W przemysłowych systemach kontroli napędu i serwomechanizmu pomiar prądu stanowi kluczowy element pętli kontroli. Jest oczywiste, że pomiary prądu w takiej sytuacji muszą być dokładne, ale również bezpieczne i niezawodne.

Jest tak, ponieważ silniki stosowane w przemyśle zazwyczaj pracują z wysokimi napięciami. W wypadku awarii spowodowanych nadmiernym prądem lub zwarciem problem musi zostać szybko wykryty i zniwelowany, aby zapobiec katastrofalnej awarii systemu, a w najgorszym wypadku – zagrożeniu dla ludzi.

Typowym rozwiązaniem zapewniającym izolację od uszkodzonych urządzeń są sprzęgacze optyczne. Zapewniają one izolację w pętli kontroli, eliminując składową sumacyjną i składowe przejściowe. Oznacza to, że sprzęgacz optyczny może zagwarantować ochronę czujnika i izolację od zjawisk, które mogłyby pogorszyć jego dokładność.

Konwencjonalne rozwiązania kontroli silnika uzyskują ten efekt za pomocą dwóch oddzielnych elementów obwodu: przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) podłączonego do czujnika i cyfrowego sprzęgacza optycznego. Jednak teraz możliwa jest realizacja obu tych funkcji w jednym układzie: modulatorze sigma-delta izolowanym optycznie, pokazanym na rysunku 1.

Rys. 1. Schemat blokowy modulatora sima-delta izolowanego optycznie

Wejścia izolowanego modulatora do pomiaru prądu są zazwyczaj podłączone do rezystora bocznikującego, który przekształca prąd przez niego płynący na niskie napięcie około 200 mV, co ogranicza moc wydzielaną w boczniku.

Modulator sigma-delta próbkuje wejściowy sygnał analogowy i przekształca go do postaci pojedynczego ciągu bitów o wysokiej częstotliwości. Taki sygnał jest następnie przesyłany przez optyczną barierę izolacyjną. Dane odebrane po drugiej stronie izolacji są w kolejnym kroku przesyłane do procesora w celu dalszego przetwarzania.

Filtr decymujący Sinc3 można łatwo zrealizować na mikroprocesorze lub FPGA, aby odzyskać sygnał użyteczny. Filtr decymujący przeprowadza decymację, lub uśrednianie, na szeregu bitów poddanemu nadpróbkowaniu. Częstotliwość sygnału zostaje obniżona tyle razy, ile wynosi współczynnik decymacji.

To podejście ma dwie zalety. Po pierwsze, bariera izolacyjna może zostać w łatwy sposób umieszczona w pojedynczym kanale zaraz za wyjściem modulatora. Po drugie, jakiekolwiek błędy w strumieniu bitów docierające do odbiornika (na przykład spowodowane szybkimi zmianami składowej sumacyjnej) zostaną uśrednione przez filtr decymujący.

W ten sposób powstała bardzo skuteczna izolacja, która zapewnia silne tłumienie składowej sumacyjnej pomiędzy stroną pierwotną i wtórną, jak również dobrą odporność na zakłócenia w zaszumionych środowiskach, na przykład w pobliżu silników. Ponieważ modulator jest układem optycznym, jest również odporny na interferencje magnetyczne, które maja wpływ na czujniki magnetyczne oparte na efekcie Halla.

Przykładowy model Avago ACPL-789J to modulator sigma-delta z izolacją optyczną i zewnętrznym sygnałem zegara, korzystający z interfejsu LVDS. To rozwiązanie zapewnia lepsze połączenie między czujnikiem a procesorem w stosunku do typowego jednokierunkowego interfejsu LVTTL. Układ ACPL-789J zapewnia również dobrą dokładność wzmocnienia na poziomie 1% oraz stosunek sygnału do szumu 75 dB, co odpowiada efektywnej liczbie bitów (ENOB) 12.

Połączenie szybkości i precyzji

W kontroli napędu lub serwomechanizmu obciążenie silnika stanowi indukcyjność. Impedancja elementu indukcyjnego (cewki) wyraża stosunek zależności napięcia od szybkości zmiany prądu płynącego przez cewkę, opisaną znanym wzorem:

Oznacza to, że awarię, taką jak zwarcie między przewodami fazowymi lub masą, należy wykryć i zniwelować jak najszybciej, zanim w napędzie powstaną bardzo wysokie napięcia. Mogłyby one doprowadzić do katastrofalnej awarii oraz stanowić zagrożenia dla operatorów maszyn.

Typowy czas reakcji na awarię wymagany od kontrolera napędu to mniej, niż 10 ms. Jedną z popularnych metod uzyskania takiego wyniku jest stosowanie filtrów o różnych współczynnikach decymacji pracujących równolegle, co zostało przedstawione na rysunku 2. Jeden z filtrów o małym współczynniku decymacji zapewnia szybką odpowiedź pozwalającą na śledzenie niepoprawnych zachowań układu. Drugi filtr pracujący równolegle ma wyższy współczynnik decymacji i zapewnia wyższą rozdzielczość wykorzystywaną w normalnej pracy pętli kontroli.

Poprzez taki podział systemu możliwe jest bardzo szybkie wykrycie i przeciwdziałanie skutkom awarii. W tabeli 1 przedstawiono zależność między rozdzielczością a szybkością.

Rys. 2. Dwa odrębne filtry decymujące

Tab. 1. Zależność pomiędzy wartością współczynnika decymacji i czasem opóźnienia oraz wartością ENOB (Effective Number of Bits)

Podsumowanie

Pomiary prądu z wykorzystaniem modulatora sigma-delta z izolacją optyczną pozwala na swobodną konfigurację układów. Dzięki temu możliwe jest dostosowanie pracy układu do zwiększenia szybkości lub precyzji. Ponieważ układ ten jest sprzęgaczem optycznym, urządzenie będzie mogło uzyskać certyfikat bezpieczeństwa IEC 60747-5-5 przyznawany za wzmocnioną izolację.