Измервания при индустриалните задвижвания

Управлението на индустриалните задвижвания включва широк спектър от приложения – като се почне от управление на отделни инверторни вентилатори или помпи, мине се през автоматизация на производството, изискваща по-сложно управление на променливотоковите задвижвания, и се стигне до усъвършенствани комплексни системи с използване на роботи и сервоуправления.

Всички тези системи изискват датчици и обратни връзки, които да следят множество променливи като тока или напрежението в статорните намотки на двигателя, в междинната постояннотокова шина, позицията на ротора и скоростта.

Изборът на контролираните величини и необходимата точност на измерването им зависят от изискванията на крайното звено, което ще ползва тези данни, от архитектурата или сложността на цялата система, от планираните разходи за нейното изграждане.

Заедно с тях трябва да се отчетат и допълнителните функции, като например следенето на ред други технически параметри. Тъй като е установено, че двигателите потребяват 40% от енергията в света, в международните нормативни документи се отделя все по-голямо внимание на ефективността на системите във всички производствени сфери, където се ползват задвижвания.

Поради това, става все по-важно да се следят гореизброените величини, особено тока и напрежението. С оглед на тяхното измерване са възможни различни схемни решения за преобразуване и подвеждане на сигнали при управлението на двигателите – в зависимост от избора на сензорен елемент, от изискванията за галванична изолация, от избора на аналогово-цифров преобразувател (АЦП), компановката на системата и от надеждното отделяне на захранващите от заземителните линии.

Спектър от приложения на индустриалните задвижвания
При всички приложения на управлението на двигатели системата включва силова част и процесор, който командва широчинно-импулсен модулатор и ползва за целта подаваните по обратните връзки данни от датчици на различни нива. С придвижването към горния край на спектъра, когато сложността на системите за управление нараства, последните се нуждаят от прецизни обратни връзки и бързи комуникационни интерфейси.

Примери в това отношение са както векторното управление, със или без датчик, на асинхронни двигатели или на двигатели с постоянни магнити, така и високомощните индустриални задвижвания с много добър КПД, използвани например за големи помпи, вентилатори и компресори.

В най-горната част на спектъра се намират сервозадвижванията, използвани в роботиката, металорежещите машини и подемно-транспортната техника. Колкото по-сложна става една система, толкова по-важно е отчитането на ред величини и подаването им по обратните връзки.

Архитектура на системите за управление на задвижвания
При проектирането на такива системи има редица трудности, които зависят от конкретните условия на задачата. От критична важност са изискванията за галванична изолация и обикновено те оказват съществено влияние върху схемното решение и архитектурата на системата като цяло.

Трябва да се обмислят двата основни въпроса: защо да се изолира и къде да се изолира. Отговорът на първия въпрос ще определи класа на изолацията, която трябва да се използва. Може да се изисква високоволтова защитна изолация, която да предпазва човека, функционална изолация за преход от едно безопасно ниво на напрежение към друго, или изолация за запазване целостта на данните от шумове.

Отговорът на другия въпрос, къде да се изолира, често зависи от характеристиките на средата, в която ще работи системата. В общия случай управлението на двигатели се налага да се осъществява в агресивна среда с висока степен на електромагнитна зашуменост, в която електрониката обикновено е подложена на големи синфазни смущения от по няколкостотин волта, като те могат да се комутират с честота повече от 20 kHz, а напрежението да нараства стръмно за много кратко време dV/dt.

Поради тази причина, и системите с по-голямо бързодействие, и системите, работещи с по-големи мощности, които поначало са по-шумни, обикновено се проектират с галванично разделяне между силовата и управляващата част. Дали в проекта ще се ползват един или два процесора, също може да окаже влияние върху това, откъде ще мине галваничната бариера.

В системи, които са и с по-ниско бързодействие, и управляват по-малки мощности, обикновено се изолира комуникационният интерфейс, което значи, че силовата и управляващата част са на един и същи потенциал. Колкото по-опростена е системата, толкова е по-тясна лентата на нейния комуникационен интерфейс, т.е. толкова по-малко данни трябва да се пропускат, което също влияе на избора на средствата за галванично разделяне.

Методи на измерване и начини за отчитане на тока и напрежението
Начините за снемане на сигнала на тока и напрежението зависят от избора на сензорния елемент, от изискванията за галванична изолация, от избора на АЦП, от компановката на системата и също така от надеждното отделяне на захранващите от заземителните линии, както вече беше споменато. Преобразуването на сигнала, осигуряващо измерване с висока точност, също не е лесна задача.

Предизвикателство е например да се извлекат данни от малък сигнал, или пък да се предават цифрови сигнали в толкова шумна среда, но още по-трудно е изолирането на аналогов сигнал. В много случаи схемните решения за галванично разделяне на сигналите водят до фазови разлики, които ограничават динамичните характеристики на системата за управление.

Особено сложно е снемането на сигнала за фазните токове, защото елементът, с който това се осъществява, се намира в същата част от системата, където е и изходното стъпало за управление на гейтовете на транзисторите, т.е. в сърцето на силовата част (в инверторния блок), и трябва да издържа на същите пределно допустими напрежения и преходни процеси.

През колко и какви звена ще мине измерваният сигнал (съответно, изборът на метод на измерване, на преобразуването на сигнала и на АЦП) в конкретната система за управление на двигатели зависи от три ключови фактора: 
• от коя точка или от кой възел в системата идва сигналът – т.е. какво точно трябва да се измери;
• мощността на двигателя и произтичащия от това избор на датчик - такъв, който е галванично разделен от измерваната величина, или такъв, който не е. Този избор от своя страна, влияе съществено и на избора на АЦП, по отношение на неговия начин на преобразуване, функционалните му възможности и допустимия диапазон на аналоговия му вход;
• крайния резултат, който се очаква от работата на системата. От това може да се породи необходимостта от по-висока разделителна способност, точност или скорост на предаване на сигнала. Ако скоростта може да се изменя в широк диапазон и няма обратна връзка, която да я следи, ще се наложи да се правят повече измервания, през по-кратък интервал от време и с по-висока точност. Очакваният краен резултат оказва влияние и върху функционалните възможности, с които трябва да разполага АЦП. За управление въртенето на повече оси, например, ще е нужно и АЦП с повече входни канали.

Сензорни елементи за ток и напрежение
Най-широко използваните сензорни елементи за измерването на тока при управлението на двигатели са шунтовите резистори, датчиците на Хол и токовите трансформатори.

Макар и шунтовете да не осигуряват галванично разделяне и да водят до загуби при големи токове, те са с най-голяма линейност в сравнение с другите елементи, най-евтини са и са подходящи за измерване както на променлив, така и на прав ток. За да се ограничат загубите, се налагат ограничения и на максимално допустимия ток, което прави шунтовете използваеми за измерването на ток не по-голям от 50 A.

Токовите трансформатори и датчиците на Хол са галванично изолирани от тока, който измерват, и това позволява да бъдат използвани в системи с големи токове. Но от друга страна те са по-скъпи и по-неточни за случаите, при които може да се ползва шунт. Последното се дължи или на изначално по-ниската им точност, или на влошаването - при изменение на температурата.

Измерване на токове в системата за управление на двигателя
Като оставим настрана вида на сензорния елемент, в системата за управление на двигателя има няколко възможни места, където токът може да се измерва. Това може да бъде например междинната постояннотокова шина на инвертора, като средната стойност на тока, протичащ през нея, може да се ползва за контролни цели. Но в по-сложните задвижвания се мери токът в статорните намотки на двигателя и именно тази величина е основната обратна връзка за управлението.

Прякото измерване на тока във фазните статорни намотки е идеалният вариант, който се ползва в системите с високи качествени характеристики. Но този ток в намотките може да се мери и непряко, с шунтови съпротивления във всеки един от изводите на инвертора, или само с един шунт в постояннотоковата му шина.

Предимство на непреките методи е, че сигналите от шунтовите съпротивления се отчитат спрямо земята на захранването. Когато обаче сигналът се сваля от шунт в постояннотоковата шина, измерването трябва да се синхронизира с такта на широчинно-импулсната модулация. Прякото измерване на тока във фазните статорни намотки може да се прави с всеки от споменатите сензорни елементи, но ако се ползват шунтове, сигналите от тях трябва да бъдат галванично разделени.

Един усилвател с висок коефициент на потискане на синфазните сигнали може да осигури функционалното разделяне, но за да може изолацията достатъчно надеждно да предпазва и хората, трябва да се ползва усилвател или преобразувател с вградена галванична бариера.

Надеждното отделяне на захранващите от заземителните линии ще предопредели и класа на необходимата изолация, а от нея ще зависи какви ще са подходящите варианти за обратните връзки. При избора на сензорен елемент или на метод за измерване ще окажат влияние и експлоатационните характеристики, които се очаква да има системата. Съобразно тях, могат да се реализират множество конфигурации.

Преминаване от датчици на Хол към шунтови резистори
Шунтовите съпротивления в съчетание със сигма-делта преобразуватели осигуряват най-високо качество на обратната връзка по ток, стига токовете да са достатъчно малки, че да могат да се ползват шунтове.

Вече е трайна тенденция разработчиците на такива системи да преминават от датчици на Хол към шунтови съпротивления, като паралелно с това те все повече предпочитат преобразувателите с вградена галванична бариера пред усилвателите. Смяната на сензорния елемент от само себе си води до по-ниски разходи – за набавяне на пълния списък от компоненти и за изработване на платката, а така също и до по-висока точност на измерването.

Шунтът не се влияе от електромагнитни смущения и от механични вибрации. Доста често, когато заменят датчика на Хол с шунтов резистор, разработчиците могат да решат след шунта да ползват усилвател с вградена галванична бариера и да запазят АЦП, който е бил в схемата и преди замяната, с цел да се сведат до минимум измененията по трасето на измервания сигнал.

Това обаче, както беше вече споменато, ще ограничи качеството на преобразуване на сигнала според ограниченията в характеристиките на усилвателя с вградената бариера, без значение колко висококачествен е наличният АЦП.

Ако се заменят и този усилвател, и досегашният АЦП, с един сигма-делта АЦП с вградена галванична бариера, ще се премахне звеното, което ограничава качествения скок, и точността на данните от обратната връзка ще се подобри значително – от 9- до 10-битова до 12-битова.

Има възможност да се премахне от схемата и звеното за защита от свръхтокове (ЗСТ), тъй като цифровият филтър, който и без това се ползва за формирането на крайния резултат в сигма-делта преобразувателя, може да се настрои подходящо и да служи като бърза обратна връзка за ЗСТ. Ето защо при формирането на пълния списък с компоненти, трябва да се има предвид не само отпадането на обикновения усилвател с галваничната бариера, на предишния АЦП, на всички свързващи елементи между тях, но също така и на елементите, предвидени за ЗСТ.