בחר וממש את תכן בקרת המנוע הנכון כדי לעמוד בדרישות Industry 4.0‏

עידן ה-Industry 4.0‏, או האינטרנט-של-דברים התעשייתי (IIoT‏), הופך מערכות לחכמות יותר על ידי הקניית אינטליגנציה וקישוריות מקומית בין מכונות ומחשבים, ולאינטרנט. אחת הסיבות לקישוריות זו היא שמערכות ותת-מערכות ייצור ניתנות לניטור ובקרה עם מבט לכיוון יעילות, אמינות ויציבות גבוהות יותר. לעידן זה יש השלכות על מנועים תעשייתיים, שמהווים חלק גדול ממשאבי האנרגיה של מתקן אוטומטי, והיכן שתקלה בהם יכולה להשבית קו ייצור שלם.

על כן קריטי לבקר מנועים ביעילות, במיוחד ביחס למהירות ומומנט, שביחד משפיעים במידה ניכרת על התחום הדינמי של מנוע. בקרה אפקטיבית של שני הפרמטרים האלה דורשת‏ דרגה גבוהה של דיוק משוב. עבור דיוק זה, מתכננים חייבים לבחור בזהירות בין חישת זרם צד-נמוך, צד-גבוה, או בקו (in-line), ואחר כך לממש אופטימלית את המעגל המתאים.

מאמר זה דן בקצרה בשלוש אפשרויות חישת-זרם אלו לפני שמראה כיצד המגבר האידיאלי‏ בחיישן זרם מנוע בקו מספק מידע אמיתי על פאזות-זרם. אחר כך מראה כיצד להשתמש במגבר חישת זרם דו-כיווני (CSA) של Maxim Integrated עם דחיית אפנון רוחב פולס (PWM) כדי לקבוע קונפיגורציה של מערכת מנוע תלת-פאזי ולאפשר עבודה יעילה יותר.

חישת זרם צד-גבוה, צד-נמוך או בקו (in-line)?

שלוש אפשרויות החישה—צד-נמוך, צד-גבוה ובקו—שונות לגמרי במימוש (איור 1‏). חיישן זרם מנוע צד-נמוך משתמש‏ בנגד חישה ומגבר קרוב לארקה (צד שמאל, למטה).

איור 1: אפשרויות מעגל צד-נמוך, צד-גבוה ובקו עבור חישת מהירות ומומנט של מנוע. (מקור תמונה: Analog Devices)

מתוך שלוש האפשרויות, מעגל חישה‏ צד-נמוך הוא האינטואיטיבי והפשוט ביותר. הוא מתאים ליישומי צרכן בהם עמידה במבחן עלות-תועלת היא לעתים קרובות אחת הדרישות העיקריות.

למעגל החישה צד-נמוך המגבר נמצא קרוב לארקה, קולט את הזרם של כל רגל ברצף. למעגל יש מגברי שרת עלות-נמוכה, לשימוש-כללי, בתחתית חבילות ה-FET‏ דוחפות-השער‏ ונגד חישה (R_S) עם מתח האות-המשותף קרוב לארקה (איור 2‏). עבור‏ זרם עומס גבוה עד כדי 100 אמפר (A‏), נגד החישה הקטן (R_S) הוא בדרך כלל ‏התנגדות של פס מוליך על לוח מעגל מודפס.

איור 2‏: מעגל חישת זרם צד-נמוך של מנוע AC זה משתמש במגבר CMOS בו מתח האות-המשותף מגיע לאספקה השלילית של המגבר. (מקור תמונה: Bonnie Baker)

באיור 2‏, זרם העומס מציין את ההולכה דרך חבילת FET אחת של מנוע ה-AC. מעגל זה צריך שתחום הכניסה אות-משותף של המגבר ישתרע עד ארקה. מעגל המגבר מגביר את המתח שעל נגד R_S ומספק קריאת מתח שהיא יחסית לזרם העומס (I_L). מתח זה מוזן לכניסה הלא-הופכת של‏ מגבר בעל‏ הגבר השווה ל-(1 + R_F / R_G), או 50~ וולט/וולט‏.

ה-Analog Devices AD8691 יכול לשמש כמגבר. זהו מגבר שרת‏ גנרי, עלות-נמוכה, עם‏ רוחב-פס של ‏10 מגה-הרץ (MHz‏). טרנזיסטורי הכניסה CMOS‏ שלו מספקים זרם ‏מקדם (Bias) אופייני של ‏0.2‏ פיקו-אמפר (pA) ותחום אות משותף שהוא 0.3‏- וולט מתחת למתח האספקה השלילי.

יציאת המגבר מוזנת לממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC). מיקרו-בקר או מעבד אחר יכול להשתמש באות שהומר לדיגיטלי כדי לקבוע את סטטוס המנוע.

דרישות לוח מעגל מודפס

פשטות התכנון של מעגל חישת זרם צד-נמוך יכולה להטעות. על ידי שימוש בלוח המעגל המודפס ליצירת R_S, קל ‏ליצור שגיאות מדידה על ידי הוספה בלתי רצונית לערך נגד החישה. כדי להבטיח שערך ה-R_S מדויק, חייב להיות חיבור ישיר מההדק העליון או החיובי של ה-R_S להדק הלא-הופך של מגבר-השרת. נוסף לכך, ההדק התחתון (שלילי) של נגד ה-R_S חייב להיות מחובר‏ ישירות לארקה. דרישה שנייה זו של תכנון לוח מעגל מודפס מבטיחה חיבור ישיר להדק השלילי של נגד החישה ולתחתית נגד ההגבר (R_G) של המגבר.

שים לב שזרם זורם דרך משטח ההארקה של לוח המעגל המודפס, תוך יצירת‏ הפרש מתח על פניו. בנסיבות רגילות, זה לא מהווה בעיה‏. עם מעגל החיישן צד-נמוך, השימוש בהתנגדות R_S הנמוכה עושה את המעגל לרגיש מאוד לנפילות מתח ארקה בכל לוח המעגל המודפס.

מקדם הטמפרטורה של התנגדות הנחושת הוא בערך ‎0.4%/°C, מה שמאפשר לערך ה-R_S להשתנות במידה רבה עם הטמפרטורה. ההתנגדות של לוח המעגל המודפס יוצרת שגיאה‏ תלוית-טמפרטורה במערכות בהן יש שינויי טמפרטורה נרחבים, ובכך מביאה‏ מידה מסוימת של אי-יציבות. לכן יהיה נבון להמנע מפסי מוליכים ארוכים כדי להקטין למינימום שגיאות R_S. נוסף לכך, השימוש של תכני החיישן צד-נמוך בנגד חישה מוסיף נפילות מתח דינמיות בלתי רצויות, שגורמות לבעיות רעש בשל הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI)‏.

חישת זרם צד-גבוה

חיישן זרם המנוע צד-גבוה מקטין למינימום את השפעת מתח AC‏ דינמי של הנגד עם EMI מינימלי. עם זאת, תכן זה מחייב מגבר חסון כדי לטפל במתחים גבוהים.

מעגל חיישן הזרם צד-נמוך משתמש בשלושה מגברי שרת בודדים כדי לחוש את זרמי כל אחת מרגלי המנוע AC‏. הגישה רגישה לשגיאות בשל התנגדות פרזיטית של לוח המעגל המודפס, כמו גם שגיאות מדידה קרובה-לארקה, שנקראות גם שגיאות ארקה מתח R_S.

מעגלי חיישן זרם צד-גבוה משתמשים ‏במגבר דיפרנציאלי, עם מתח האות המשותף קרוב למתח האספקה. בניגוד למגבלות מסוימות של מעגל חיישן זרם צד-נמוך, תצורה זו היא לא רגישה להפרעות ארקה והיא מסוגלת לגלות קצר עומס (איור 3‏).

איור 3‏: מעגל חישת-זרם, צד-גבוה, של מנוע AC משתמש‏ במגבר עם שתי דרגות כניסה PNP בו מתח האות-המשותף מגיע לערכים מעבר למתח האספקה החיובית והשלילית של המגבר. (מקור תמונה: Bonnie Baker)

מגבר השרת חייב להיות בעל כניסה פס-לפס ומתח‏ אות-משותף גדול בהדקי ה-R_S השווה או עולה על V_SUPPLY. זה מאתגר כי מגבר החישה יצטרך מקורות מתח מוגדלים, לפחות שווים ל-V_SUPPLY. לכן, בתצורת חישה‏ צד-גבוה, האות-המשותף כניסה של המגבר חייב להיות גבוה כמו מתח האספקה, V_SUPPLY.

עבור יישום זה, מתכננים יכולים לפנות אל ה-ADA4099-1 של Analog Devices. זהו מגבר שרת כניסה/יציאה פס-לפס, מדויק, חסון, יחיד, עם כניסות הפועלות מ--V עד +V ומעבר. יש התיחסות למאפיין האחרון בגיליון הנתונים כ-Over-The-Top.

ההתקן כולל מתח היסט (offset voltage) של < 40 מיקרו-וולט (μV), זרם מקדם כניסה (IB) של < 10 ננו-אמפר (nA) ועבודה מאספקה יחידה או מפוצלת בתחום מ-3.15 עד 50 וולט. ה-ADA4099-1 מושך זרם רוגע של 1.5 מילי-אמפר (mA‏) לערוץ.

תאום נגדים

עם מעגל חישת הזרם צד-גבוה באיור 3, הדיוק של הנגדים החיצוניים (R₁,‏ R₂,‏ R₃ ו-R₄) קובע ישירות את דיוק המדידה. משוואה 1 משמשת לחישוב ההגבר הדיפרנציאלי של איור 3:

משוואה 1

משוואה 2 משמשת לחישוב שגיאת ההגבר אות-משותף של איור 3:

משוואה 2

משוואה 3 משמשת לחישוב מתח היציאה של איור 3:

משוואה 3

אם R₁ עד R₄ הם נגדים עם דיוק של 1%, הטולרנס במקרה הגרוע ביותר של השגיאות הכוללות הוא גדול מ-5%. שגיאת %‏5‏ זו מחייבת שימוש בנגדים יקרים עם טולרנס צר יותר. החיסרון העיקרי של גישה זו הוא עלות נוספת בשל הדרישה לנגדים מדויקים עם טולרנס צר עבור ערכי היחסים R₄/R₃ ו-R₂/R₁ כדי להתגבר על רגישות השגיאה בשל מתחי אות-משותף גבוהים יותר.

חישת זרם בקו (In-line)

בעוד הפתרונות האחרים עובדים, הגישה המועדפת היא חיישן זרם המנוע בקו (או ישירות בליפוף). גישה זו מספקת את המידע אמיתי על הפאזה השוטפת, ובכך מאפשרת זמני התייצבות מהירים ודחייה חזקה יותר של טרנזיינטים של אות-משותף. המגבר האידיאלי עבור מדידות בקו הוא‏ CSA דו-כיווני עם דחיית PWM כדי לענות על אתגרים אלה. למגבר זה יש ‏זמן התייצבות מהיר, רוחב-פס רחב, ודוחה טרנזיינטים של אות-משותף.

כדי ליצר עבודת מנוע יעילה, למעבד המערכת יש נתונים שוטפים על כל שלוש פאזות המנוע בכל רגע נתון (איור 4‏).

איור 4: בחישת זרם בקו עבור בקרת מנוע, למעבד יש נתונים שוטפים על כל שלוש פאזות המנוע בכל רגע נתון (איור 4‏). (מקור תמונה: Analog Devices)

באיור 4‏, המיקרו-בקר (MCU) דוגם בו-זמנית את כל שלוש הרגליים של המנוע בעזרת CSA דו-כיווני MAX40056 של Analog Devices‏, תוך שימור יחסי הפאזות בין הערור של כל רגל. מגבר אידיאלי בקו מגביר את האות הדיפרנציאלי של כל רגל מנוע תוך כדי דחיית טרנזיינטים אות-משותף של PWM. דחיית PWM החזקה מסייעת לזמן התיצבות מהיר ביותר, דיוק גבוה יותר, ומאפשרת למתכנן להקטין למינימום את מחזור הפעולה (duty cycle) ‏PWM, שמירה עליו קרוב ל-0%.

ה-MAX40056‏ הוא CSA דו-כיווני, אספקה יחידה, דיוק-גבוה, עם תחום כניסה אות-משותף רחב מ-0.1- וולט עד 65+ וולט. דרגת הכניסה מספקת הגנה מפני קפיצות חדות (spikes) של מתח ותגובות אינדוקטיביות מ-5- וולט עד 70+ וולט. מתח היסט הכניסה (האופייני) של ‎±5 μV ושגיאת ההגבר (האופיינית) של 0.05% מסייעים להבטיח שגיאות מערכת נמוכות (איור 5‏).

איור 5‏: היכולת של ה-MAX40056 CSA לדכא הפרעות הנובעות ממעגל דחיית PWM מהיר עושה אותו למתאים היטב לניטור זרם בפאזה של עומסים אינדוקטיביים, כמו ליפופי מנוע. (מקור תמונה: Analog Devices)

באיור 5‏, דרגת הכניסה מתוכננת במיוחד לדכא את ההפרעות של אותות PWM מהירים, שנפוצים ביישומי בקרת מנוע. לכן, ה-MAX40056 מתאים היטב לניטור זרם בפאזה של עומסים אינדוקטיביים, כמו ליפופי מנוע וסולנואידים המונעים על ידי אותות PWM. ה-MAX40056 עובד בכל תחום הטמפרטורות C‏°‏40‏- עד ‎125°C+ וממתח אספקה של 2.7+ וולט עד 5.5+ וולט.

ה-MAX40056 הוא בעל התאוששות שפת PWM‏ (PWM edge recovery) של 500 ננו-שנייה (ns‏) מ-500 וולט למיקרו-שנייה (µs‏) ושפות PWM מהירות יותר. ה-MAX40056 ונתוני השוואה למתחרים מראים הבדל משמעותי בחסינות אות-משותף PWM‏ (איור 6).

איור 6‏: השוואה תחרותית תוך שימוש בדחיית שפת PWM של מחזור PWM‏ של 50 וולט‏ מראה של-MAX40056 יש ‏יתרון ברור ביחס לחסינות טרנזיינט אות-משותף PWM. (מקור תמונה: Analog Devices)

באיור 6‏, היציאה האנלוגית של ה-MAX40056 CSA מראה‏ בליטה מינורית ומתאוששת תוך 500‎ ns‏, בעוד בהתקן המתחרה ההתאוששות אורכת כ-‎2 µs. כניסת דחיית PWM מוגנת-הפטנט של CSA מדכאת טרנזיינטים ומספקת מדידה דיפרנציאלית נקיה.

מסקנה

Industry 4.0‏ וה-IIoT‏ הם שניהם מדגישים יעילות ייצור ואמינות ברמות גבוהות יותר שחייבות להגיע למטה לרמה של מנועים אינדיבידואליים. מציאת תכני מעגל מתאימים כדי לבנות מערכת דוחף מנוע AC כך שמהירות ומומנט יבטיחו יציבות, אמינות ויעילות אנרגטית יכולה להיות מסובכת.

כמתואר, גישת חיישן זרם מנוע בקו (in-line) עם מגבר אידיאלי מספקת מידע אמיתי על פאזה שוטפת‏. עם גישה זו—ותוך שימוש ב-CSA הדו-כיווני MAX40056 עם דחיית PWM—מתכננים יכולים להגדיר תצורה של מערכת‏ מנוע תלת-פאזי המודדת במדויק מומנט ומהירות במערכת מנוע AC תלת-פאזי, להבטיח נצילות, אמינות ויציבות מנוע.