산업용 모션 제어는 인버터- 기반 팬 또는 펌프 제어부터 보다 정교한 AC 드라이브 제어를 사용하는 공장 자동화, 복잡한 서보 제어를 사용하는 로봇과 같은 고급 자동화 애플리케이션에 이르기까지 광범위한 애플리케이션을 포괄합니다. 이러한 시스템은 모터 권선 전류 또는 전압, DC 버스 전류 또는 전압, 회전자 위치 및 속도와 같은 다양한 변수를 감지하고 피드백해야 합니다. 변수 선택과 필요한 측정 정확도는 최종{3}}애플리케이션 요구사항, 시스템 아키텍처, 대상 시스템 비용 또는 시스템 복잡성에 따라 달라집니다. 상태 모니터링과 같은 부가 가치 기능과 같은 다른 고려 사항도 있습니다.- 전기 모터가 전 세계 전력의 40%를 소비하는 것으로 알려지면서 국제 규정에 따라 산업용 모션 애플리케이션 전반에 걸쳐 시스템 효율성에 대한 초점이 높아졌습니다(그림 1 참조).
그림 1. 산업용 드라이브 애플리케이션 범위
다양한 모터 제어 신호 체인 토폴로지의 전류 및 전압 감지 기술은 모터 전력 정격, 시스템 성능 요구 사항 및 최종 애플리케이션에 따라 다릅니다. 이 경우 모터 제어 신호 체인 구현은 센서 선택, 전류 절연 요구 사항, ADC 선택, 시스템 통합 및 시스템 전원/접지 분할에 따라 달라집니다. 절연 요구 사항은 일반적으로 최종 회로 토폴로지 및 아키텍처에 큰 영향을 미치지만, 이 문서에서는 보다 효율적인 모터 제어 시스템을 달성하기 위해 전류 감지 측정(영향 요인 중 하나)을 개선하는 데 중점을 둡니다.
I 및 V 측정
일반화된 모터 제어 신호 체인은 그림 2에 나와 있습니다. 높은-충실도 측정을 달성하기 위한 신호 컨디셔닝은 쉬운 작업이 아닙니다. 위상 전류 감지는 특히 까다롭습니다. 이 노드는 인버터 모듈 코어 내의 게이트 드라이버 출력과 동일한 회로 노드에 연결되어 있으므로 전압 절연 및 스위칭 과도 현상 처리 측면에서 요구 사항이 동일하기 때문입니다.
그림 2. 일반화된 모터 제어 신호 체인
모터 제어에 가장 일반적으로 사용되는 전류 센서는 션트 저항기, HES(홀 효과 센서) 및 CT(전류 변환기)입니다. 션트 저항기는 절연 기능을 제공하지 않고 손실이 발생하지만 모든 센서 중에서 가장 선형적이고 비용이 가장 낮으며 AC 및 DC 측정 모두에 적합합니다. 션트 전력 손실을 제한하는 데 필요한 감소된 신호 레벨은 일반적으로 션트 애플리케이션을 50A 이하로 제한합니다. CT와 HES는 고유한 절연 기능을 제공하므로 고전류 시스템에 사용할 수 있지만 초기 정확도나 온도 정확도가 좋지 않아 비용이 더 많이 들고 션트 저항기로 달성할 수 있는 솔루션보다 정확도가 떨어집니다. 센서 유형 외에도 선택할 수 있는 여러 모터 전류 측정 노드가 있습니다(그림 3 참조). 직접 동위상 권선 측정은 최고 성능 시스템에 이상적인 선택입니다.
그림 3. 절연 및 비절연-모터 전류 피드백
모터 전류를 감지하기 위한 많은 토폴로지와 비용, 전력 소비, 성능 수준 등 고려해야 할 많은 요소가 있지만 대부분의 시스템 설계자의 주요 목표는 비용 목표 내에서 효율성을 향상시키는 것입니다.
HES에서 션트 저항기까지
분로 저항기는 최고 품질의 전류 피드백(충분히 낮은 전류 레벨)을 제공하기 위해 절연된 시그마{0}}델타(Σ{1}}Δ) 변조기에 결합됩니다. 시스템 설계자가 HES에서 션트 저항기로 이동하는 추세가 뚜렷하고, 절연 증폭기 방식이 아닌 절연 변조기로 이동하는 또 다른 추세가 있습니다. 시스템 설계자가 HES를 션트 저항기로 교체할 때 절연 증폭기를 선택하고 이전에 HES- 기반 설계에 사용되었던 ADC를 계속 사용하는 경우가 많습니다. 이 경우 아날로그-에서-디지털 성능에 관계없이 절연 증폭기에 의해 성능이 제한됩니다.
절연 증폭기와 ADC를 절연 시그마{0}}델타 변조기로 교체하면 성능 병목 현상이 제거되고 설계가 크게 개선됩니다. 일반적으로 9-비트에서 10비트 질량 피드백을 12비트 레벨로 변경합니다. 시그마-델타 변조기 출력을 처리하는 데 필요한 디지털 필터를 빠른 OCP 루프를 활성화하도록 구성할 수도 있으므로 아날로그 OCP(과전류 보호 회로)도 제거할 수 있습니다.
사용 가능한 Σ-Δ 변조기의 차동 입력 범위는 ±250mV일 수 있으며, 여기서 ±320mV 풀 스케일은 OCP에 사용되며 저항 션트 측정에 이상적입니다. 아날로그 입력은 아날로그 변조기에 의해 지속적으로 샘플링되며 입력 정보는 최대 20MHz의 데이터 속도로 디지털 출력 스트림에 포함됩니다. 원시 정보는 적절한 디지털 필터를 사용하여 재구성될 수 있습니다. 변환 성능은 대역폭이나 필터 뱅크 지연과 균형을 이룰 수 있으므로 더 거칠고 빠른 필터는 IGBT 보호에 이상적인 2μs 정도의 빠른 응답 OCP를 제공할 수 있습니다.
션트 저항기 크기 줄이기
신호 측정 관점에서 션트 저항기 선택에는 감도와 전력 소비 간에 상충 관계가 있기 때문에 몇 가지 주요 과제가 있습니다.{0}} 자체 발열 효과로 인한 비선형성도 더 높은 값의 저항기를 사용할 때 문제가 됩니다. 설계자는 서로 다른 전류 수준에서 많은 모델과 모터를 제공하기 위해 션트 크기를 선택해야 한다는 사실로 인해 더욱 악화되는 절충안(trade off)에 직면합니다. 모터 정격 전류의 여러 배가 될 수 있는 피크 전류와 두 가지 모두를 안정적으로 포착해야 하는 상황에서 동적 범위를 유지하는 것은 어려운 일입니다.
이러한 문제에 직면한 시스템 설계자는 더 넓은 동적 범위 또는 향상된 신호-대-잡음 및 왜곡 비율(SINAD)을 갖춘 우수한 시그마{0}델타 변조기를 찾고 있습니다. 현재까지 절연형 Σ-Δ 변조기 제품은 16비트 분해능과 최대 12유효 비트(ENOB)로 성능을 보장했습니다.
그림 4. AD7403은 고성능-2차-차 시그마-델타 변조기입니다.고성능 절연 시그마 델타 변조기
고성능-절연 시그마-델타 변조기는 산업용 모터 제어 설계의 광범위한 요구 사항을 지원하고 션트 저항기 크기를 줄여 모터 드라이브의 전력 효율성을 향상시킵니다. 업계 사례로 ADI의 AD7403 변조기가 있습니다(그림 4 참조). 이는 AD7401A의 차세대 제품으로 20MHz의 동일한 외부 클록 속도에서 더 넓은 동적 범위를 제공합니다. 이를 통해 보다 유연한 션트 크기 옵션을 허용하고 더 높은 전류 레벨에서 HES 대신 션트 저항기를 사용할 수 있습니다. 칩의 ENOB는 일반적으로 14.2비트입니다. 측정 지연을 줄이면 동적 응답도 향상될 수 있습니다. 또한 이 장치는 이전 제품보다 더 높은 전압-연속 작동(VIORM)(VIORM)을 갖춘 절연 방식을 갖추고 있어 더 높은 DC 버스 전압과 더 낮은 전류를 통해 시스템 효율성을 향상시킵니다.