Підвищення точності керування електродвигунами стало необхідним через масову електрифікації не лише виробничих і побутових споживачів, а й автомобільного транспорту. Електронний підсилювач керма, система автоматичного гальмування, електронна система контролю стійкості, автоматичне водіння - все електроприводи перерахованих систем потребують дуже точному управлінні, так як від них безпосередньо залежить безпека і ефективність роботи всього автомобіля.
У даній статті будуть розглядатися проблеми вимірювання фазного струму електричних машин за допомогою різних методик і пристроїв. Також спробуємо розглянути, як за допомогою поліпшення вимірювання фазного струму можна підвищити ефективність управління електродвигуном.
Чому вимірювання струму так важливо для системи керування електроприводом?
Вимірювання струму в ланцюзі електродвигуна проводять з двох основних причин:
- Захист від коротких замикань;
- Побудова алгоритму управління електричної машиною;
Також важливу роль відіграє зворотний зв'язок по току і для відстеження струмових перевантажень в ланцюзі понад допустимі за величиною і часу, що дозволяє виявити і усунути несправність в системі. Така система використовується для ідентифікації стану заклинювання валу електродвигуна, діагностики параметрів машини і інших функцій. При виявленні стану перевантаження по току система автоматичного управління зможе вжити заходів для запобігання можливого збитку. Схеми таких захистів можуть бути найрізноманітніші, від примітивних, до комплексних систем автоматичного регулювання.
Мікроконтролер, керуючий електродвигуном, в першу чергу використовує значення струму машини для обчислення крутного моменту або швидкості обертання валу. Але для обчислення швидкості найчастіше використовують зворотний зв'язок по швидкості.
Управління трифазним електродвигуном
У даній статті основну увагу буде звернено на вимірювання в трифазних пристроях. Завдяки сучасним технологіям великого поширення набули вентильні електродвигуни (BLDC). Вони мають складну систему управління і підтримують чотири способи вимірювання струму:
- На стороні позитивного полюса ланки постійної напруги;
- На стороні негативного полюса ланки постійної напруги;
- Фазний струм в ланцюзі ШІМ регулятора;
- Фазний струм в ланцюзі електродвигуна;
Це показано на малюнку нижче:
Вимірювання величини струму на стороні позитивного полюса постійної напруги, як правило, використовується тільки для виявлення несправностей в ланцюзі електродвигуна. Величина постійної напруги буде прямо залежати від потужності електричної машини, що може зробити його занадто високим для деяких простих пристроїв вимірювання. Крім того, вимірюваний таким чином струм буде сумарним для всіх трьох фаз.
Вимірювання величини струму на стороні негативного полюса постійної напруги, як правило, використовується тільки для виявлення несправностей в контурі. Виходячи зі схеми, напруга на даному датчику має дорівнювати нулю, що дозволить значно розширити діапазон пристроїв, які можуть бути застосовані для даного виміру. Як і у випадку з позитивним полюсом, таке розташування датчика струму не зможе виміряти струм однієї фази машини. Для його вимірювання необхідна реалізація складних алгоритмів в мікроконтролері, що спричинить за собою зниження сумарної продуктивності системи.
Вимірюючи струм фази в перетворювачі, отримаємо значення максимально наближене до фазного струму електродвигуна, але це не зовсім він. Таким чином, помилка вводиться по відношенню до істинного значення струму фази. Фазний датчик підключається до заземленого ділянки кола, що не зовсім характерно для трифазної системи.
Такий спосіб вимірювання має перевагу в тому, що напруга на підсилювачі, по суті, дорівнює напрузі «землі», що дозволяє застосовувати для вимірювань підсилювачі низької напруги. Проте, у зв'язку з характером струму через транзистори, підсилювач високої швидкості наростання вихідної напруги повинен реагувати на динамічну зміну струму в кожному плечі. Для багатьох випадків застосовують спосіб вимірювання струму тільки в двох фазах, значення в третій фазі обчислює мікроконтролер.
І останній варіант вимірювання - це вимірювання струму безпосередньо в самій фазі електричної машини для реалізації алгоритму управління електродвигуном. Основним завданням є те, що вихідна напруга інвертора генерується за допомогою ШІМ модуляції, що призводить до дискретності вихідного сигналу. Це, в свою чергу, призводить до підвищених вимог до Струмовимірювальні підсилювача, який повинен мати дуже хороший коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу (КОСС).
Вимірювання фазного струму
Частота сигналу, виміряного Струмовимірювальні підсилювачем, має дві складові:
- Диференціальний (корисний) сигнал, щодо вузькосмуговий і малої амплітуди;
- Синфазних ШІМ (шкідливий) сигнал, широкосмуговий і великої амплітуди;
Ідеальний струмовий підсилювач повинен обробляти тільки диференційний сигнал, фільтруючи інші. А це висока напруга в поєднанні з швидким ΔV / ΔT ставить серйозний виклик проектувальнику і значно обмежує діапазон підсилювачів, які можуть бути застосовані до даної системи. Такі вимірювання, як правило, включають тільки в ті додатки, які вимагають максимально точного вимірювання фазового струму, наприклад, для електронних гідропідсилювачів керма.
Мінімізація впливу ШІМ на вихідний сигнал
Синфазних сигнал ШІМ призводить до незбалансованого входу підсилювача, що, в свою чергу, призводить до спотворення вихідного сигналу Струмовимірювальні підсилювача. Ідеальна система повинна «уміти ігнорувати» спотворення вхідного сигналу і мати збалансований вхід. Більшість підсилювачів для вимірювання струму, які використовуються для реалізації безперервного управління електродвигуном, використовують високу пропускну здатність для зменшення впливу перешкод:
З іншого боку, більш високі частоти ШІМ підвищує ефективність роботи електродвигуна. Новий Texas Instruments INA240 використовує поліпшену конструкцію відбраковування ШІМ, щоб звести до мінімуму час, необхідний закриття, таким чином підвищуючи досяжну ефективність системи управління електродвигунами:
Якщо значення фазного струму має вирішальне значення для правильного функціонування системи, то вимірювання струму безпосередньо в фазі електродвигуна буде найкращим рішенням. Вимірювання струму безпосередньо в фазі забезпечує більш швидкий відгук і більш високу точність, тим самим підвищуючи ефективність системи управління електроприводом.
Однак синфазний сигнал ШІМ створює проблеми для токоізмеряющего підсилювача. Вибираючи підсилювач необхідно враховувати даний фактор.