L'efficienza dei motori elettrici nelle applicazioni industriali dipende direttamente dai circuiti che li controllano. Per il controllo del motore è fondamentale il blocco dell'elettronica di potenza, che a sua volta fa affidamento sui sensori che misurano la corrente, la tensione e la posizione. Questo articolo di Analog Devices illustra come il feedback di corrente e la misurazione della tensione del bus CC possono diventare parte del circuito di controllo del motore elettrico.
L'inverter di potenza e il blocco dell'elettronica di potenza sono il cuore dell'azionamento dei motori. Forniscono l'elemento corrente controllabile che permette di modulare la potenza al motore per regolare con precisione la velocità e la coppia. Il controllo dell'inverter è quindi fondamentale per l'intero funzionamento dell'azionamento.
Per qualsiasi sistema di controllo a loop chiuso sono in genere necessari un set point (ad esempio, il punto di esercizio desiderato) e una variabile misurata (nota come feedback) con cui confrontarlo, in modo che il loop di controllo possa rispondere a qualsiasi differenza riscontrata tra i due elementi. Negli azionamenti, le principali variabili misurate sono in genere la posizione e la corrente motore. Altre variabili, come la tensione del bus CC, sono utili al funzionamento del loop di controllo. Esaminiamo il feedback di corrente e la misurazione della tensione del bus CC perché avvengono all'interno dello stadio inverter, come riportato nello schema dell'architettura di seguito.
Figura 1: Schema dell'architettura del servoazionamento
Nel percorso del feedback di corrente è importante che la misurazione sia sincronizzata con il ciclo PWM, in modo da non introdurvi un'ondulazione di corrente di commutazione ad alta frequenza. Questo richiede una regolazione precisa del campionamento della corrente, in modo che venga campionata nel punto medio della forma d'onda. In questo punto della forma d'onda, la corrente istantanea è uguale alla media del ciclo PWM e la misurazione non include alcuna corrente di ripple di commutazione PWM.
La Figura 2 illustra questo aspetto in modo semplificato, mostrando il punto di campionamento sulla forma d'onda della corrente di fase, il suo allineamento relativo rispetto alla forma d'onda di commutazione high-side del PWM e il Tsw del periodo di commutazione. L'impulso PWM_SYNC indica il punto in cui deve essere attivato il campionamento della corrente in questo scenario; può anche essere inteso come punto centrale del filtro digitale nel caso in cui venga utilizzato il campionamento di tipo ADC sigma-delta, che non è un campione a singolo punto. Vedi in proposito [1].
Figura 2: Campionamento del punto medio della corrente motore
È inoltre richiesto il campionamento simultaneo di almeno due fasi e solitamente è sufficiente una risoluzione di misurazione di 14-16 bit con una latenza in microsecondi, in modo che il loop di controllo possa rispondere entro il tempo del ciclo PWM (Tsw) o in metà del tempo del ciclo per i loop di controllo con prestazioni più elevate.
Per misurare la corrente è possibile procedere in diversi modi, illustrati nella Figura 3 e descritti nella tabella seguente, insieme ad alcuni esempi di numeri parte per implementare lo schema per un'applicazione da 20 A. Il punto più accurato per misurare la corrente motore è nelle fasi effettive del motore, ovvero nelle linee di uscita dell'inverter, ma questo di solito richiede un isolamento galvanico, a causa dell'alta tensione presente in questi nodi. Le misurazioni della corrente motore possono essere dedotte da altri punti, come i rami dell'inverter e il binario positivo o negativo del bus CC. Questi punti di misurazione, tuttavia, pur essendo potenzialmente più economici da implementare, presentano altri svantaggi.
Figura 3: Opzioni del feedback di corrente
| Descrizione | Commenti | Parti di esempio (20 A) | |
| 1 | Resistore shunt in serie + amplificatore operazionale ad alta tensione in modalità comune (CMV) + ADC a campionamento simultaneo (SSADC) | Solitamente utilizzato in applicazioni inferiori a 100 V, dato che gli amplificatori operazionali ad alta CMV sono in genere indicati per questo intervallo | CFN1206AFXR010 (Bourns) AD8410 (ADI) MAX11195(ADI) |
| 2 | Resistore shunt in serie + ADC isolato | La migliore soluzione per immunità al rumore, dimensioni e prestazioni. Uscita bitstream: filtro digitale necessario | CFN1206AFXR010 (Bourns) ADuM7701-8 |
| 3 | Sensore di corrente isolato + amplificatore operazionale + SSADC | Soluzione ideale per livelli di corrente più elevati in cui l'efficienza dei resistori shunt è troppo ridotta | HMSR 20-SMS (LEM) AD8515 (ADI) AD7380 (ADI) |
| 4 | Resistore shunt ramo + amplificatore operazionale + SSADC | Soluzione più economica perché non è necessario alcun isolamento se il controller è dotato di messa a terra tramite bus CC. Meno accurata dello shunt in fase. | CFN1206AFXR010 (Bourns) MAX4477 (ADI) MAX11195 (ADI) |
Il feedback di corrente ad alta fedeltà e precisione è importante per il loop di controllo complessivo dell'inverter. Incide notevolmente sulla larghezza di banda complessiva del controllo e sull'ondulazione di coppia. La larghezza di banda si traduce in prestazioni transitorie più veloci del controllo motore. Questo può essere molto importante in applicazioni come le macchine pick-and-place. L'ondulazione di coppia si traduce in effetti quali la qualità di lavorazione e la tolleranza di finitura in applicazioni come molatura, taglio e lucidatura.
Il feedback di corrente è la variabile di feedback più importante dall'inverter al controller, ma anche la tensione del bus CC può essere preziosa come variabile feed-forward di controllo. Non viene utilizzato come quantità controllata, ma dal momento che la variazione della tensione del bus CC influisce sulla dinamica del circuito di controllo della corrente, può essere utilizzato come variabile feed-forward, che migliora la dinamica del controller di corrente in generale. Il risultato finale è quello mostrato nella Figura 4.
Figura 4: Diagramma a blocchi del controller di corrente
Il segnale di rilevamento della tensione del bus CC può essere derivato direttamente da un partitore di tensione sul bus CC, se la massa del controller è sul negativo del bus CC, oppure utilizzando un amplificatore o un ADC isolato (come l'ADuM7701 citato in precedenza) collegato all'uscita del partitore di tensione.
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