SiC
GaN

Изоляция – неотъемлемый компонент систем управления движением в робототехнике

Статья создана при поддержке компаний Digi-Key и Analog Devices и призвана показать простые пути устранения нежелательных наводок между входами и выходами устройств управления двигателями при помощи внедрения в их конструкцию цепей изоляции
895
В избранное

Статья создана при поддержке компаний Digi-Key и Analog Devices и призвана показать простые пути устранения нежелательных наводок между входами и выходами устройств управления двигателями при помощи внедрения в их конструкцию цепей изоляции.

Переход к Индустрии 4.0 ускорил внедрение роботов, коботов (коллаборативных роботов, которые работают вместе с людьми, выполняя общие задачи) и других современных машин в фабричное производство для повышения уровня производительности. Вместе с этим новые стандарты энергопотребления требуют все более высокого уровня энергоэффективности производства.

Эти требования ставят новые задачи по проектированию устройств сразу в нескольких направлениях, включая сетевое взаимодействие, распределенные измерения и точный контроль управления движением.

Двигатель и его система управления: главные факторы, влияющие на уменьшение энергопотребления

В современной производственной ячейке, такой как промышленный робот, показанный на рис.1, используется несколько электродвигателей. Фактически, согласно некоторым исследованиям, на электродвигатели приходится примерно 2/3 общего расхода энергии на производстве. Поэтому неудивительно, что разработка энергоэффективных двигателей и стратегий управления ими является одной из первостепенных задач.

Роботы и другие устройства Индустрии 4,0 требуют высокой точности управления двигателем и малого энергопотребления

Рис. 1. Роботы и другие устройства Индустрии 4,0 требуют высокой точности управления двигателем и малого энергопотребления

Сегодня на производстве используются различные типы двигателей: коллекторные двигатели постоянного тока (Brushed DC или BDC), модели с бесщеточной конструкцией (Brushless DC или BLDC), индукционные двигатели переменного тока, шаговые двигатели, сервоприводы и так далее. В двигателях постоянного тока технология BLDC является более предпочтительной, чем BDC, так как BLDC-двигатели имеют более высокие эффективность, коэффициент отношения вращающего момента к массе подвижной части аппарата, надежность, и более низкий уровень шума.

Кроме того, двигатели типа BLDC менее прихотливы в обслуживании, хотя и имеют один недостаток: для управления ими необходим более сложный и дорогой контроллер. BDC-двигатели включают в себя статор с постоянным магнитом и зависят от его механического взаимодействия с фазным ротором; BLDC имеют обратную компоновку – с фазным статором и ротором с постоянными магнитами.

Как результат, BLDC-двигатели требуют электронного управления: контроллер должен подавать питание на обмотки статора в определенной последовательности для поддержания вращения ротора. Для этого, в свою очередь, необходимо знать положение ротора. Установленный на роторе датчик может предоставить информацию о его положении контроллеру напрямую либо контроллер может рассчитать положение самостоятельно на основе величин напряжений и токов в фазных обмотках.

Система управления BLDC-двигателями, как правило, также включает в себя блок управления питанием, человеко-машинный интерфейс (HMI), средство подключения к заводской сети, и, опционально, интерфейс для подключения к программируемому логическому контроллеру (ПЛК). На рис. 2 показана структурная схема данной системы. Продукты производства компании Analog Devices выделены темно-синим цветом.

Структурная схема системы управления двигателем робота, включающая в себя несколько изолированных блоков, выделенных красным цветом

Рис. 2. Структурная схема системы управления двигателем робота, включающая в себя несколько изолированных блоков, выделенных красным цветом

Роль изоляции при проектировании устройств управления двигателем

Схема, изображенная на рис. 2, включает в себя несколько устройств производства Analog Devices, выделенных красным цветом, которые сочетают в себе функцию изоляции при передаче аналоговых или цифровых сигналов. Гальваническая развязка (изоляция функциональных блоков электрических систем для предотвращения протекания тока между ними) является одним из главных требований многих современных промышленных стандартов.

Блок изоляции предотвращает возникновение постоянного смещения и нежелательных переменных токов между входом и выходом устройства во время работы. Такие блоки содержат изоляционный барьер, имеющий высокое пробивное напряжение. Благодаря изоляционному барьеру между входом и выходом устройства, по сути, отсутствует электрический контакт, однако устройство может передавать информацию через него, используя емкостные, индуктивные или оптически методы передачи.

Существует целый ряд причин для включения в конструкцию устройства изоляционных барьеров. В первую очередь это безопасность, подразумевающая под собой защиту операторов и других функциональных блоков от высоких напряжений и токов, возникающих при выполнении различных промышленных операций.

Помимо безопасности, изоляция помогает решать и другие проблемы. Например, опорный уровень земли между двумя отдельными электрическими системами на промышленном предприятии может сильно различаться. Это различие, в свою очередь, может привести к ошибкам при передаче цифровых сигналов, при работе с аналоговыми сигналами любая разница в dc-уровне земли между устройствами добавляет нежелательную ошибку смещения, а наведенное переменное напряжение может повлиять на полезную составляющую сигнала. Включение изолирующего блока в схему поможет исключить подобные различия в опорных уровнях заземления.

В некоторых решениях низкоуровневый сигнал может передаваться при большем синфазном (CM) напряжении. Это напряжение, в свою очередь, может превысить входной рабочий диапазон последующего устройства и повредить оборудование. Секция изоляции может блокировать синфазное напряжение и следить за тем, чтобы через изолирующий барьер проходил только измеряемый сигнал. Недостатком такого подхода является то, что добавление изоляции в неизолированную разработку приводит к увеличению стоимости системы, повышению энергопотребления и снижению скорости передачи данных.

Компания Analog Devices Inc. (ADI), - лидер в области создания интегральных схем для обработки аналоговых, смешанных и цифровых сигналов (DSP), - предлагает пользователю множество решений для создания изоляции в цепях управления двигателем: изолированные драйверы затвора, изолированные операционные усилители и аналого-цифровые преобразователи, изолированные устройства связи, такие как приемопередатчики RS-485, и так далее.

Существует несколько технологий для передачи информации через изолирующий барьер. Оптическая изоляция (оптопара), – преобразование электрического сигнала в свет с помощью светодиода (LED) и передача световых импульсов фотоприемнику через изоляционный барьер, – это решение, которое уже давно является наиболее популярным вариантом. Однако производительность такого решения снижается по мере того как «стареет» светодиод. В добавление к этому, паразитные емкости, присутствующие в подобных решениях, обеспечивают нежелательные соединения, которые ухудшают синфазную помехоустойчивость (CMTI).

Технология iCoupler от ADI базируется на использовании миниатюрных трансформаторов для передачи высокоскоростных цифровых сигналов через барьер изоляции при помощи магнитной индукции. Трансформатор iCoupler (рисунок 3) включает в себя две обмотки отделенной слоями изоляции - или полиимида, или двуокиси кремния (SiO2). Симметричная структура трансформатора позволяет использовать блоки обработки с передовыми схемами кодирования-декодирования, что обеспечивает более быструю и согласованную работу устройства, а также предоставляет возможность двунаправленной передачи данных.

Конструкция iCoupler-трансформатора

Рис. 3. Конструкция iCoupler-трансформатора

Применение iCoupler-трансформатора позволяет уменьшить задержку передачи сигнала и его искажение по сравнению с оптической изоляцией (таблица 1).

Таблица 1. Сравнение величин задержки распространения для оптической и индукционной изоляции

Тип изолятора Максимальная задержка распространения сигнала, нс Искажение задержки распространения сигнала, нс
Оптический До 700 200
Индукционный 60 12

Как показано в таблице 1, трансформаторы iCoupler обеспечивают меньшие уровни задержки распространения сигнала и его искажения, чем оптические изоляторы. Это имеет существенное значение для конструкторов систем управления двигателем, так как благодаря этому они могут снизить задержки для предотвращения возможной погрешности работы драйверов управления затвором, что, в свою очередь, позволяет сократить задержку при переключении транзисторов и уменьшить искажение напряжения питания двигателя. Результатом является уменьшение вибраций во время работы на малых скоростях, стабилизация крутящего момента и уменьшение нагрева системы.

Устройства серии isoPower от Analog Devices совмещают в себе изолированную передачу сигнала с изолированным DC/DC-преобразователем. Для достижения максимальной эффективности преобразователь на основе микротрансформаторов в таких устройствах работает с частотой до 300 MГц. Благодаря малому радиусу обмотки трансформатора, равному ~0,5 мм, уровень ЭМИ isoPower-устройства не превышает 500 пВт при частоте 300 МГц.

Функциональные блоки системы управления двигателем

Рассмотрим основные функциональные блоки системы управления двигателем типа BLDC и выделим несколько изделий ADI, которые помогут разработчикам добавить в них функцию изоляции.

Блок привода двигателя управляет каждой из трех обмоток независимо друг от друга. Он, как правило, состоит из шести драйверов управления затвором, управляющих шестью силовыми транзисторами, сконфигурированными как три полумоста. Силовые транзисторы могут быть как кремниевыми IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), так и MOSFET (металлооксид-полупроводник). Стоит учесть, что стремление к более высокой эффективности расширяет применение силовых ключей с широкой запрещенной зоной (WBG), построенных на основе SiC (карбида кремния) или GaN (нитрида галлия).

WBG-переключатели имеют довольно скромные потери на переключение по сравнению с их кремниевыми аналогами. В результате WBG имеют высокую эффективность, но предъявляют жесткие требования к драйверам управления затвором. Изолированные драйверы производства Analog Devices разработаны с учетом этих требований и способны работать на повышенных скоростях переключения, при этом обеспечивая надежную работу и с менее требовательными MOSFET и IGBT-транзисторами.

В полумостовых драйверах затвора производства компании Analog Devices применяется технология iCoupler для обеспечения независимых и изолированных сигналов управления транзисторами верхнего и нижнего плеча. Устройства могут обеспечивать пиковый выходной ток 4 А и работать на частоте до 1 МГц. ADuM3223 обеспечивает 3 кВ изоляции (RMS) в компактном узком корпусе SOIC на 16-выводов, а ADuM4223 - 5 кВ изоляции (RMS) в более широком, 16-выводном корпусе SOIC. Каждое устройство соответствует стандарту UL1577.

Драйверы затвора ADuM3223 и ADuM4223, имеющие по два независимых канала изоляции, работают со входным напряжением питания в диапазоне 3…5,5 В, что позволяет использовать их в низковольтных системах. Напряжение на каждом из выходов может отличаться от напряжения на входе на величину до 537 В (среднеквадратичного) в течение продолжительного времени. Дифференциальное напряжение между верхним и нижним каналами может достигать 800 В (пикового значения)

В результате ADuM3223/ADuM4223 обеспечивают надежное управление как WBG-, так и IGBT/MOSFET-ключами в широком диапазоне положительных и отрицательных коммутационных напряжений.

Другая часть блока привода отвечает за фиксацию фазового напряжения двигателя и его фазового тока и последующую передачу полученных данных в цифровое ядро. Данная часть также отвечает за определение положения ротора при помощи резольвера или оптического энкодера. Данные, полученные в результате измерений, используются для обратной связи контура управления, для диагностики и обнаружения неисправностей.

Для измерения такого рода сигналов требуются высокоточные аналоговые компоненты: операционные усилители, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) или более узконаправленные устройства, такие как RDC-преобразователи.

Структурная схема AD7402, совмещающей изоляцию и аналого-цифровое преобразование

Рис. 4. Структурная схема AD7402, совмещающей изоляцию и аналого-цифровое преобразование

АЦП AD7402, изображенный на рис. 4, является сигма-дельта-преобразователем (Σ-Δ) и идеально подходит для изолированных решений, измеряющих величину тока путем контроля напряжения на шунтирующем резисторе. AD7402 захватывает аналоговое напряжение, использует Σ-Δ-модулятор второго порядка для преобразования этого напряжения в цифровой сигнал с частотой передачи данных до 10 МГц и передает данные через изолирующий барьер iCoupler. На выходной стороне барьера цифровой фильтр восстанавливает исходный сигнал. Выбрав значение шунтирующего резистора, можно изменять диапазон измеряемого тока.

Блок связи и управления соединяет контроллер двигателя с заводской сетью и HMI или ПЛК. Сетевой интерфейс часто представляет собой промышленную версию Ethernet, такую как EtherCAT или Profinet, хотя в некоторых случаях используется также и Profibus. Этот блок также содержит интерфейс для подключения и управления системой при помощи ПЛК или промышленного ПК, а также аналоговые и/или цифровые порты ввода/вывода (I/O).

Конструкция данного блока также часто требует наличия изоляции. Примерами устройств, построенных по технологии isoPower от Analog Devices и подходящих для управления двигателем, являются изолированный приемопередатчик RS-485/RS422 ADM2682 (рис. 5) и изолированный CAN-приемопередатчик ADM3053. CAN - это многопрофильный протокол со встроенным обнаружением коллизий, который широко используется в автомобильных и промышленных сетях.

Структурная схема ADM268x, объединяющего цифровой изолятор и изолированный DC/DC-преобразователь в одном корпусе

Рис. 5. Структурная схема ADM268x, объединяющего цифровой изолятор и изолированный DC/DC-преобразователь в одном корпусе

Приемопередатчик ADM2682 работает со скоростью до 16 Мбит/с и способен действовать как в полудуплексном, так и в дуплексном режимах. Устройство обеспечивает изоляцию до 5 кВ, соответствует стандартам UL1577 и применимым стандартам изоляции CSA и VDE. ADM3053, в свою очередь, обеспечивает изоляцию до 2,5 кВ (RMS) и передает данные со скоростью до 1 Мбит/с.

В зависимости от конкретных задач блок цифрового управления может содержать несколько устройств: специализированное устройство управления двигателя, цифровой сигнальный процессор (DSP), микроконтроллер (MCU) или систему-на-кристалле (СнК), объединяющую в себе несколько функциональных блоков. Ядром системы, показанной на рисунке 5, является процессор ADSP-CM408 для работы со смешанными сигналами, созданный компанией Analog Devices. Эта микросхема базируется на ядре ARM Cortex-M4, работающем на частоте 240 МГц со встроенной поддержкой операций с плавающей запятой (FPU), а также различной периферией, оптимизированной для управления двигателем. Аналоговый модуль включает в себя два 16-разрядных АЦП последовательного приближения (SAR) и два 12-разрядных ЦАП.

ADSP-CM048 также включает в себя четыре пары SINC-фильтров 3-го/4-го порядка для простого сопряжения с такими Σ-Δ-преобразователями как AD7402, и механизм анализа гармоник (HAE), позволяющий проводить измерения качества электроэнергии по основной и иным гармоникам, вплоть до 12-й..

Компания ADI сочетает широкий ассортимент продукции со всесторонней поддержкой клиентов, что позволяет инженерам легко разрабатывать и создавать изолированные системы управления двигателем.

На сайте компании «Терраэлектроника» вы можете выбрать типовые решения компании ADI по теме управления двигателями, например, в разделе «Драйверы моторов»

Производитель: Analog Devices Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ADM3053BRWZ
ADM3053BRWZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 605793 ИНФО PDF RD
Доступно: 136 шт. от: 706 руб.
Signal and Power Isolated CAN Transceiver with Integrated Isolated DC-to-DC Converter
ADM3053BRWZ 706,00 от 6 шт. 605,00 от 13 шт. 544,00 от 27 шт. 504,00 от 74 шт. 479,00
136 шт.
(на складе)
ADM3053BRWZ-REEL7
ADM3053BRWZ-REEL7
Analog Devices Inc.
Арт.: 605795 ИНФО PDF RD
Доступно: 198 шт. от: 490 руб.
CAN TRANSCEIVER, 1MBPS, WSOIC-20
ADM3053BRWZ-REEL7 490,00 от 8 шт. 420,00 от 18 шт. 378,00 от 38 шт. 350,00 от 100 шт. 332,00
198 шт.
(на складе)
ADM2682EBRIZ
ADM2682EBRIZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 880546 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 81 шт. от: 1200 руб.
TRANSCEIVER, ISO, RS485, 16SOIC
ADM2682EBRIZ 1200,00 от 4 шт. 1030,00 от 8 шт. 926,00 от 16 шт. 857,00 от 37 шт. 814,00
81 шт.
(на складе)
ADUM4223ARWZ
ADUM4223ARWZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 1109416 ИНФО PDF RD
Доступно: 123 шт.
Выбрать
условия
поставки
DRIVER, GATE, 1MHZ, 4A, 4.5V, 16SOIC
ADUM4223ARWZ
123 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADUM4223CRWZ
ADUM4223CRWZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 1125209 ИНФО PDF RD
Доступно: 122 шт.
Выбрать
условия
поставки
DRIVER, GATE, 1MHZ, 4A, 4.5V, 16SOIC
ADUM4223CRWZ
122 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADUM4223BRWZ
ADUM4223BRWZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 1187303 ИНФО PDF RD
Доступно: 123 шт.
Выбрать
условия
поставки
DRIVER, GATE, 1MHZ, 4A, 4.5V, 16SOIC
ADUM4223BRWZ
123 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADM2682EBRIZ-RL7
ADM2682EBRIZ-RL7
Analog Devices Inc.
Арт.: 1268186 AN RD
Доступно: 133 шт. от: 722 руб.
ADM2682EBRIZ-RL7 722,00 от 6 шт. 619,00 от 12 шт. 557,00 от 26 шт. 515,00 от 68 шт. 490,00
133 шт.
(на складе)
ADUM3223BRZ
ADUM3223BRZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 1319182 ИНФО PDF RD
Доступно: 143 шт. от: 406 руб.
DRIVER, GATE, 1MHZ, 4A, 4.5V, 16SOIC
ADUM3223BRZ 406,00 от 10 шт. 348,00 от 22 шт. 313,00 от 46 шт. 290,00 от 120 шт. 276,00
5 шт.
(на складе)
138 шт.
(под заказ)
ADUM3223CRZ
ADUM3223CRZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 1353225 ИНФО PDF RD
Доступно: 150 шт.
Выбрать
условия
поставки
DRIVER, GATE, 1MHZ, 4A, 4.5V, 16SOIC
ADUM3223CRZ
150 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADUM3223ARZ
ADUM3223ARZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 1496244 ИНФО PDF RD
Доступно: 208 шт.
Выбрать
условия
поставки
DRIVER, GATE, 1MHZ, 4A, 4.5V, 16SOIC
ADUM3223ARZ
208 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
AD7402-8BRIZ-RL7
AD7402-8BRIZ-RL7
Analog Devices Inc.
Арт.: 2195930 PDF RD DT
Доступно: 55 шт.
Выбрать
условия
поставки
Analog to Digital Converters - ADC Isolated 16Bit SigmaDelta ADC Int Clock
AD7402-8BRIZ-RL7
55 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
AD7402-8BRIZ
AD7402-8BRIZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 2196039 ИНФО PDF RD DT
Доступно: 87 шт.
Выбрать
условия
поставки
Analog to Digital Converters - ADC Isolated 16Bit SigmaDelta ADC Int Clock
AD7402-8BRIZ
87 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADZS-CM408F-EZBRD
ADZS-CM408F-EZBRD
Analog Devices Inc.
Арт.: 2391606 ИНФО
Доступно: 1 шт.
Выбрать
условия
поставки
ADSP-CM407F, ADSP-CM408F EZ-Board™ - DSP ARM® Cortex®-M4 Embedded Evaluation Board
ADZS-CM408F-EZBRD
1 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADZS-CM408F-EZLITE
ADZS-CM408F-EZLITE
Analog Devices Inc.
Арт.: 2391653 ИНФО PDF
Доступно: 1 шт.
Выбрать
условия
поставки
EVAL KIT, EZ-KIT LITE, ADSP-CM408F
ADZS-CM408F-EZLITE
1 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
EVAL-ADM2682EEBZ
EVAL-ADM2682EEBZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 2446952 ИНФО PDF RD
Доступно: 10 шт.
Выбрать
условия
поставки
RS485 TXRX, EVALUATION BOARD
EVAL-ADM2682EEBZ
10 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
EVAL-AD7402-8FMCZ
EVAL-AD7402-8FMCZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 2447140 ИНФО PDF RD
Доступно: 5 шт.
Выбрать
условия
поставки
EVALUATION BOARD, SIGMA-DELTA ADC
EVAL-AD7402-8FMCZ
5 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()