Selezionare e implementare il giusto progetto di controllo motore per soddisfare i requisiti di Impresa 4.0

L'era di Impresa 4.0, o dell'Internet delle cose industriale (IIoT), sta rendendo i sistemi più intelligenti fornendo intelligenza localizzata e connettività tra macchine e computer e a Internet. Una delle ragioni di questa connettività è che i sistemi e i sottosistemi di produzione possono essere monitorati e controllati in vista di efficienza, affidabilità e stabilità maggiori. Questa epoca ha implicazioni per i motori industriali, che costituiscono gran parte delle risorse energetiche di un impianto automatizzato e il cui guasto può bloccare un'intera linea di produzione.

Ne consegue che è fondamentale controllare i motori in modo efficace, in particolare per quanto riguarda la velocità e la coppia, che insieme influiscono notevolmente sulla gamma dinamica di un motore. Il controllo efficace di questi due parametri richiede un alto grado di precisione di retroazione. Per ottenere questa precisione, i progettisti devono scegliere con attenzione tra il rilevamento di corrente low-side, high-side o in linea, e quindi implementare in modo ottimale il circuito appropriato.

Questo articolo illustra brevemente queste tre opzioni di rilevamento della corrente prima di mostrare come l'amplificatore ideale in un sensore di corrente del motore in linea fornisca informazioni reali sulla fase di corrente. Viene quindi illustrato l'utilizzo di un amplificatore per rilevamento di corrente (CSA) bidirezionale di Maxim Integrated con reiezione in modulazione della larghezza di impulso (PWM) per configurare un sistema motore trifase in modo da consentire un funzionamento più efficiente.

Sensore di corrente low-side, high-side o in linea?

Le tre opzioni di rilevamento (low-side, high-side e in linea) variano ampiamente nell'implementazione (Figura 1). Il progetto con sensore della corrente del motore low-side utilizza un resistore di rilevamento e un amplificatore vicino alla massa (in basso a sinistra).

Figura 1: Le opzioni di circuito low-side, high-side e in linea per il rilevamento della velocità e della coppia del motore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Delle tre opzioni, un circuito di rilevamento della corrente low-side è la più intuitiva e semplice. Si presta alle applicazioni consumer in cui il rapporto costi/benefici è spesso uno dei principali requisiti di progettazione.

Il circuito di rilevamento low-side ha l'amplificatore vicino alla massa, in modo da catturare la corrente di ogni fase in successione. Il circuito è dotato di amplificatori operazionali generici di basso costo alla base dello stack di FET di pilotaggio del gate, nonché di un resistore di rilevamento (R_S) con la tensione di modo comune vicina alla massa (Figura 2). Per una corrente di carico pari a 100 A, il piccolo resistore di rilevamento (R_S) è solitamente una resistenza di traccia della scheda CS.

Figura 2: Questo circuito di rilevamento della corrente low-side del motore c.a. utilizza un amplificatore CMOS in cui la tensione di modo comune raggiunge l'alimentazione negativa dell'amplificatore. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

Nella Figura 2 la corrente di carico indica la conduzione attraverso lo stack di FET di un motore c.a.. Questo circuito ha bisogno che l'intervallo di ingresso di modo comune dell'amplificatore si estenda a terra. Il circuito amplificatore acquisisce la tensione attraverso R_S, che fornisce una lettura di tensione dell'entità della corrente di carico (I_L). Questa tensione viene inviata all'ingresso non invertente di un amplificatore con un guadagno pari a (1 + R_F / R_G), ovvero ~50 V/V.

Come amplificatore si può utilizzare AD8691 di Analog Devices. Si tratta di un amplificatore operazionale generico di basso costo con una larghezza di banda di 10 MHz. I suoi transistor di ingresso CMOS forniscono una corrente di polarizzazione di ingresso tipica di 0,2 pA e un intervallo di modo comune di -0,3 V sotto la tensione di alimentazione negativa.

L'uscita dell'amplificatore viene inviata a un convertitore analogico/digitale (ADC). Un microcontroller o altro processore può utilizzare il segnale digitalizzato per determinare lo stato del motore.

Requisiti della scheda CS

La semplicità di progettazione del circuito di rilevamento della corrente low-side può trarre in inganno. Utilizzando la scheda CS per creare R_S, è facile generare errori di misurazione incrementando involontariamente il valore del resistore di rilevamento. Per garantire l'accuratezza del valore R_S, è necessario un collegamento diretto tra il terminale superiore o positivo di R_S e il terminale dell'amplificatore operazionale non invertente. Inoltre, il terminale inferiore (negativo) di R_S deve essere collegato direttamente alla massa. Questo secondo requisito di progettazione della scheda CS assicura un collegamento diretto tra il terminale negativo del resistore di rilevamento e la parte inferiore del resistore di guadagno (R_G) dell'amplificatore.

Tenere presente che la corrente scorre attraverso il piano di massa della scheda CS, creando una differenza di tensione tra di essi. In circostanze normali, questo non rappresenta un problema. Con il circuito del sensore low-side, l'uso della bassa resistenza R_S rende il circuito estremamente sensibile alle cadute di tensione di massa attraverso la scheda CS.

Il coefficiente di temperatura della resistenza del rame è di circa 0,4%/°C, consentendo al valore di R_S ampie variazioni con la temperatura. La resistenza della scheda CS crea un errore dipendente dalla temperatura nei sistemi che presentano ampie variazioni di temperatura, introducendo un certo grado di instabilità. È prudente evitare tracce lunghe per ridurre al minimo gli errori di R_S. Inoltre, l'uso di un resistore di rilevamento nel progetto di sensore low-side aggiunge cadute di tensione dinamica indesiderate, causando problemi di rumore da interferenza elettromagnetica (EMI).

Rilevamento della corrente high-side

Il sensore di corrente del motore high-side riduce al minimo l'impatto della tensione c.a. dinamica del resistore con un'interferenza elettromagnetica minima. Tuttavia, questo progetto richiede un amplificatore robusto per gestire tensioni elevate.

Il circuito del sensore di corrente low-side utilizza tre amplificatori operazionali singoli per rilevare le correnti di ciascuna fase del motore c.a.. L'approccio è suscettibile di errori dovuti alle resistenze parassite della scheda CS e all'errore di misurazione vicino alla massa (errore massa della tensione R_S).

I circuiti dei sensori di corrente high-side utilizzano un amplificatore differenziale con la tensione di modo comune vicina all'alimentazione. Per contrastare alcune delle limitazioni del circuito con sensore di corrente low-side, questa configurazione non è soggetta a disturbi relativi alla massa ed è in grado di rilevare un cortocircuito del carico (Figura 3).

Figura 3: Un circuito di rilevamento della corrente high-side di un motore c.a. utilizza un amplificatore con due stadi di ingresso PNP in cui la tensione di modo comune supera l'alimentazione positiva e negativa dell'amplificatore. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

L'amplificatore operazionale deve avere un ingresso rail-to-rail e un'ampia tensione di modo comune ai terminali R_S che sia uguale o superiore a V_SUPPLY. E non è facile, perché l'amplificatore di rilevamento avrà bisogno di generatori di tensione estesi almeno pari a V_SUPPLY. Pertanto, in una configurazione di rilevamento high-side, il modo comune di ingresso dell'amplificatore deve essere pari alla tensione di alimentazione V_SUPPLY.

Per questa applicazione, i progettisti possono utilizzare ADA4099-1 di Analog Devices. Si tratta di un amplificatore operazionale singolo, robusto, di precisione, con ingresso/uscita rail-to-rail e ingressi che funzionano da V- a V+ e oltre. Quest'ultima caratteristica è indicata nella scheda tecnica come Over-The-Top.

Il dispositivo è caratterizzato da una tensione di offset di <40 μV, una corrente di polarizzazione in ingresso (IB) di <10 nA e funzionamento su alimentazioni singole o divise da 3,15 a 50 V. ADA4099-1 assorbe 1,5 mA di corrente di quiescenza per canale.

Corrispondenza dei resistori

Con il circuito di rilevamento della corrente high-side riportato nella Figura 3, la precisione dei resistori esterni (R₁, R₂, R₃ e R₄) determina direttamente la precisione della misurazione. L'equazione 1 consente di calcolare il guadagno differenziale della Figura 3:

 Equazione 1

L'equazione 2 consente di calcolare l'errore di guadagno di modo comune della Figura 3:

 Equazione 2

L'equazione 3 consente di calcolare la tensione di uscita della Figura 3:

 Equazione 3

Se i resistori da _R1 a R₄ sono resistori all'1%, la tolleranza degli errori complessivi nel peggiore dei casi è superiore al 5%. Questo errore del 5% richiede l'uso di costosi resistori dalla tolleranza più rigida. Lo svantaggio principale di questo approccio è il costo aggiuntivo dovuto alla necessità di resistori di precisione con una tolleranza rigida per i valori di rapporto di R₄/R₃ e R₂/R₁ per superare la sensibilità all'errore dovuta a tensioni di modo comune più elevate.

Rilevamento della corrente in linea

Anche se le altre soluzioni funzionano, l'approccio preferito è il sensore di corrente del motore in linea (o ad avvolgimento diretto). Questo approccio fornisce informazioni reali sulla fase di corrente, consentendo così tempi di assestamento rapidi e una maggiore reiezione dei transitori di modo comune. L'amplificatore ideale per le misurazioni in linea è un CSA bidirezionale con reiezione PWM per affrontare queste sfide. Questo amplificatore ha un tempo di assestamento rapido, un'elevata larghezza di banda e respinge i transitori di modo comune.

Per ottenere un funzionamento efficiente del motore, il processore del sistema dispone dei dati di corrente per tutte e tre le fasi del motore in qualsiasi momento (Figura 4).

Figura 4: Nel rilevamento della corrente in linea per il controllo motore, il processore dispone dei dati di corrente per tutte e tre le fasi del motore in qualsiasi momento. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 4 l'MCU campiona simultaneamente tutte e tre le fasi del motore con il CSA bidirezionale MAX40056 di Analog Devices, preservando le relazioni di fase tra le eccitazioni di ciascuna fase. Un amplificatore in linea ideale acquisisce il segnale differenziale di ciascuna fase del motore, respingendo i transitori di modo comune della PWM. La forte reiezione PWM favorisce la massima velocità del tempo di assestamento, una maggiore precisione e consente al progettista di ridurre al minimo il ciclo di lavoro PWM, mantenendolo vicino allo 0%.

MAX40056 è un CSA bidirezionale ad alimentazione singola e alta precisione, con un ampio intervallo di ingresso di modo comune che va da -0,1 a +65 V. Lo stadio di ingresso fornisce protezione dai picchi di tensione e dai contraccolpi induttivi da -5 a +70 V. La tensione di offset in ingresso di ±5 μV (tip) e l'errore di guadagno dello 0,05% (tip) contribuiscono a garantire errori di sistema contenuti (Figura 5).

Figura 5: La capacità di sopprimere i disturbi grazie al circuito di reiezione PWM veloce rende il CSA MAX40056 adatto al monitoraggio della corrente in fase di carichi induttivi, come gli avvolgimenti dei motori. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 5 lo stadio di ingresso è progettato specificamente per sopprimere i disturbi dei segnali PWM veloci, comuni nelle applicazioni di controllo motori. MAX40056 è quindi particolarmente adatto al monitoraggio della corrente in fase di carichi induttivi, come avvolgimenti di motori e solenoidi pilotati da segnali PWM. MAX40056 funziona nell'intervallo di temperatura compreso tra -40 e +125 °C e con una tensione di alimentazione da +2,7 a +5,5 V.

MAX40056 ha un recupero del fronte PWM di 500 ns da 500 V/µs e fronti PWM più veloci. I dati di benchmark di MAX40056 e dei concorrenti mostrano una differenza significativa nell'immunità di modo comune PWM (Figura 6).

Figura 6: Un confronto tra soluzioni concorrenti utilizzando una reiezione del fronte PWM di un ciclo PWM da 50 V mostra che MAX40056 ha un chiaro vantaggio per quanto riguarda l'immunità ai transitori di modo comune PWM. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 6 l'uscita analogica del CSA MAX40056 mostra un leggero picco e si riprende entro 500 ns, mentre il dispositivo concorrente impiega circa 2 µs per riprendersi. L'ingresso di reiezione PWM brevettato da CSA sopprime i transitori e fornisce una misurazione pulita del segnale differenziale.

Conclusione

Impresa 4.0 e l'IIoT enfatizzano entrambi livelli più elevati di efficienza produttiva e di affidabilità che devono arrivare fino al livello dei singoli motori. Trovare progetti di circuiti adatti per la costruzione di un sistema di comando motore c.a. per velocità e coppia per garantire stabilità, affidabilità ed efficienza energetica può essere complicato.

Come illustrato, un sensore di corrente del motore in linea con un amplificatore ideale fornisce informazioni reali sulla fase di corrente. Con questo approccio (e utilizzando il CSA bidirezionale MAX40056 con reiezione PWM), i progettisti possono configurare un sistema motore trifase che misuri con precisione la coppia e la velocità in un sistema motore c.a. trifase, garantendo efficienza, affidabilità e stabilità del motore.