Ясуфуми Какихана (Yasufumi Kakihana), старший инженер,
Мичинари Асаи (Michinari Asai), старший менеджер, Renesas Electronics Corp.
Аннотация статьи
Современные приводные устройства в мире промышленной автоматизации (например, контроллеры роботов, сервоприводы переменного тока, сервоприводы с числовым программным управлением (ЧПУ) и др.) развиваются в направлении прецизионного управления и обеспечения высокой точности и стабильности даже в самых сложных условиях эксплуатации. Кроме того, немаловажную роль играет решение проблемы стандартизации конструкции. Микросхема RV1S9353A отвечает обоим требованиям благодаря наличю высокоточного дельта-сигма (ΔΣ) модулятора с большим входным сопротивлением. Эту микросхему можно использовать как для высокоточного измерения тока, так и для мониторинга напряжения, благодаря чему она находит широкое применение в промышленности.
Введение
Вследствие миниатюризации оборудования для производства полупроводников, высокой плотности монтажа компактных сборок, механизации квалифицированного труда, приводные устройства двигателей, например, контроллеры роботов, сервоприводы переменного тока и сервоприводы с ЧПУ, применяемые в сборочном автоматизированном оборудовании, требуют прецизионного управления, высокой точности и стабильности даже в самых сложных условиях эксплуатации. В данной статье представлена новейшая оптопара Renesas RV1S9353A, которая позволяет использовать один и тот же оптрон как для высокоточного измерения тока, так и для мониторинга напряжения.
Реализация прецизионной точности
Типовая схема инвертора, показанная на рис. 1, нередко применяется в высоковольтном промышленном автоматизированном оборудовании. Здесь реализована схема управления маломощным двигателем с низкими энергетическими потерями на преобразование мощности.
БТИЗ (Биполярный транзистор с изолированным затвором)
Рис.1 Пример схемы инвертора
В схеме инвертора применяются различные оптроны. Управление IGBT (БТИЗ) и питанием IPM (intelligent power module) осуществляется управляющими ШИМ-сигналами от микроконтроллера (MCU), которые подаются на силовые устройства, например, БТИЗ. Для измерения силы тока в двигателе и мониторинга напряжения на шине используются изолированные усилители и дельта-сигма модуляторы. Эти устройства обеспечивают электрически изолированную связь между устройством ввода/вывода контроллера (MPU / MCU / SoC / FPGA) и внешним оборудованием.
Ниже приведено краткое описание проблем, связанных с требованиями к точному измерению электрического тока в обмотках двигателя и стандартизации конструкции.
Краткая информация о методах повышения точности измерения
Некоторые примеры, где необходимо повышение точности работы контроллеров роботов, сервоприводов переменного тока и сервоприводов ЧПУ:
- Процессы миниатюризации оборудования для производства полупроводников и дисплеев высокой четкости.
- Высокая скорость, компактность, высокая плотность монтажа сборочного оборудования.
- Механизация квалифицированного труда.
Для решения этих задач требуются высокоточное позиционирование, высокоточная обработка и стабильное управление скоростью в сложных производственных условиях (высокая температура окружающей среды и высокий уровень шума).
На рис. 2 показана схема сервоуправления, применяемая в контроллерах роботов, сервоприводах переменного тока, сервоприводах с ЧПУ и т. д. Она имеет контур обратной связи по положению, скорости и значению тока для обеспечения высокой точности и быстрого позиционирования. Контур обратной связи по току управляет силой тяги (крутящим моментом) двигателя. Командное значение, полученное от контроллера ( MPU / MCU / SoC / FPGA), сравнивается с фактическим значением тока в обмотках двигателя. В результате этого, ширина импульса ШИМ регулируется таким образом, чтобы форма синтезированного выходного сигнала как можно точнее соответствовала эталонной форме (синусоиде).
Рис. 2 Сигнал обратной связи по положению, скорости и току
Для мониторинга напряжения обычно используется схема, показанная на рис. 3. Резисторы (R1, R2) – это делитель высокого напряжения. Сопротивление R2 подбирается таким образом, чтобы получить входное напряжение дельта-сигма модулятора или развязывающего (изолирующего) усилителя равным 200 мВ. Здесь, если R1 >> R2, а входное сопротивление дельта-сигма модулятора или развязывающего (изолирующего) усилителя равно Rin, тогда ошибка измерения составляет R2 / (R2 + Rin). Следовательно, если входное сопротивление Rin дельта-сигма модулятора достаточно велико по сравнению с сопротивлением делителя напряжения R2, ошибку измерения можно уменьшить, а само измерение – выполнить с более высокой точностью.
Рис. 3 Пример схемы контроля (измерения) напряжения
Стандартизация конструкции расширяет области применения
Здесь важно сосредоточиться на сокращении затрат от момента разработки до массового производства, а не только на стоимости самого изделия (оптрона). Например, стандартизация компонентов позволит сократить объем требований к проектированию и оценке качества, время тестирования на надежность и сертификацию, а также управленческие затраты при массовом производстве.
Обычно в схеме измерения тока применяются точные дельта-сигма модуляторы ΔΣ, а в схеме мониторинга (измерения) напряжения используются различные аналоговые развязывающие (изолирующие) усилители с относительно низкой точностью и высоким входным сопротивлением. В этом случае требуется отдельное проектирование, тестирование, определение температурных характеристик и т. д. Если один и тот же компонент будет применяться для решения обеих задач, срок разработки сокращается, что ведет к снижению общих затрат.
Стандарты безопасности
Поиск путей снижения затрат не должен отразиться на безопасности и надежности оптрона. Оптопары для моторных приводов, соответствующие стандартам безопасности UL1577, EN60747-5-5 и UL61800-5-1 с дальнейшими изменениями, играют важную роль в производстве промышленного оборудования.
Оптрон Renesas – RV1S9353A
Микросхема RV1S9353A компании Renesas представляет собой оптически изолированный ΔΣ-модулятор, характеристики которого представлены в табл. 1. Он обеспечивает высокую точность управления промышленными изделиями и имеет как стандартную конструкцию, так и стандартную промышленную помехоустойчивость CMR (устойчивость к синфазным помехам).
Таблица 1. Основные характеристики микросхемы RV1S9353A
Изделие RV1S9353A можно использовать как для измерения фазного тока двигателя с высоким отношением сигнал / шум, низким температурным дрейфом и низким дрейфом напряжения смещения, так и для измерения напряжения благодаря высокому входному сопротивлению.
Как показано на рис. 4, корпус оптрона представляет собой 8-контактный SDIP с шагом выводов 1,27 мм, воздушным зазором (зазором поверхности изоляции) 8 мм и изоляционным напряжением 5 кВ (среднеквадратичное). Несмотря на свои миниатюрные размеры, оптрон RV1S9353A применяется в устройствах привода электродвигателей переменного тока напряжением 200 и 400В с усиленной изоляцией.
Рис. 4 Микросхема RV1S9353A в корпусе SDIP8
Высокая точность
Для измерения тока с высокой точностью изделие RV1S9353A имеет оптимизированную схему аналого-цифрового преобразователя ΔΣ второго порядка и миниатюрное исполнение (на подложке), которые обеспечивают высокое эффективное отношение «сигнал/шум» и низкий температурный дрейф напряжения смещения. На рис. 5 показаны результаты сравнения данного изделия с обычным чипом PS9352A. RV1S9353A имеет высокое эффективное отношение SNR = 85 дБ, эффективную разрядность ENOB = 13,8 бит (станд.) и температурный дрейф входного напряжения смещения 0,2мкВ/°C, а также температурный дрейф опорного напряжения 30ppm/°С, — все это снижает влияние температурных колебаний на точность измерения и управления оборудованием. Микросхема RV1S9353A работает в диапазоне входных напряжений 200мВ и предназначена для измерения тока до 150А совместно с соответствующим токовым шунтом.
Рис. 5 Сравнение RV1S9353A со стандартным чипом PS9352A
В приложениях для мониторинга напряжения входное сопротивление модуля RV1S9353A составляет 500 кОм, что в 10 раз выше, чем входное сопротивление ΔΣ-модулятора для измерения тока (несколько десятков кОм), что приводит к значительному снижению ошибки измерения (R2 / (R2 + Rin) на рис. 3).
Стандартизация конструкции (широко применяемая в промышленности). Чип RV1S9353A — единственный в мире прецизионный ΔΣ-модулятор с высоким входным сопротивлением (500 кОм) для измерения силы тока. Как описано в предыдущем разделе, оптрон RV1S9353A можно использовать как для измерения силы тока, так и для мониторинга напряжения, поэтому он находит широкое применение в сфере промышленной автоматизации. Кроме того, использование изделия RV1S9353A для мониторинга напряжения устраняет необходимость в применении сложных многокомпонентных конструкций, основанных на традиционных аналоговых развязывающих (изолирующих) усилителях. Это связано с тем, что фильтрация осуществляется цифровым фильтром, который может быть реализован с теми же компонентами и схемой. На характеристики цифрового фильтра не влияют изменения в работе компонентов или температурные колебания (табл. 2).
Таблица 2. Сравнение аналогового и цифрового фильтров
Стандарты безопасности
Поперечное сечение микросхемы RV1S9353A показано на рис. 6. Применяется конструкция «лицом к лицу», в чипе размещены также силиконовая и полиимидная пленка. Светодиод и схема фотодетектора размещены таким образом, чтобы изоляционное расстояние составляло 400 мкм. Это основное отличие от альтернативной (однокристальной) конструкции цифровых изоляторов, которые зачастую имеют изоляционное расстояние всего около 10 мкм при большом расстоянии между входом и выходом. Оптрон RV1S9353A обеспечивает более широкий диапазон допустимых напряжений изоляции.
Кроме того, в момент окончания срока службы оптрон переходит в разомкнутое состояние вследствие снижения яркости светодиода, а цифровой изолятор, наоборот, в замкнутый режим из-за разрушения оксидной или полиамидной пленки, что может стать причиной короткого замыкания и поражения электрическим током. Оптопары уже более 40 лет применяются в качестве изолирующих устройств во многих отраслях промышленности и обеспечивают высокий уровень безопасности системы.
Рис. 6 Поперечное сечение оптрона RV1S9353A
Микросхема RV1S9353A имеет надежную стандартную двойную защиту в соответствии с требованиями UL1577, а также в качестве опции – DIN EN 60747-5-5 (VDE 0884-5). Несмотря на то, что стандарт электроприводов изменился с UL508C на UL61800-5-1, а вместе с ним изменился и воздушный зазор (зазор поверхности изоляции), изделие RV1S9353A обеспечивает усиленную изоляцию для работы с оборудованием переменного тока на 200 и 400В.
Вывод
В сложных условиях эксплуатации приводных устройств электродвигателей, например, контроллеров роботов, сервоприводов АС и сервоприводов с ЧПУ, ΔΣ-модулятор RV1S9353A от Renesas Electronics обеспечивает решения, связанные с высокоточным измерением тока и контролем напряжения в широком диапазоне промышленных применений.
