Signalverarbeitung
Wirkungsgrad bei Motorsteuerungen erhöhen
Systemausrichtung und Leistungsfähigkeit rücken bei Motorsteuerungen mehr und mehr in den Fokus. Neue Integrations- und Entwicklungsmethoden ermöglichen den Entwicklern, die für die Motorsteuerung erforderliche Signalverarbeitung zu optimieren und so skalierbare Systeme zu realisieren, die sich auch zukünftigen Aufgaben anpassen lassen. Eine neue Generation von Signalverarbeitungsbausteinen unterstützt Entwickler dabei.
Elektronische Steuerungen für Motoren und Servoantriebe müssen eine hohe Systemleistung und Wirkungsgrad aufweisen und zugleich aber über Möglichkeiten zur Anbindung an Netzwerke und vernetzte Systemkomponenten verfügen.
Typische Ein-Chip-Controller in Embedded-Mixed-Signal-Technologie bieten keine ausreichend hohen Leistungsreserven für Aufgaben wie Leistungswandlung, Echtzeitsteuerung und Kommunikation. Zur Verbesserung dieser Funktionen und zur Entwicklung moderner Motorsysteme sind neue Systemkonzepte erforderlich.
Die drei Kernprozesse in modernen Antriebssystemen sind Leistungswandlung, Steuerung und Kommunikation (Bild 1). In Motorsteuerungen ermöglicht die digitale Leistungs- faktorkorrektur (PFC) eine Synchronisation zwischen eingangsseitiger Leistungsstufe und Motorsteuerung. Ferner lassen sich mit der PFC Daten zur Überwachung von Eingangsleistung und Energieverbrauch erfassen, welche über die Kommunikations-Schnittstelle in einen System-Controller eingespeist werden können. Die neuesten Signalisolations-Technologien sorgen nicht nur für die digitale Signalisolation zwischen Leistungs-, Steuerungs- und Kommunikationsbereichen, sondern ermöglichen auch die Integration anderer Funktionen wie A/D-Wandler und Kommunikations-Transceiver.
Ein Schlüsselfaktor, der Aufschluss über die Leistungsfähigkeit eines Antriebssystems gibt, ist die Qualität des Signals im Rückkopplungspfad. Leistungsstarke Antriebssysteme brauchen schnelle und genaue Rückkopplungssignale, um etwa die Position der Motorwelle und den Strom durch die Wicklungen zu steuern. Die Qualität dieser Signale ist abhängig von der Leistungsfähigkeit des Transducers und der Signalverarbeitungselemente im Rückkopplungspfad.
Controller für digitale Leistungsfaktorkorrektur
Indem sie nicht-lückende PFC-Techniken (Continuous-Conduction Mode PFC) zum Verringern des Oberwellengehalts verwenden, können Anwender Änderungen aller Zustände oder Situationen einstellen und so die Ein- und Ausgangsstufe für ein bestimmtes Leistungssystem dynamisch anpassen (Bild 2).
Bei neuen Produktfamilien von digitalen PFC-Controllern wie den einphasigen ADP1047 und ein-/zweiphasigen ADP1048 von Analog Devices erfolgt diese Art der Programmierung über eine PMBus-konforme Schnittstelle und ein GUI (Graphical User Interface). Anwender können mit diesen Bausteinen Systeme ohne die von alternativen DSP-basierten Lösungen gewohnte Programmierung entwickeln. Diese Controller korrigieren den Leistungsfaktor und messen gleichzeitig die Eingangsleistung mit ±1 % Genauigkeit bei Volllast.
Beide Bauteile sind auf einphasige Systeme mit Wechselspannungs-Eingang zugeschnitten. Der ADP1048 arbeitet im Interleaved-Betrieb (zweiphasig), um die Größen der Ausgangsinduktivität und des Kondensators zu reduzieren, um mit kleineren Induktivitäten auszukommen und um den Gleichrichter zu ersetzen und so den Wirkungsgrad in brückenlosen Boost-Topologien zu erhöhen. Alle Signale werden digitalisiert, so dass die Parameter über eine PMBus-konforme Schnittstelle gemeldet und eingestellt werden können - einschließlich der präzisen Messung von Eingangsspannung, Strom und Leistung.
Bild 3 beschreibt die interne Struktur des ADP1048. Dieser enthält mehrere A/D-Wandler, einen Digital-Kern, EEPROM und einen internen Oszillator. Die A/D-Wandler und Verstärker sind an den Signalpegel und die Abtastfrequenz der Anwendung angepasst. Mit dem Digitalkern werden Funktionen wie einstellbare Schaltfrequenz, Einschaltstrom, Fehlerauswertung, Leistungsmessung und Telemetrie programmiert bzw. flexibel eingestellt.
Ein Beispiel: Der Controller kann die Spannungsschleife bei hohen Schalttransienten automatisch auf eine höhere Abtastrate umschalten. Die effektive Auflösung des A/D- Wandlers mit Spannungsrückkopplung ist bei einer um den Faktor 10 schnelleren Abtastung niedriger, doch wird die volle Auflösung wieder hergestellt, sobald das System auf die Transiente reagiert hat.
Mit dem EEPROM können alle Systemparameter intern gespeichert werden; somit startet der IC beim Einschalten in einer vorprogrammierten Konfiguration. Über ein GUI kann der Anwender Parameter und die Test-Leistung während der Systementwicklung abstimmen.
Die Momentaufnahme der grafischen Benutzeroberfläche (Bild 4a) zeigt, wie die Einstellungen der Strom- und Spannungsschleifen programmiert werden, indem man das geeignete Filter wählt und die Pol- und Nullstellen für einen optimalen Verlauf positioniert. Auf ähnliche Weise (Bild 4b) kann der Anwender PWM-Timing, Frequenz- und Modulationsverläufe einstellen.
Beim Komplettumstieg in die digitale Leistungswandlung verbessern sich einige Leistungs- merkmale: Speziell Bereiche wie harmonische Verzerrung, Steuerung des Anlaufverhaltens und plötzliche Laständerungen einschließlich Filter- und Fehlererkennung werden zu skalierbaren Parametern mit fester Funktion.
- Wirkungsgrad bei Motorsteuerungen erhöhen
- Rückkopplung für Echtzeitsteuerung
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