้ยังสามารถปรับปรุงการตอบสนองแบบไดนามิกได้โดยการลดความล่าช้าในการวัด อุปกรณ์ยังมีรูปแบบการแยกที่มีแรงดันไฟฟ้า-ในการทำงานต่อเนื่อง- (VIORM) สูงกว่ารุ่นก่อน ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบผ่านแรงดันไฟฟ้า DC บัสที่สูงขึ้นและกระแสไฟที่ต่ำกว่า