Sie sind hier: HomeRubrikenAutomationAntriebstechnik

Mixed-Signal-IC für Motorsteuerung: Strom- und Spannungsmessung in der Signalkette

Die Implementierung eines Σ/Δ-Modulators verlangt einen digitalen Filter im Antriebssteuerungssystem. Dieser wird i.d.R. mit einem FPGA oder einem ASIC implementiert. Wegen der höheren Systemkomplexität im digitalen Bereich und dem FPGA galt diese Technik bisher als teuer. Das soll sich nun mit dem ADSP-CM408F ändern. Der Mixed-Signal-Steuerungsprozessor enthält einen Sinc³-Filter und lässt sich direkt an Σ/Δ-Modulatoren der Serie AD740x anschließen.

Bewegungssteuerungen mit dem Mixed-Signal-Steuerungsprozessor ADSP-CM408F Bildquelle: © Analog Devices
Bewegungssteuerungen mit dem Mixed-Signal-Steuerungsprozessor ADSP-CM408F

Der Bereich industrielle Bewegungssteuerung umfasst eine Vielzahl von Anwendungen, angefangen bei Lüfter- und Pumpensteuerungen über Systeme zur Fertigungsautomatisierung mit komplexeren AC-Antriebssteuerungen bis hin zu fortschrittlichen Automatisierungsanwendungen wie Roboter mit ausgefeilter Servosteuerung. Diese Systeme müssen eine Reihe von Variablen messen und zurück

Der folgende Beitrag befasst sich schwerpunktmäßig mit Strom- und Spannungsmessungen in verschieden aufgebauten Signalketten in Motorsteuerungen. Dabei berücksichtigt werden Motornennleistung, System-Leistungsfähigkeit und Endanwendung. In diesem Zusammenhang unterscheiden sich diese Signalketten durch die gewählten Sensoren, die Anforderungen an die galvanische Isolation, die Wahl der A/D-Umsetzer, die Systemintegration und die Systemleistung sowie die Massepartitionierung.

Spektrum industrieller Antriebstechnik

Motorsteuerungsanwendungen reichen von einfachen Wechselrichtern bis hin zu komplexen Servoantrieben. Alle Anwendungen enthalten Motorsteuerungssysteme mit einer Leistungsstufe und einem Prozessor, der einen PWM-Block mit unterschiedlichen Stufen für Messung und Rückkopplung ansteuert.

Spektrum industrieller Antriebstechnik Bildquelle: © Analog Devices
Bild 1. Spektrum industrieller Antriebstechnik.

Bild 1 zeigt das Spektrum industrieller Antriebstechnik: Ganz links angesiedelt sind einfache Steuerungssysteme wie Pumpen, Lüfter und Kompressoren, die sich ohne Präzisions-Rückkopplung implementieren lassen und lediglich einen einfachen Mikroprozessor nutzen. Mit steigender Systemkomplexität verlangen komplexe Steuerungssysteme Präzisions-Rückkopplungen und schnelle Kommunikationss -Schnittstellen. Beispiele dafür sind Vektorsteuerungen mit und ohne Sensoren für Induktions- oder Permanentmagnet-Motoren und Hochleistungs-Industrieantriebe mit hohem Wirkungsgrad. Diese sind im Bild als große Pumpen/Lüfter/Kompressoren dargestellt. Am rechten Ende des Spektrums befinden sich komplexe Servoantriebe, die man in Anwendungen wie Roboter, Werkzeugmaschinen sowie Bestückungsautomaten verwendet. Messung und Rückkopplung von Variablen wird mit zunehmender Systemkomplexität immer wichtiger.

Antriebsarchitekturen – Systempartitionierung

Es gibt viele Herausforderungen, die bei der Entwicklung von Antriebssystemen bewältigt werden müssen.

Allgemeine Motorsteuerungssignalkette Bildquelle: © Analog Devices
Bild 2. Allgemeine Motorsteuerungssignalkette.

Bild 2 zeigt eine vielseitig verwendbare Motorsteuerungssignalkette. Am wichtigsten sind Isolationsanforderungen. Diese haben i.d.R. einen signifikanten Einfluss auf die resultierende Schaltungstopologie und Architektur. Zwei Schlüsselfaktoren sind zu berücksichtigen: Warum und wo man isoliert?

Die Klassifizierung der erforderlichen Isolation wird durch die erste Frage vorgegeben. Die Anforderungen können lauten: Hochvoltsicherheitsisolation oder SELV (High Voltage Safety Isolation) zum Schutz vor Stromschlägen, funktionelle Isolation zur Pegelanpassung zwischen nicht - lethalen Spannungen oder Isolation für Datenintegrität und zum Abschwächen von Rauschen.

Wo man isoliert ist oft durch die erwartete System-Leistungsfähigkeit vorgegeben. Motorsteuerungen arbeiten normalerweise in rauen Umgebungen mit hohen elektrischen Rauschanteilen. Dabei sind die Entwicklungen normalerweise hohen Gleichtaktspannungen von mehreren hundert Volt ausgesetzt. Außerdem schalten sie mit über 20 kHz und sehr hohen Transienten-dv/dt-Anstiegszeiten. Aus diesem Grund entwickelt man Systeme mit höherer Leistungsfähigkeit, die auf Grund ihrer hohen Leistungsaufnahme normalerweise ein höheres Rauschen aufweisen, so, dass Leistungs- und Steuerungsstufe voneinander isoliert sind. Ob die Schaltung einen oder zwei Prozessoren beinhaltet, kann ebenfalls einen Einfluss auf die Isolation haben. In Systemen mit geringer Leistungsfähigkeit und niedriger Leistungsaufnahme ist es üblich, an der digitalen Kommunikations-Schnittstelle zu isolieren. Dies bedeutet, Leistungs- und Steuerungsstufen sind auf dem gleichen Potenzial. Bei Lower-End-Systemen müssen Kommunikations-Schnittstellen mit niedrigerer Bandbreite isoliert werden. Bisher brachte die Isolation der Kommunikations-Schnittstelle in High-End-Systemen Herausforderungen mit sich. Dies ist auf die hohen Bandbreiten und die Einschränkungen traditioneller Isolationstechnologien zurückzuführen. Doch dies ändert sich mit der Verfügbarkeit magnetisch isolierter CAN- und RS-485-Transceiver wie die von Analog Devices [1] [1].

Die Steuerungsstufe, auf die Leistungsstufe bezogen und auf Masse bezogen  Bildquelle: © Analog Devices
Bild 3. Die Steuerungsstufe, auf die Leistungsstufe bezogen (links) und auf Masse bezogen (rechts)..

Zwei kritische Elemente in leistungsstarken Motorsteuerungen mit geschlossenem Regelkreis sind die PWM-Modulatorausgänge und die Stromrückkopplung der Motorphase. Bild 3 illustriert, wo die Sicherheitsisolation erforderlich ist. Dies hängt davon ab, ob sich die Steuerungsstufe auf dem gleichen Potenzial wie die Leistungsstufe befindet oder auf Masse bezogen ist. In beiden Fällen müssen High-Side-Gate-Treiber und Current-Sense-Knoten isoliert sein. Doch die Isolationsklasse ist verschieden – links in Bild 3 ist lediglich eine funktionale Isolation dieser Knoten erforderlich, während auf der rechten Seite eine galvanische Isolation zum Schutz des Menschen erforderlich ist.