Komponentenanforderungen für die intelligente Motorsteuerung
Bild 02: Abgebildet sind Komponentenlösungen, die in sechs Schlüsselbereichen einer intelligenten Motorsteuerungsanwendung ein höheres Leistungsniveau ermöglichen. (Quelle: Analog Devices Inc.; Grafik: etz)
Entwickler müssen sich darüber im Klaren sein, dass intelligente Motoranwendungen Lösungen auf Systemebene für mehrere Designbereiche in einer typischen Motorantriebssignalkette erfordern (Bild 2).
Die wichtigsten Bereiche, denen die Entwickler Vorrang einräumen müssen, sind Leistungselektronik, Bewegungssteuerung, Stromerfassung, Positionserfassung, Netzwerkschnittstellen und Überwachung des Maschinenzustands. Analog Devices bietet in jedem Bereich mehrere Bausteine an, die bei der Aktualisierung älterer Designs oder bei der Neuentwicklung berücksichtigt werden können.
Leistungselektronik
Die Leistungselektronik erleichtert die Leistungsumwandlung von Gleichstrom in pulsweitenmodulierte (PWM) Leistungseingänge in einem Motorantriebssystem.
Die Leistungsumwandlung in einem Motorantriebssystem beginnt mit der Hochspannungs-Gleichstromquelle, die in der Regel aus dem Wechselstromnetz umgewandelt wird. Wie Bild 2 zeigt, ist die Leistungselektronik mit einer dreiphasigen Halbbrückentopologie mit Mosfets aufgebaut. Die Gates der oberen Mosfets sind gegenüber Masse potentialfrei und benötigen einen isolierten Treiber. Eine geeignete Option ist der ADUM4122CRIZ von Analog Devices. Es handelt sich um einen isolierten Gate Driver, der bis zu 5 kV Effektivwertisolierung mitbringt. Das hohe Isolationsniveau wird durch die Kombination von Highspeed Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) und monolithischer Transformatortechnologie erreicht. Dieser Gate Driver verfügt über eine einstellbare Slew-Rate-Steuerung, die den Schaltleistungsverlust und die elektromagnetische Interferenz (EMI) minimiert. Dies ist wichtig, wenn Bauelemente aus Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC) verwendet werden, da diese eine höhere Schaltgeschwindigkeit aufweisen.
Die Source-Elemente der unteren Mosfets sind auf Masse bezogen und können mit dem LTC7060IMSE#WTRPBF von Analog Devices, einem 100-V-Halbbrückentreiber mit potentialfreier Masse, betrieben werden.
Die Ausgangsstufen sowohl der Low-Side- als auch der High-Side-Treiber sind potentialfrei und nicht mit Masse verbunden. Diese einzigartige doppelt potentialfreie Architektur macht die Gate-Treiberausgänge robust und unempfindlicher gegen Grundrauschen. Darüber hinaus verfügen die Geräte über einen adaptiven Durchschlagschutz mit programmierbarer Totzeit, um zu verhindern, dass beide Halbbrückenschaltungen gleichzeitig eingeschaltet werden.
Motion Controller
Der Motion Controller ist das Gehirn des gesamten Motorsteuerungssystems. Als zentraler Prozessor erzeugt er die PWM-Signale, die die Leistungselektronik steuern. Diese Signale basieren auf Befehlen von einer zentralen Steuerzentrale und Rückmeldungen vom Motor, wie Strom, Position und Temperatur. Die Steuerung gibt auf der Grundlage dieser Daten die Geschwindigkeit, die Richtung und das Drehmoment des Motors vor. Der Controller befindet sich oft an einem entfernten Ort und wird durch ein FPGA oder einen speziellen Prozessor implementiert. Er benötigt isolierte Kommunikationsverbindungen.
Zu diesem Zweck kann eine serielle Datenverbindungseinheit wie der ADM3067ETRZ-EP von Analog Devices verwendet werden. Dies ist ein ESD-geschützter Vollduplex-RS-485-Transceiver für 50 Mbit/s. Er ist so konfiguriert, dass er serielle Kommunikation mit hoher Bandbreite von den Positionsrückmeldesensoren zurück zur Motorsteuerung ermöglicht. Diese serielle Leitung ist gegen ESD bis zu ±12 kV geschützt und kann in einem Temperaturbereich von −55 °C bis 125 °C betrieben werden.
Strommessung
Die Stromrückführung vom Motor ist der wichtigste Rückkopplungsparameter für die Steuerung. Da die Stromrückkopplung die Gesamtsteuerungsbandbreite und das dynamische Verhalten des Motorsteuerungssystems bestimmt, muss der Rückkopplungsmechanismus sehr genau sein und eine hohe Bandbreite aufweisen, um eine präzise Motorsteuerung zu gewährleisten.
Es gibt zwei häufig verwendete Strommessverfahren:
- Bei Shunt-Messungen muss ein kleiner Widerstand oder Shunt in Reihe mit dem zu messenden Leiter geschaltet werden. Der differenzielle Spannungsabfall über dem Shunt wird dann gemessen, in der Regel mithilfe eines hochauflösenden Analog/Digital-Wandlers (ADC). Shunt-Strommessungen werden durch den Spannungsabfall und die Verlustleistung im Shunt-Widerstand begrenzt und sind auf Anwendungen mit niedrigen bis mittleren Strömen beschränkt.
- Bei der magnetischen Strommessung wird der Strom durch Auswertung des Magnetfelds in der Nähe des Leiters mittels berührungsloser anisotroper Magnetowiderstandsmessungen (AMR) gemessen. Der Widerstand der AMR-Vorrichtung, der sich mit dem Magnetfeld und damit dem Strom ändert, wird mit einer Widerstandsbrücke gemessen.
Bei der magnetischen Strommessung entfallen der Spannungsabfall und der daraus resultierende Leistungsverlust bei Shunt-Widerständen, wodurch sie sich besser für Hochstrommessungen eignet. Die Messung ist außerdem galvanisch vom gemessenen Leiter getrennt.
Für isolierte Strommessungen kann der ADUM7701-8BRIZ-RL von Analog Devices verwendet werden. Hierbei handelt es sich um einen leistungsstarken 16-Bit-Sigma-Delta-ADC zweiter Ordnung, der ein analoges Eingangssignal aus einem Strommess-Spannungsabfall über einen Messwiderstand in einen schnellen, digital isolierten Ein-Bit-Datenstrom umwandelt.
Ein alternatives Strommessgerät ist der Strommessverstärker AD8410AWBRZ mit hoher Bandbreite. Es handelt sich um einen Differenzverstärker mit einer Verstärkung von 20, einer Bandbreite von 2,2 MHz und einer geringen Offsetdrift (~1 μV/°C). Mit einem DC-Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) von 123 dB kann er bidirektionale Strommessungen mit Gleichtakteingängen von bis zu 100 V durchführen.