O controle de movimento industrial abrange uma ampla variedade de aplicações, desde controle de ventilador ou bomba baseado em inversor, até automação de fábrica com controles de inversores CA mais sofisticados, até aplicações de automação avançadas, como robótica com servocontroles complexos. Esses sistemas exigem detecção e feedback de muitas variáveis, como corrente ou tensão do enrolamento do motor, corrente ou tensão do barramento CC, posição e velocidade do rotor. A seleção de variáveis e a precisão de medição necessária dependem dos-requisitos finais da aplicação, da arquitetura do sistema, do custo alvo do sistema ou da complexidade do sistema. Há outras considerações, como recursos-de valor agregado, como monitoramento de condições. Com os motores elétricos supostamente consumindo 40% da eletricidade mundial, as regulamentações internacionais aumentaram o foco na eficiência do sistema em aplicações de movimento industrial (ver Figura 1).
Figura 1. Gama de aplicações de acionamento industrial
As técnicas de detecção de corrente e tensão em diversas topologias de cadeia de sinal de controle de motor variam dependendo da potência nominal do motor, dos requisitos de desempenho do sistema e da aplicação final. Neste caso, a implementação da cadeia de sinal de controle do motor varia de acordo com a seleção do sensor, os requisitos de isolamento de corrente, a seleção do ADC, a integração do sistema e o particionamento de energia/terra do sistema. Embora os requisitos de isolamento normalmente tenham um impacto significativo na topologia e arquitetura do circuito final, este artigo se concentrará na melhoria das medições de detecção de corrente (como um dos fatores de influência) para obter um sistema de controle de motor mais eficiente.
Medições I e V
A cadeia generalizada de sinais de controle do motor é mostrada na Figura 2. O condicionamento de sinais para obter medições de alta-fidelidade não é uma tarefa fácil. A detecção de corrente de fase é particularmente desafiadora porque este nó está conectado ao mesmo nó de circuito que as saídas do gate driver dentro do núcleo do módulo inversor e, portanto, tem os mesmos requisitos em termos de isolamento de tensões e tratamento de transientes de comutação.
Figura 2. Cadeia generalizada de sinais de controle do motor
Os sensores de corrente mais comumente usados no controle de motores são resistores shunt, sensores de efeito Hall (HES) e transformadores de corrente (TC). Embora os resistores shunt não forneçam isolamento e incorram em perdas, eles são os mais lineares de todos os sensores, têm o custo mais baixo e são adequados para medições CA e CC. O nível de sinal reduzido necessário para limitar as perdas de potência em derivação normalmente limita as aplicações em derivação a 50 A ou menos. CTs e HESs fornecem isolamento inerente, permitindo-lhes servir sistemas de alta corrente, mas são mais caros devido à baixa precisão inicial ou baixa precisão de temperatura e resultam em soluções que são menos precisas do que aquelas que podem ser alcançadas com resistores shunt. Além dos tipos de sensores, há vários nós de medição de corrente do motor para escolher (conforme mostrado na Figura 3), sendo as medições diretas-do enrolamento em fase a escolha ideal para os sistemas de mais alto desempenho.
Figura 3. Feedback de corrente de motor isolado e-não isolado
Existem muitas topologias para detectar a corrente do motor e muitos fatores a serem considerados, como custo, consumo de energia e níveis de desempenho, mas um objetivo principal para a maioria dos projetistas de sistemas é melhorar a eficiência dentro de suas metas de custo.
De HES a resistores de derivação
Os resistores shunt são acoplados a moduladores sigma{0}}delta (Σ-Δ) isolados para fornecer feedback de corrente da mais alta qualidade (níveis de corrente suficientemente baixos). Há uma tendência significativa para os projetistas de sistemas migrarem de HES para resistores shunt, e outra tendência para migrar para moduladores isolados em vez de métodos de amplificadores isolados. Muitas vezes, quando os projetistas de sistemas substituem HES por resistores shunt, eles escolhem amplificadores de isolamento e continuam a usar os ADCs usados anteriormente em projetos baseados em HES-. neste caso, o desempenho será limitado pelo amplificador de isolamento, independentemente do desempenho analógico-para{7}}digital.
Substituir o amplificador isolado e o ADC por um modulador sigma-delta isolado eliminará o gargalo de desempenho e melhorará bastante o design, normalmente alterando-o de feedback em massa de 9- bits para 10 bits e níveis de 12 bits. O circuito analógico de proteção contra sobrecorrente (OCP) também pode ser eliminado, pois os filtros digitais necessários para processar as saídas do modulador sigma-delta também podem ser configurados para permitir loops OCP rápidos.
Os moduladores Σ-Δ disponíveis podem ter uma faixa de entrada diferencial de ±250 mV, onde a escala completa de ±320 mV é usada para OCP, ideal para medições de shunt resistivas. As entradas analógicas são continuamente amostradas pelo modulador analógico e as informações de entrada estão contidas em um fluxo de saída digital com uma taxa de dados de até 20 MHz. A informação bruta pode ser reconstruída com filtros digitais apropriados. Como o desempenho da conversão pode ser compensado pela largura de banda ou pelo atraso do banco de filtros, filtros mais grossos e mais rápidos podem fornecer OCPs de resposta rápida da ordem de 2 μs, ideal para proteção IGBT.
Reduzindo o tamanho do resistor de derivação
Do ponto de vista da medição de sinal, existem alguns desafios importantes na seleção do resistor shunt, pois há uma compensação-entre sensibilidade e consumo de energia. A não linearidade devido aos efeitos de auto{2}}aquecimento também é um desafio ao usar resistores de valor mais alto. Os projetistas se deparam com compensações-que são ainda mais exacerbadas pelo fato de que muitas vezes é necessário selecionar um tamanho de shunt para atender a muitos modelos e motores em diferentes níveis de corrente. Manter a faixa dinâmica diante de correntes de pico que podem ser várias vezes maiores que a corrente nominal do motor e a necessidade de capturar ambas com segurança é um desafio.
Diante desses desafios, os projetistas de sistemas procuram moduladores sigma{0}}delta superiores com faixa dinâmica mais ampla ou relação sinal-para{2}}ruído e distorção (SINAD) melhorada. Até o momento, os produtos moduladores Σ-Δ isolados oferecem desempenho garantido com resolução de 16 bits e até 12 bits efetivos (ENOB).
Figura 4. O AD7403 é um modulador delta de alto-desempenho e segunda{3}}ordem-Modulador Sigma Delta isolado de alto desempenho
Os moduladores delta isolados de-desempenho-de alto desempenho darão suporte a uma ampla gama de necessidades em projetos de controle de motores industriais e melhorarão a eficiência energética dos acionamentos do motor, reduzindo o tamanho do resistor de derivação. Um exemplo do setor é o modulador AD7403 da ADI (veja a Figura 4). É a próxima geração do AD7401A e oferece uma faixa dinâmica mais ampla na mesma frequência externa de 20 MHz. Ele permite opções de dimensionamento de derivação mais flexíveis e permite o uso de resistores de derivação em vez de HESs em níveis de corrente mais elevados. o ENOB do chip é normalmente de 14,2 bits. A resposta dinâmica também pode ser melhorada reduzindo o atraso na medição. O dispositivo também apresenta um esquema de isolamento com uma tensão mais alta-em-operação contínua-(VIORM) do que seu antecessor, o que melhora a eficiência do sistema por meio de tensões de barramento CC mais altas e correntes mais baixas.