산업 모션 제어는 인버터 기반 팬 또는 펌프 제어에서보다 정교한 AC 드라이브 컨트롤 기능을 갖춘 공장 자동화, 복잡한 서보 컨트롤이있는 로봇 공학과 같은 고급 자동화 애플리케이션에 이르기까지 광범위한 응용 프로그램을 포함합니다. 이 시스템은 모터 와인딩 전류 또는 전압, DC 버스 전류 또는 전압, 로터 위치 및 속도와 같은 많은 변수의 탐지 및 피드백이 필요합니다. 변수 선택 및 필요한 측정 정확도는 최종 응용 프로그램 요구 사항, 시스템 아키텍처, 대상 시스템 비용 또는 시스템 복잡성 및 조건 모니터링과 같은 부가가치 기능과 같은 기타 고려 사항에 따라 다릅니다. 모터가 전 세계 에너지의 40%를 소비 한 것으로 알려진 국제 규정은 산업 운동 응용 분야의 시스템 효율성에 대한 초점을 높여서 이러한 변수, 특히 전류 및 전압의 중요성을 높였습니다.
이 논문은 모터 파워 등급, 시스템 성능 요구 사항 및 최종 응용 프로그램을 기반으로 다양한 모터 제어 신호 체인 토폴로지에서 전류 및 전압 감지에 중점을 둡니다. 이 경우, 모터 제어 신호 체인 구현은 센서 선택, 전류 격리 요구 사항, ADC (Anvog-to-Digital Converter) 선택, 시스템 통합 및 시스템 전원 및 접지 파티셔닝에 따라 다릅니다.
산업 드라이브 응용 프로그램의 범위
모터 제어 애플리케이션은 간단한 인버터에서 복잡한 서보 드라이브에 이르기까지 다양하지만 모두 다양한 수준의 탐지 및 피드백을 갖춘 펄스 폭 변조기 (PWM) 모듈을 구동하는 전원 단계 및 프로세서가 포함 된 모터 제어 시스템이 포함됩니다. 응용 분야의 범위에 대한 단순화 된 견해는 그림 1에 나와 있으며, 펌프, 팬 및 압축기와 같은 간단한 제어 시스템에서 간단한 마이크로 프로세서 만 사용하여 정확한 피드백없이 구현할 수있는 시스템에 이르기까지 왼쪽에서 오른쪽으로 이동함에 따라 점점 더 복잡해지는 시스템을 보여줍니다. 시스템 복잡성이 스펙트럼의 더 높은 끝을 향해 증가함에 따라 복잡한 제어 시스템은 정확한 피드백과 빠른 통신 인터페이스를 필요로합니다. 예를 들어, 유도 또는 영구 자석 모터의 센서 또는 센서리스 벡터 제어뿐만 아니라 그림 1에 표시된 대형 펌프, 팬 및 압축기와 같은 효율성을 위해 설계된 고출력 산업 드라이브가 포함됩니다. 스펙트럼의 상단 끝에서 정교한 서보 드라이브는 로봇 공학, 공작 기계 및 픽 앤 플레이스 마이클과 같은 응용 프로그램에 사용됩니다. 시스템이 더욱 복잡해지면 변수의 감지와 피드백이 더욱 중요 해집니다.
그림 1. 산업 드라이브 응용 분야의 정렬.
구동 아키텍처 - 시스템 파티셔닝
산업 모션 제어에서 광범위한 응용 프로그램을 해결하기 위해 시스템 설계에 많은 어려움이 있습니다. 범용 모터 제어 신호 체인은 그림 2에 나와 있습니다.
그림 2. 일반화 된 모터 제어 신호 체인
주요 문제는 격리 요구 사항으로, 종종 최종 회로 토폴로지 및 아키텍처에 중대한 영향을 미칩니다. 고려해야 할 두 가지 주요 요소가 있습니다 : 왜 격리와 분리 위치.
고립의 분류는 전자에 의해 결정됩니다. 요구 사항은 인공 전기 충격으로부터 보호하기 위해 고전압 안전 분리 (SELV) 또는 치명적이지 않은 전압 사이의 레벨 이동 또는 데이터 무결성 및 노이즈 완화 목적으로 분리를위한 기능적 분리가 될 수 있습니다. 분리의 위치는 일반적으로 예상 시스템 성능에 의해 결정됩니다. 모터 제어는 일반적으로 가혹한 전기적으로 시끄러운 환경이며, 설계는 일반적으로 수백 볼트의 큰 공통 모드 전압을 만날 수 있으며, 아마도 20kHz를 초과하는 주파수에서 전환 할 수 있으며, 매우 높은 과도 DV/DT 상승 시간. 이러한 이유로, 고성능 시스템과 고전력이 본질적으로 시끄러운 시스템에서 제어 단계에서 전력 단계를 분리하는 것이 일반적입니다. 디자인이 단일 프로세서 또는 듀얼 프로세서 접근법을 사용하는지 여부는 격리 위치에도 영향을 미칩니다. 전력 소비가 낮은 성능 시스템에서는 분리가 일반적으로 디지털 통신 인터페이스에 있습니다. 이는 전력 및 제어 단계가 동일한 잠재력을 갖습니다. 로우 엔드 시스템은 분리를위한 대역폭 통신 인터페이스가 낮습니다. 전통적으로, 고급 시스템에서 통신 인터페이스를 분리하는 것은 전통적인 분리 기술에 필요한 높은 대역폭과 한계로 인해 어려움을 겪고 있지만, 이는 자기 분리 된 캔 및 RS -485 트랜시버 제품의 출현으로 변화하고 있습니다.
고성능 폐쇄 루프 모터 제어 설계의 두 가지 주요 요소는 PWM 변조기 출력 및 모터 위상 전류 피드백입니다. 그림 3A와 3B는 제어 단계가 전력 단계와 동일한 잠재력을 공유하는지 또는 접지로 참조되는지에 따라 안전한 분리가 필요한 곳을 보여줍니다. 두 경우 모두, 고급 게이트 드라이버 및 전류 감지 노드의 분리가 필요하지만, 다른 수준의 분리에서는 그림 3A에서는 이들 노드의 기능적 격리 만 필요하지만, 이들 노드의 물리적 안전 (IE 전류) 분리는 중요하다.
그림 3A. 참조로서 전원 단계가있는 제어 단계
전류 및 전압 감지를위한 측정 기술 및 토폴로지
전류 및 전압 감지에 대한 신호 체인 구현은 트랜스 듀서 선택, 전류 분리 요구 사항, ADC 선택 및 시스템 통합뿐만 아니라 앞에서 설명한 시스템 전력 및 접지 파티셔닝에 따라 다릅니다. 고 충실도 측정을위한 신호 조절 실현은 쉬운 일이 아닙니다. 예를 들어, 이러한 시끄러운 환경에서 작은 신호를 복구하거나 디지털 신호를 전송하는 것은 어려운 일이지만 아날로그 신호를 분리하는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 많은 경우에, 신호 분리 회로는 시스템 동적 성능을 제한 할 수있는 위상 지연을 유발합니다. 이 노드는 전력 단계 중심 (인버터 모듈) 내의 게이트 드라이버 출력과 동일한 회로 노드에 연결되어 있기 때문에 위상 전류 감지는 특히 도전적입니다. 따라서 전압을 분리하고 전환 과도를 전환하는 데있어 동일한 요구 사항이 있습니다. 모터 제어 시스템에서 구현할 측정 신호 체인 (기술, 신호 조절 및 ADC)을 결정하는 것은 세 가지 주요 요소에 따라 다릅니다.
시스템의 포인트 또는 노드는 측정해야 할 사항을 결정합니다.
모터의 전력 레벨 및 결과 센서 선택 - 본질적으로 분리 여부에 관계없이. 센서의 선택은 변환기 아키텍처, 기능 및 아날로그 입력 범위를 포함하여 ADC 선택에 큰 영향을 미칩니다.
최종 응용 프로그램. 이로 인해 감지 신호 체인의 고해상도, 높은 정확도 또는 속도가 필요할 수 있습니다. 예를 들어, 더 넓은 속도 범위에 대한 감각없는 제어를 구현하려면 더 많은 측정 값이 더 자주 그리고 더 높은 정확도가 필요합니다. 최종 응용 프로그램은 또한 ADC 기능의 필요성에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 다축 제어는 더 높은 채널 카운트 ADC가 필요할 수 있습니다.
전류 및 전압 센서
모터 제어에 사용되는 가장 일반적인 현재 센서는 분로 저항, 홀 효과 (HE) 센서 및 전류 변압기 (CTS)입니다. 션트 저항기는 분리를 제공하지 않고 더 높은 전류에서 손실을 일으키지 만, 모든 센서에서 가장 선형이며 비용이 가장 낮으며 AC 및 DC 측정에 적합합니다. 분로 전력 손실을 제한하는 데 필요한 감소 된 신호 레벨은 일반적으로 션트 응용 프로그램을 50A 이하로 제한합니다. CT와 HE 센서는 고전류 시스템을 제공 할 수있는 고유 한 분리를 제공하지만 센서 자체는 온도 범위에 비해 초기 정확도가 좋지 않거나 정확도가 좋지 않기 때문에 션트 저항으로 달성 할 수있는 것보다 덜 정확한 솔루션을 초래합니다.
모터 전류 측정 위치 및 토폴로지
센서 유형 외에도 여러 모터 전류 측정 노드를 사용할 수 있습니다. 평균 DC 버스 전류는 제어 목적으로 사용될 수 있지만보다 고급 드라이브에서는 모터 와인딩 전류가 주요 피드백 변수로 사용됩니다. 직접 위상 와인딩 전류 측정은 고성능 시스템에 이상적입니다. 그러나, 권선 전류는 각 하부 인버터 분기 또는 DC 버스의 단일 분로를 사용하여 간접적으로 측정 할 수 있습니다. 이러한 방법은 분로 신호가 모두 공통 전원 공급 장치를 참조한다는 이점이 있지만 DC 링크에서 와인딩 전류를 추출하려면 샘플을 PWM 스위치에 동기화해야합니다. 직접 위상 와인딩 전류 측정은 위의 전류 감지 기술 중 하나를 사용하여 수행 할 수 있지만 분로 저항 신호를 분리해야합니다. 높은 공통 모드 증폭기는 기능적 격리를 제공 할 수 있지만, 분리 증폭기 또는 분리 변조기에 의해 인간 안전 분리를 제공해야합니다.
그림 4는 위에서 설명한 다양한 현재 피드백 옵션을 보여줍니다. 제어 피드백에는 이러한 옵션 중 하나만 필요하지만 DC 버스 전류 신호는 보호를위한 백업 신호로 사용할 수 있습니다.
그림 4. 분리 및 비 분리 운동 전류 피드백
앞에서 언급했듯이 시스템 전원 및 지상 파티셔닝은 필요한 격리 분류 및 따라서 어떤 피드백 옵션이 적절한지를 결정합니다. 시스템 목표 성능은 또한 센서 또는 측정 기술의 선택에 영향을 미칩니다. 성능 범위 내에서 실현 될 수있는 많은 구성이 있습니다.
성능 저하의 예 : 공통 잠재력, 탐지 옵션 A 또는 B에 대한 전력 및 제어 단계
다리 분로를 사용하는 것이 가장 경제적 인 것 중 하나입니다테모터 전류를 측정하는 시크. 이 예에서는 파워 스테이지가 동일한 포텐을 공유하는 곳티Al 제어 단계로서, 공통 모드를 처리 할 공통 모드가 없으며 옵션 A 또는 B의 출력은 신호 컨디셔닝 회로 및 ADC에 직접 연결할 수 있습니다. 이 유형의 토폴로지는 일반적으로 저전력과 낮은 PE에서 발견됩니다.RF마이크로 프로세서에 내장 된 ADC가있는 Ormance 시스템.
더 높은 성능 예 : 지구에 연결된 제어 단계, 감지 옵션 C, D 또는 E
이 예에서는 인간 안전 분리가 필요합니다. 감지 옵션 C, D 및 E가 모두 가능합니다. 옵션 E는 최고 품질의 전류 피드를 제공합니다AC세 가지 옵션 중 k, 더 높은 성능 시스템이기 때문에FPGA또는 분리 된 변조기 신호에 디지털 필터를 제공 할 수있는 시스템의 다른 형태의 처리. 옵션 C의 ADC 선택 인 분리 된 센서 (아마도 폐쇄 루프 HE)는 전통적으로 임베디드 ADC 오퍼링을 통해 가능한보다 높은 성능을 달성하기 위해 불연속적입니다. 옵션 D는 안전 분리가 필요 하므로이 구성에서 분리 된 증폭기입니다. 분리 된 증폭기는 성능을 제한하므로 내장 된 ADC 솔루션으로 충분할 수 있습니다. 이는 옵션 C 또는 E와 비교하여 가장 충실도 전류 피드백을 제공 할 것이며, 임베디드 ADC는 "무료"로 인식 될 수 있고 격리 된 앰프는 잠재적으로 "저렴한"으로 인식 될 수 있지만, 구현은 일반적으로 오프셋 보상을위한 추가 구성 요소와 ADC 입력 범위에 대한 레벨 이동을위한 추가 구성 요소가 필요하므로 전체 신호 체인 비용이 증가합니다.
모터 제어 설계에 사용될 수있는 많은 토폴로지가 있습니다.Rs비용, 전력 수준 및 성능 수준과 같은 고려합니다. 대부분의 시스템 설계자의 주요 목표는 비용 목표 내에서 효율성을 향상시키기 위해 현재 감각 피드백을 개선하는 것입니다. 고급 애플리케이션의 경우 현재 피드백은 효율성뿐만 아니라 동적 응답, 음향 노이즈 또는 토크 리플과 같은 다른 시스템 성능 측정에 중요합니다. 낮은 AC에서 높은 AC에서 높은 성능이 연속적임이 분명합니다.로스S 다양한 토폴로지 AV일체 포함LABLE 및 이것은 그림 5에 거칠게 매핑되어 더 낮은 전력 및 고급 전력 옵션을 모두 보여줍니다.
그림 5. 현재 탐지 토폴로지 성능 범위
모터 제어 시스템 설계자의 목표, 요구 및 결과 트렌드 : HE 센서에서 션트 저항기로 마이그레이션
분리 된 시그마 델타 변조기에 결합 된 션트 저항기는 전류 레벨이 션트 사용에 충분히 낮은 최고 품질의 전류 피드백을 제공합니다. 시스템 설계자들 사이에서 HE 센서에서 션트 저항기로 마이그레이션하는 중대한 경향이 있으며, 분리 된 증폭기 접근 방식보다는 분리 된 변조기 접근법으로 이동하는 또 다른 경향이 있습니다. 센서 만 교체하면 재료 청구서 (BOM) 및 PCB 삽입 비용이 줄어들고 센서 정확도를 향상시킵니다. 분로 저항기는 자기장 또는 기계적 진동에 민감하지 않습니다. 종종 HE 센서를 션트 저항기로 대체하는 시스템 설계자는 분리 증폭기를 선택할 수 있으며 Signal Chain의 변동 수준을 제한하기 위해 HE 센서 기반 설계에 이전에 사용 된 ADC를 계속 사용할 수 있습니다. 그러나, 앞에서 언급했듯이, 분리 증폭기의 성능은 ADC 성능에 관계없이 제한 될 것이다.
분리 증폭기 및 ADC를 분리 된 Sigma-Delta 변조기로 추가로 교체하면 성능 병목 현상을 제거하고 설계를 크게 향상시켜 9-} 비트 품질 피드백으로 12- 비트 레벨로 변경합니다. 시그마 델타 변조기 출력을 처리하는 데 필요한 디지털 필터를 빠른 OCP 루프를 활성화하도록 구성 할 수 있으므로 아날로그 과전류 보호 (OCP) 회로도 제거 할 수 있습니다. 따라서, 모든 BOM 분석에는 분리 증폭기, 원시 ADC 및 이들 사이의 신호 조절뿐만 아니라 제거 될 수있는 OCP 장치가 포함되어야한다. 아날로그 입력은 아날로그 변조기에 의해 지속적으로 샘플링되며 입력 정보는 최대 20 MHz 데이터 속도의 밀도로 디지털 출력 스트림에 포함됩니다. 원시 정보는 정밀 전류 측정을 위해 적절한 디지털 필터, 일반적으로 Sinc.®3으로 재구성 될 수 있습니다. 전환 성능은 대역폭 또는 필터 뱅크 지연에 대해 거래 될 수 있으므로 더 거칠고 빠른 필터는 2 μs의 순서로 빠른 응답 OCP를 제공 할 수 있으며 IGBT 보호에 이상적입니다.
션트 저항기 크기 감소가 필요합니다
신호 측정 측면에서 감도와 전력 소비 사이에 상충 관계가 있기 때문에 션트 저항 선택에 몇 가지 주요 과제가 있습니다. 더 큰 저항 값은 시그마 델타 변조기의 전체 범위 또는 가능한 많은 아날로그 입력 범위가 사용될 수 있으므로 동적 범위를 최대화 할 수 있습니다. 그러나, 더 큰 저항 값은 또한 I2 저항의 × r 손실로 인해 전압 감소 및 효율을 감소시킬 것이다. 더 큰 저항을 사용할 때는 자기 가열 효과를 통해 비선형 성을 달성하는 것이 어려울 수 있습니다. 결과적으로, 시스템 설계자는 트레이드 오프에 직면하게되며, 이는 다른 현재 수준에서 많은 모델과 모터를 제공 할 수있는 션트 크기를 선택 해야하는 일반적인 요구에 의해 더욱 악화됩니다. 동적 범위를 유지하는 것은 또한 모터의 정격 전류의 여러 배가 될 수있는 피크 전류에 직면하고 두 가지를 안정적으로 포착해야 할 필요성도 어려워집니다. 시스템이 켜질 때 피크 전류를 제어하는 기능은 설계에 따라 다르며, 단단히 제어 된 (예 : 공칭보다 30%)에서 공칭 공칭에 이르기까지 다양합니다. 피크 전류는 또한 가속 및 하중 또는 토크 변화로 인해 발생합니다. 그러나 구동 설계에서 시스템의 피크 전류는 일반적으로 공칭 전류의 4 배입니다.
이러한 과제에 직면 한 시스템 설계자들은 더 넓은 동적 범위 또는 개선 된 신호 대 잡음 및 왜곡 비율 (SINAD)을 가진 우수한 시그마 델타 변조기를 찾고 있습니다. 현재까지 분리 된 σ-Δ 변조기 제품은 16- 비트 해상도와 최대 12 개의 유효 비트 (ENOB)로 보장 된 성능을 제공했습니다.
sinad=(6.02 n + 1. 76) db 여기서 n=enob
저전력 운전자의 션트 저항으로 이동함에 따라 모터 드라이버 제조업체는 성능 및 비용 이유에 사용할 수있는 토폴로지 인 드라이버의 전력 등급을 높이고 자합니다. 이것은 훨씬 작은 션트 저항기를 사용 하여만 달성 될 수 있으며, 이는 신호 진폭을 해결하기 위해 고성능 변조기 코어의 출현이 필요합니다.
시스템 설계자, 특히 서보 디자이너는 또한 아날로그-디지털 전환 시간을 줄이거 나 분리 된 시그마 델타 변조기 및 분로 저항 토폴로지와 관련된 디지털 필터를 통해 그룹 지연을 줄임으로써 시스템 응답을 지속적으로 개선하려고 노력하고 있습니다. 앞에서 언급했듯이 전환 성능은 대역폭 또는 필터 그룹 지연에 대해 거래 될 수 있습니다. 거칠고 빠른 필터는 더 빠른 응답을 제공 할 수 있지만 성능을 희생시킬 수 있습니다. 시스템 설계자는 필터 길이 또는 추출 속도의 영향을 분석 한 다음 최종 응용 프로그램의 요구에 따라 트레이드 오프를 만듭니다. 변조기의 시계 속도를 높이면 도움이되지만 많은 디자이너가 이미 AD7401A에 허용되는 20MHz 최대 클록 속도에서 작동하고 있습니다. 시계 속도를 증가시키는 단점 중 하나는 방사선 및 간섭 (EMI) 효과의 가능성입니다. 동일한 시계 속도에서 고성능 변조기는 그룹 지연과 성능 트레이드 오프를 향상시켜 성능에 미치는 영향을 최소화하면서 응답 시간이 짧아집니다.