El control de movimiento industrial cubre una amplia gama de aplicaciones, desde el control de bombas o ventiladores basado en inversor- hasta la automatización de fábricas con controles de accionamiento de CA más sofisticados y aplicaciones de automatización avanzadas, como la robótica con servocontroles complejos. Estos sistemas requieren detección y retroalimentación de muchas variables, como la corriente o voltaje del devanado del motor, la corriente o voltaje del bus de CC, la posición y la velocidad del rotor. La selección de variables y la precisión de medición requerida depende de los-requisitos de la aplicación final, la arquitectura del sistema, el costo del sistema objetivo o la complejidad del sistema. Hay otras consideraciones, como funciones de valor-añadido, como el monitoreo de condición. Dado que, según se informa, los motores eléctricos consumen el 40% de la electricidad mundial, las regulaciones internacionales han aumentado el enfoque en la eficiencia del sistema en todas las aplicaciones de movimiento industrial (consulte la Figura 1).
Figura 1. Gama de aplicaciones de accionamientos industriales
Las técnicas de detección de corriente y voltaje en diversas topologías de cadenas de señales de control de motores varían según las potencias nominales del motor, los requisitos de rendimiento del sistema y la aplicación final. En este caso, la implementación de la cadena de señales de control del motor varía según la selección del sensor, los requisitos de aislamiento de corriente, la selección del ADC, la integración del sistema y la partición de alimentación/tierra del sistema. Si bien los requisitos de aislamiento suelen tener un impacto significativo en la topología y arquitectura del circuito final, este documento se centrará en mejorar las mediciones de detección de corriente (como uno de los factores que influyen) para lograr un sistema de control de motores más eficiente.
Mediciones I y V
La cadena de señales de control del motor generalizada se muestra en la Figura 2. El acondicionamiento de señales para lograr mediciones de alta-fidelidad no es una tarea fácil. La detección de corriente de fase es particularmente desafiante porque este nodo está conectado al mismo nodo de circuito que las salidas del controlador de puerta dentro del núcleo del módulo inversor y, por lo tanto, tiene los mismos requisitos en términos de aislamiento de voltajes y manejo de transitorios de conmutación.
Figura 2. Cadena de señales de control de motor generalizada
Los sensores de corriente más utilizados en el control de motores son las resistencias en derivación, los sensores de efecto Hall (HES) y los transformadores de corriente (CT). Aunque las resistencias en derivación no proporcionan aislamiento e incurren en pérdidas, son los más lineales de todos los sensores, tienen el costo más bajo y son adecuados para mediciones de CA y CC. El nivel de señal reducido requerido para limitar las pérdidas de energía en derivación generalmente limita las aplicaciones en derivación a 50 A o menos. Los CT y HES proporcionan un aislamiento inherente, lo que les permite servir a sistemas de alta corriente, pero son más costosos debido a una precisión inicial deficiente o una precisión de temperatura deficiente y dan como resultado soluciones menos precisas que las que se pueden lograr con resistencias en derivación. Además de los tipos de sensores, hay varios nodos de medición de corriente del motor para elegir (como se muestra en la Figura 3), siendo las mediciones directas del devanado en fase-la opción ideal para los sistemas de mayor rendimiento.
Figura 3. Retroalimentación de corriente del motor aislada y no-aislada
Existen muchas topologías para detectar la corriente del motor y muchos factores a considerar, como el costo, el consumo de energía y los niveles de rendimiento, pero un objetivo clave para la mayoría de los diseñadores de sistemas es mejorar la eficiencia dentro de sus objetivos de costos.
De HES a resistencias en derivación
Las resistencias de derivación están acopladas a moduladores sigma-delta (Σ-Δ) aislados para proporcionar retroalimentación de corriente de la más alta calidad (niveles de corriente lo suficientemente bajos). Existe una tendencia significativa entre los diseñadores de sistemas a pasar de HES a resistencias en derivación, y otra tendencia a pasar a moduladores aislados en lugar de métodos de amplificador aislado. A menudo, cuando los diseñadores de sistemas reemplazan los HES con resistencias en derivación, eligen amplificadores de aislamiento y continúan usando los ADC utilizados anteriormente en los diseños basados en HES-. en este caso, el rendimiento estará limitado por el amplificador de aislamiento, independientemente del rendimiento analógico-a-digital.
Reemplazar el amplificador aislado y el ADC con un modulador sigma-delta aislado eliminará el cuello de botella en el rendimiento y mejorará en gran medida el diseño, generalmente al cambiarlo de retroalimentación masiva de 9-bits a 10 bits a niveles de 12 bits. El circuito analógico de protección contra sobrecorriente (OCP) también se puede eliminar, ya que los filtros digitales necesarios para procesar las salidas del modulador sigma-delta también se pueden configurar para permitir bucles OCP rápidos.
Los moduladores Σ-Δ disponibles pueden tener un rango de entrada diferencial de ±250 mV, donde se utiliza ±320 mV de escala completa para OCP, ideal para mediciones de derivación resistiva. El modulador analógico muestrea continuamente las entradas analógicas y la información de entrada está contenida en un flujo de salida digital con una velocidad de datos de hasta 20 MHz. La información bruta se puede reconstruir con filtros digitales adecuados. Dado que el rendimiento de conversión se puede compensar con el ancho de banda o el retraso del banco de filtros, los filtros más gruesos y rápidos pueden proporcionar OCP de respuesta rápida del orden de 2 μs, ideal para la protección IGBT.
Reducción del tamaño de la resistencia de derivación
Desde la perspectiva de la medición de señales, existen algunos desafíos clave en la selección de resistencias de derivación, ya que existe una compensación-entre la sensibilidad y el consumo de energía. La no linealidad debida a los efectos de autocalentamiento-también es un desafío cuando se utilizan resistencias de mayor valor. Los diseñadores se enfrentan a compensaciones-que se ven exacerbadas aún más por el hecho de que a menudo es necesario seleccionar un tamaño de derivación para servir a muchos modelos y motores en diferentes niveles de corriente. Mantener el rango dinámico frente a corrientes máximas que pueden ser varias veces la corriente nominal del motor y la necesidad de capturar ambas de manera confiable es un desafío.
Ante estos desafíos, los diseñadores de sistemas buscan moduladores sigma-delta superiores con un rango dinámico más amplio o una relación señal-a-ruido y distorsión mejorada (SINAD). Hasta la fecha, los productos moduladores Σ-Δ aislados han ofrecido un rendimiento garantizado con una resolución de 16 bits y hasta 12 bits efectivos (ENOB).
Figura 4. El AD7403 es un modulador delta de segundo-orden sigma-de alto-rendimiento yModulador Sigma Delta aislado de alto rendimiento
Los moduladores sigma-delta aislados de mayor-rendimiento cubrirán una amplia gama de necesidades en diseños de control de motores industriales y mejorarán la eficiencia energética de los variadores de motor al reducir el tamaño de la resistencia de derivación. Un ejemplo de la industria es el modulador AD7403 de ADI (consulte la Figura 4). Es la próxima generación del AD7401A y ofrece un rango dinámico más amplio con la misma frecuencia de reloj externo de 20 MHz. Permite opciones de tamaño de derivación más flexibles y permite el uso de resistencias de derivación en lugar de HES en niveles de corriente más altos. El ENOB del chip suele ser de 14,2 bits. La respuesta dinámica también se puede mejorar reduciendo el retraso de la medición. El dispositivo también presenta un esquema de aislamiento con un voltaje-en-funcionamiento continuo-más alto (VIORM) que su predecesor, lo que mejora la eficiencia del sistema a través de voltajes de bus de CC más altos y corrientes más bajas.