เลือกและปรับใช้การออกแบบการควบคุมมอเตอร์ที่เหมาะสมเพื่อตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรม 4.0

ยุคอุตสาหกรรม 4.0 หรือ Industrial Internet of Things (IIoT) กำลังทำให้ระบบฉลาดขึ้นโดยการให้ข้อมูลอัจฉริยะและการเชื่อมต่อระหว่างเครื่องและคอมพิวเตอร์ และกับอินเทอร์เน็ต สาเหตุหนึ่งสำหรับการเชื่อมต่อนี้คือการทำให้ระบบและระบบย่อยในการผลิตสามารถตรวจสอบและควบคุมได้ และมีประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และเสถียรภาพมากยิ่งขึ้น ยุคนี้มีนัยยะสำหรับมอเตอร์อุตสาหกรรม ซึ่งประกอบด้วยแหล่งพลังงานส่วนใหญ่ของโรงงานแบบอัตโนมัติ และความล้มเหลวของมอเตอร์เหล่านี้สามารถทำให้สายการผลิตทั้งหมดปิดตัวลง

การควบคุมมอเตอร์อย่างมีประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนที่เกี่ยวกับความเร็วและแรงบิด ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อช่วงไดนามิกของมอเตอร์ การควบคุมพารามิเตอร์ทั้งสองนี้อย่างมีประสิทธิภาพต้องใช้ความแม่นยำในการป้อนกลับในระดับสูง เพื่อความแม่นยำนี้ นักออกแบบจำเป็นต้องเลือกอย่างรอบคอบระหว่างการตรวจจับกระแสไฟด้านต่ำ ด้านสูง หรือแบบอินไลน์ จากนั้นจึงปรับใช้วงจรที่เหมาะสม

บทความนี้กล่าวโดยสังเขปถึงตัวเลือกการตรวจจับกระแสทั้งสามนี้ ก่อนที่จะแสดงให้เห็นว่าแอมพลิฟายเออร์ในอุดมคติในเซ็นเซอร์กระแสมอเตอร์แบบอินไลน์ให้ข้อมูลเฟส-กระแสที่แท้จริงได้อย่างไร จากนั้นจะแสดงวิธีใช้แอมพลิฟายเออร์ตรวจวัดกระแสแบบสองทิศทาง (CSA) จาก Maxim Integrated พร้อมการรีเจ็คการปรับความกว้างพัลส์ (PWM) เพื่อกำหนดค่าระบบมอเตอร์สามเฟสเพื่อให้การทำงานมีประสิทธิภาพมากขึ้น

การตรวจจับกระแสด้านต่ำ ด้านสูง หรืออินไลน์

ตัวเลือกการตรวจจับสามแบบทั้งแบบด้านต่ำ ด้านสูง และแบบอินไลน์ มีความแตกต่างกันอย่างมากในการใช้งาน (ภาพที่ 1) การออกแบบเซ็นเซอร์กระแสมอเตอร์ด้านต่ำใช้ตัวต้านทานตรวจจับและแอมพลิฟายเออร์ใกล้กับกราวด์ (ล่างซ้าย)

รูปที่ 1: ตัวเลือกวงจรด้านต่ำ ด้านสูง และวงจรอินไลน์สำหรับการตรวจจับความเร็วและแรงบิดของมอเตอร์ (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

จากสามตัวเลือกนี้ วงจรตรวจจับกระแสไฟด้านต่ำนั้นใช้งานง่ายและตรงไปตรงมามากที่สุด ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานในครัวเรือนที่ความคุ้มค่ามักเป็นหนึ่งในข้อกำหนดการออกแบบ

วงจรตรวจจับด้านต่ำมีแอมพลิฟายเออร์อยู่ใกล้กราวด์ จับกระแสของขาแต่ละข้างอย่างต่อเนื่อง วงจรนี้มีโอเปอร์เรชันนอลแอมพลิฟายเออร์ (ออปแอมป์) ทั่วไปที่มีราคาประหยัดที่ด้านล่างของชั้น FET ที่ขับเคลื่อนด้วยเกทและตัวต้านทานตรวจจับ (R_S) ด้วยแรงดันไฟฟ้าโหมดคอมมอนใกล้กับกราวด์ (รูปที่ 2) สำหรับกระแสโหลดสูงถึง 100 แอมแปร์ (A) ตัวต้านทานตรวจจับขนาดเล็ก (R_S) มักจะเป็นความต้านทานการติดตามของบอร์ดพีซี

รูปที่ 2: วงจรตรวจจับกระแสไฟด้านต่ำของมอเตอร์ AC นี้ใช้แอมพลิฟายเออร์ CMOS ที่แรงดันไฟโหมดคอมมอนถึงแหล่งจ่ายแอมพลิฟายเออร์ด้านลบ (แหล่งที่มารูปภาพ: Bonnie Baker)

ในรูปที่ 2 กระแสโหลดแสดงถึงการนำผ่านชั้น FET ของมอเตอร์ AC วงจรนี้ต้องการช่วงอินพุตโหมดคอมมอนของแอมพลิฟายเออร์เพื่อขยายไปยังกราวด์ วงจรแอมพลิฟายเออร์ได้รับแรงดันไฟฟ้า R_S ซึ่งให้การอ่านค่าแรงดันของกระแสโหลด (I_L) แรงดันไฟฟ้านี้ถูกป้อนไปยังขั้วอินพุตบวกของแอมพลิฟายเออร์ที่มีอัตราขยายเท่ากับ (1 + R_F / R_G) หรือ ~50 โวลต์/โวลต์

Analog Devices AD8691 สามารถใช้เป็นแอมพลิฟายเออร์ได้ ซึ่งเป็นออปแอมป์ทั่วไปราคาประหยัดที่มีแบนด์วิดท์ 10 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ทรานซิสเตอร์อินพุตแบบ CMOS แสดงกระแสอคติอินพุตทั่วไปที่ 0.2 พิโกแอมแปร์ (pA) และช่วงโหมดทั่วไปที่ -0.3 โวลต์ต่ำกว่าแรงดันไฟลบ

เอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์จะถูกป้อนไปยังตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) ไมโครคอนโทรลเลอร์หรือโปรเซสเซอร์อื่นสามารถใช้สัญญาณดิจิทัลเพื่อกำหนดสถานะของมอเตอร์ได้

ข้อกำหนดของบอร์ดพีซี

ความเรียบง่ายในการออกแบบวงจรตรวจจับกระแสด้านต่ำอาจทำให้เข้าใจผิด เนื่องจากการใช้บอร์ดพีซีเพื่อสร้าง R_S ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดได้ง่ายโดยค่าความต้านทานตรวจวัดอาจเพิ่มขึ้นโดยไม่ตั้งใจ เพื่อให้แน่ใจว่าค่า R_S ถูกต้อง ต้องมีการเชื่อมต่อโดยตรงจาก R_S ขั้วด้านบนหรือขั้วบวกไปยังออปแอมป์ขั้วอินพุตบวก นอกจากนี้ R_S ขั้วด้านล่าง (ขั้วลบ) ต้องมีการเชื่อมต่อกราวด์โดยตรง ข้อกำหนดการออกแบบบอร์ดพีซีที่สองนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีการเชื่อมต่อโดยตรงกับขั้วลบของตัวต้านทานตรวจวัดและด้านล่างของตัวต้านทานเกนของแอมพลิฟายเออร์ (R_G)

กระแสไหลที่ผ่านระนาบพื้นของบอร์ดพีซีจะทำให้เกิดความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้า ภายใต้สถานการณ์ปกติ นี่ไม่ใช่ปัญหา ด้วยวงจรเซนเซอร์ด้านต่ำ การใช้ R_S ต่ำ ความต้านทานทำให้วงจรมีความไวอย่างมากต่อแรงดันกราวน์ตกคร่อมบอร์ดพีซี

ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่อความต้านทานทองแดงอยู่ที่ประมาณ 0.4%/°C ทำให้มีค่า R_s ให้แปรผันตามอุณหภูมิ ความต้านทานของบอร์ดพีซีทำให้เกิดค่าความผิดพลาดที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในระบบที่มีการแปรผันของอุณหภูมิช่วงกว้าง ทำให้เกิดความไม่เสถียร เป็นการรอบคอบที่จะหลีกเลี่ยงลายวงจรที่มีความยาวมากเพื่อลดค่าความผิดพลาด R_S นอกจากนี้ การออกแบบเซ็นเซอร์ด้านต่ำของตัวต้านทานตรวจวัดได้เพิ่มแรงดันตกคร่อมแบบไดนามิกที่ไม่ต้องการ ทำให้เกิดปัญหาสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)

การตรวจวัดกระแสด้านสูง

เซ็นเซอร์กระแสมอเตอร์ด้านสูงช่วยลดผลกระทบจากแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับแบบไดนามิกของตัวต้านทานด้วย EMI ที่น้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม การออกแบบนี้จำเป็นต้องมีแอมพลิฟายเออร์ที่ทนทานเพื่อรองรับแรงดันไฟฟ้าสูง

วงจรเซ็นเซอร์กระแสไฟด้านต่ำใช้ออปแอมป์เดี่ยวสามตัวเพื่อตรวจวัดกระแสของขามอเตอร์ AC แต่ละขา วิธีการนี้มีความอ่อนไหวต่อความผิดพลาดเนื่องจากความต้านทานแฝงของบอร์ดพีซี เช่นเดียวกับความผิดพลาดในการวัดระยะใกล้พื้นดิน หรือที่เรียกว่า R_S ความผิดพลาดของกราวด์แรงดันไฟฟ้า

วงจรเซ็นเซอร์กระแสด้านสูงใช้แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลที่มีแรงดันไฟโหมดคอมมอนใกล้กับแหล่งจ่าย เพื่อเปรียบเทียบข้อจำกัดบางประการของวงจรเซ็นเซอร์กระแสด้านต่ำ การตรวจวัดแบบนี้ไม่ไวต่อการรบกวนจากกราวน์และสามารถตรวจจับการโหลดสั้นได้ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: มอเตอร์ AC ด้านสูง วงจรตรวจจับกระแสใช้แอมพลิฟายเออร์ที่มีอินพุต PNP สองสเตจ โดยที่แรงดันไฟโหมดทั่วไปจะสูงกว่าแหล่งจ่ายบวกและลบของแอมพลิฟายเออร์ (แหล่งที่มารูปภาพ: Bonnie Baker)

ออปแอมป์ต้องมีอินพุตแบบ Rail to rail และแรงดันไฟโหมดคอมมอนขนาดใหญ่ที่ R_S ขั้วที่เท่ากับหรือเกิน V_SUPPLY นี่เป็นเรื่องที่ท้าทายเพราะแอมพลิฟายเออร์ตรวจวัดจะต้องใช้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ขยายอย่างน้อยเท่ากับ V_SUPPLY ดังนั้นในการตรวจวัดด้านสูง โหมดทั่วไปอินพุตของแอมพลิฟายเออร์จะต้องสูงเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย V_SUPPLY

สำหรับการใช้งานนี้ นักออกแบบสามารถหันไปใช้ ADA4099-1 ของ Analog Devices เป็นออปแอมป์อินพุต/เอาท์พุตแบบ Rail to rail แข็งแกร่ง แม่นยำ แบบรางพร้อมอินพุตที่ทำงานจาก V- ถึง V+ และอื่น ๆ คุณลักษณะอย่างหลังอยู่ในเอกสารข้อมูลในส่วน Over The Top

อุปกรณ์นี้มีแรงดันออฟเซ็ต <40 ไมโครโวลต์ (μV) กระแสไบแอสอินพุต (IB) ที่ <10 นาโนแอมแปร์ (nA) และแหล่งจ่ายไฟแบบเดี่ยวหรือแบบแยกส่วนที่อยู่ในช่วงตั้งแต่ 3.15 ถึง 50 โวลต์ ADA4099-1 ดึงกระแสไฟ 1.5 มิลลิแอมแปร์ (mA) ต่อช่องสัญญาณ

การจับคู่ตัวต้านทาน

ด้วยวงจรตรวจจับกระแสไฟด้านสูงในรูปที่ 3 ความถูกต้องของตัวต้านทานภายนอก (R₁, R₂, R₃, และ R₄) กำหนดความถูกต้องของการวัดโดยตรง สมการที่ 1 ใช้ในการคำนวณค่าดิฟเฟอเรนเชียลของรูปที่ 3:

สมการที่ 1

สมการที่ 2 ใช้ในการคำนวณค่าความผิดพลาดเกนโหมดทั่วไปของรูปที่ 3:

สมการที่ 2

สมการที่ 3 ใช้ในการคำนวณแรงดันเอาต์พุตของรูปที่ 3:

สมการ 3

ถ้า R₁ ผ่าน R₄ เท่ากับตัวต้านทาน 1% ความทนทานต่อข้อผิดพลาดโดยรวมที่มีค่ามากที่สุดคือมากกว่า 5% ค่าความผิดพลาด 5% นี้จำเป็นต้องใช้ตัวต้านทานที่มีค่าความผิดพลาดจำกัดและมีราคาแพง ข้อเสียหลักของวิธีนี้คือการเพิ่มต้นทุนเนื่องจากความต้องการตัวต้านทานที่มีความแม่นยำพร้อมค่าความคลาดเคลื่อนที่จำกัดสำหรับค่าอัตราส่วนของ R₄/R₃ และ R₂/R₁ เพื่อเอาชนะความไวของข้อผิดพลาดอันเนื่องมาจากแรงดันไฟฟ้าในโหมดคอมมอนที่สูงขึ้น

การตรวจจับกระแสแบบอินไลน์

ในขณะที่โซลูชันอื่น ๆ ทำงาน แนวทางที่ต้องการคือเซ็นเซอร์กระแสมอเตอร์อินไลน์ (หรือขดลวดตรง) วิธีการนี้ให้ข้อมูลเฟสของกระแสไฟฟ้าที่แท้จริง ซึ่งช่วยให้ใช้เวลาเข้าที่น้อยและการรีเจ็คชั่วคราวของโหมดคอนมอนที่สูงขึ้น แอมพลิฟายเออร์ในอุดมคติสำหรับการวัดแบบอินไลน์คือ CSA แบบสองทิศทางพร้อมการรีเจ็ค PWM เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ แอมพลิฟายเออร์นี้มีเวลาเข้าที่น้อย แบนด์วิดท์สูง และรีเจ็คทรานเซียนท์ของโหมดคอมมอน

เพื่อให้การทำงานของมอเตอร์มีประสิทธิภาพ ตัวประมวลผลระบบมีข้อมูลกระแสไฟฟ้าของมอเตอร์ทั้งสามเฟส ณ เวลาที่กำหนด (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ในการตรวจจับกระแสอินไลน์สำหรับการควบคุมมอเตอร์ โปรเซสเซอร์มีข้อมูลกระแสของมอเตอร์ทั้งสามเฟสในเวลาใด ๆ (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ในรูปที่ 4 MCU จะสุ่มตัวอย่างขามอเตอร์ทั้งสามพร้อมอุปกรณ์อนาล็อกพร้อมกัน MAX40056 CSA แบบสองทิศทาง รักษาความสัมพันธ์ของเฟสระหว่างการกระตุ้นของขาแต่ละข้าง แอมพลิฟายเออร์อินไลน์ในอุดมคติจะรับสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลของขามอเตอร์แต่ละตัวในขณะที่รีเจ็คทรานเซียนต์โหมดทั่วไปของ PWM การรีเจ็ค PWM ที่ดีช่วยให้สามารถตั้งค่าได้เร็วที่สุด มีความแม่นยำสูงขึ้น และช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถลดรอบการทำงานของ PWM ให้เหลือเพียง 0%

MAX40056 เป็น CSA แบบสองทิศทางแหล่งจ่ายเดียวและมีความแม่นยำสูงพร้อมช่วงอินพุตโหมดทั่วไปสูงที่ขยายจาก -0.1 โวลต์ถึง +65 โวลต์ สเตจอินพุตให้การป้องกันแรงดันไฟกระชากและการจ่ายไฟแบบเหนี่ยวนำตั้งแต่ -5 โวลต์จนถึง +70 โวลต์ แรงดันออฟเซ็ตอินพุต ±5 μV (typ) และข้อผิดพลาดเกนต์ 0.05% (typ) ช่วยให้แน่ใจว่าระบบมีข้อผิดพลาดต่ำ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: ความสามารถของ MAX40056 CSA ในการระงับการรบกวนเนื่องจากวงจรการรีเจ็ค PWM ที่รวดเร็วทำให้เหมาะสำหรับการตรวจสอบกระแสไฟในเฟสของโหลดเหนี่ยวนำ เช่น ขดลวดของมอเตอร์ (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ในรูปที่ 5 สเตจอินพุตได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อยับยั้งการรบกวนของสัญญาณ PWM ที่รวดเร็ว ซึ่งเป็นเรื่องปกติในการควบคุมมอเตอร์ ดังนั้น MAX40056 จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจสอบกระแสไฟในเฟสของโหลดเหนี่ยวนำ เช่น ขดลวดมอเตอร์และโซลินอยด์ที่ขับเคลื่อนด้วยสัญญาณ PWM โดย MAX40056 ทำงานในช่วงอุณหภูมิ -40 ° C ถึง + 125 ° C และแรงดันไฟฟ้า +2.7 โวลต์ถึง +5.5 โวลต์

MAX40056 มีการกู้คืนขอบ PWM 500 นาโนวินาที (ns) จาก 500 โวลต์/ไมโครวินาที (µs) และขอบ PWM ที่เร็วขึ้น MAX40056 และข้อมูลเปรียบเทียบสมรรถนะกับคู่แข่งแสดงให้เห็นความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในภูมิคุ้มกันโหมดทั่วไปของ PWM (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: การเปรียบเทียบโดยใช้การรีเจ็คขอบ PWM ของวงจร PWM 50 โวลต์แสดงให้เห็นว่า MAX40056 มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในแง่ของการคุ้มกันทรานเซียนท์ในโหมดคอมมอนของ PWM (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ในรูปที่ 6 เอาต์พุตอนาล็อกของ MAX40056 CSA แสดงค่าที่สูงขึ้นเล็กน้อยและกู้คืนภายใน 500 ns ในขณะที่อุปกรณ์คู่แข่งใช้เวลากู้คืนประมาณ 2 µs อินพุตการรีเจ็ค PWM ที่ได้รับการจดสิทธิบัตรของ CSA จะระงับทรานเซียนท์และให้การวัดสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลที่ชัดเจน

สรุป

อุตสาหกรรม 4.0 และ IIoT ต่างเน้นย้ำถึงประสิทธิภาพการผลิตและความน่าเชื่อถือในระดับที่สูงขึ้น ซึ่งต้องไปถึงระดับของมอเตอร์แต่ละตัว การค้นหาการออกแบบวงจรที่เหมาะสมเพื่อสร้างระบบขับเคลื่อนมอเตอร์กระแสสลับสำหรับความเร็วและแรงบิดเพื่อให้มั่นใจในความเสถียร ความน่าเชื่อถือ และประสิทธิภาพในการใช้พลังงานอาจเป็นเรื่องยาก

ดังที่แสดงไว้ข้างต้น เซ็นเซอร์วัดกระแสมอเตอร์แบบอินไลน์พร้อมแอมพลิฟายเออร์ในอุดมคติจะให้ข้อมูลเฟสกระแสที่แท้จริง ด้วยวิธีการนี้ และการใช้ CSA แบบสองทิศทาง MAX40056 พร้อมการรีเจ็ค PWM นักออกแบบสามารถกำหนดค่าระบบมอเตอร์สามเฟสที่วัดแรงบิดและความเร็วได้อย่างแม่นยำในระบบมอเตอร์ AC สามเฟส เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของมอเตอร์ ความน่าเชื่อถือ และความเสถียร