産業用モーション コントロールは、インバータ ベースのファンやポンプの制御から、より高度な AC ドライブ制御を備えたファクトリー オートメーション、複雑なサーボ制御を備えたロボット工学などの高度なオートメーション アプリケーションに至るまで、幅広いアプリケーションをカバーしています。{0}これらのシステムでは、モーター巻線の電流または電圧、DC バスの電流または電圧、ローターの位置と速度など、多くの変数の検出とフィードバックが必要です。変数の選択と必要な測定精度は、最終アプリケーションの要件、システム アーキテクチャ、ターゲット システムのコスト、またはシステムの複雑さによって異なります。{3}}状態監視などの付加価値機能など、他にも考慮すべき点があります。-電気モーターは世界の電力の 40% を消費していると報告されており、国際規制により産業用モーション アプリケーション全体のシステム効率に対する注目が高まっています (図 1 を参照)。
図 1. 産業用ドライブのアプリケーションの範囲
さまざまなモーター制御信号チェーン トポロジにおける電流および電圧の検出手法は、モーターの定格電力、システム性能要件、および最終アプリケーションによって異なります。この場合、モーター制御信号チェーンの実装は、センサーの選択、電流絶縁要件、ADC の選択、システムの統合、およびシステムの電源/グランドの分割によって異なります。通常、絶縁要件は最終的な回路トポロジーとアーキテクチャに大きな影響を与えますが、このホワイトペーパーでは、より効率的なモーター制御システムを実現するために、（影響要因の 1 つとして）電流検出測定の改善に焦点を当てます。
I および V の測定
一般化されたモーター制御信号チェーンを図 2 に示します。高忠実度測定を達成するための信号調整は簡単な作業ではありません。-相電流検出は、このノードがインバータ モジュールのコア内のゲート ドライバ出力と同じ回路ノードに接続されているため、電圧の絶縁とスイッチング過渡現象の処理に関して同じ要件があるため、特に困難です。
図 2. 一般化されたモーター制御信号チェーン
モーター制御で最も一般的に使用される電流センサーは、シャント抵抗器、ホール効果センサー (HES)、および変流器 (CT) です。シャント抵抗器は絶縁を提供せず、損失が発生しますが、すべてのセンサーの中で最も線形であり、コストが最も低く、AC 測定と DC 測定の両方に適しています。シャントの電力損失を制限するために必要な信号レベルの低下により、通常、シャントのアプリケーションは 50 A 以下に制限されます。 CT と HES は固有の絶縁機能を備えているため、大電流システムに対応できますが、初期精度や温度精度が低いためコストが高くなり、シャント抵抗で達成できるソリューションよりも精度の低いソリューションが得られます。センサーのタイプに加えて、いくつかのモーター電流測定ノードから選択できます (図 3 を参照)。最高性能のシステムには直接同相巻線測定が理想的です。-
図 3. 絶縁型および非絶縁型モータの電流フィードバック-
モーター電流を検出するには多くのトポロジがあり、コスト、消費電力、パフォーマンス レベルなど考慮すべき要素は数多くありますが、ほとんどのシステム設計者にとって重要な目標は、コスト目標内で効率を向上させることです。
HESからシャント抵抗器まで
シャント抵抗器は絶縁されたシグマ-デルタ（Σ-Δ）変調器に結合され、最高品質の電流フィードバック（十分に低い電流レベル）を提供します。システム設計者にとって、HES からシャント抵抗器に移行するという大きな傾向があり、また、絶縁型アンプ方式ではなく絶縁型変調器に移行するという別の傾向もあります。多くの場合、システム設計者が HES をシャント抵抗器に置き換える場合、絶縁アンプを選択し、HES- ベースの設計で以前に使用されていた ADC を引き続き使用します。この場合、アナログからデジタルへの性能に関係なく、性能は絶縁アンプによって制限されます。{6}}
絶縁型アンプと ADC を絶縁型シグマデルタ変調器に置き換えると、性能のボトルネックが解消され、通常は 9- ビットから 10 ビットの質量フィードバック、さらには 12 ビットのレベルに変更され、設計が大幅に改善されます。シグマデルタ変調器出力の処理に必要なデジタル フィルタも高速 OCP ループを有効にするように構成できるため、アナログ過電流保護回路 (OCP) も排除できます。
利用可能な Σ-Δ 変調器の差動入力範囲は ±250 mV で、OCP には ±320 mV フルスケールが使用され、抵抗シャント測定に最適です。アナログ入力はアナログ変調器によって継続的にサンプリングされ、入力情報は最大 20 MHz のデータ レートのデジタル出力ストリームに含まれます。生の情報は、適切なデジタル フィルターを使用して再構築できます。変換パフォーマンスは帯域幅またはフィルタ バンク遅延とトレードオフできるため、より粗く高速なフィルタは、IGBT 保護に最適な 2 μs 程度の高速応答 OCP を提供できます。
シャント抵抗器のサイズの縮小
信号測定の観点から見ると、感度と消費電力の間にはトレードオフがあるため、シャント抵抗の選択にはいくつかの重要な課題があります。{0}}より大きな値の抵抗器を使用する場合、自己発熱効果による非線形性も課題となります。-設計者はトレードオフに直面しています。-さまざまな電流レベルで多くのモデルやモーターに対応するには、シャント サイズを選択する必要があることが多いため、さらに悪化します。モーターの定格電流の数倍になる可能性があるピーク電流に直面してダイナミック レンジを維持し、両方を確実に捕捉する必要があるのは課題です。
これらの課題に直面して、システム設計者は、より広いダイナミック レンジや、信号対ノイズおよび歪み比 (SINAD) が改善された優れたシグマ{0}{1}デルタ変調器を探しています。{1}{2}現在まで、絶縁型 Σ-Δ 変調器製品は、16 ビット分解能と最大 12 有効ビット (ENOB) で保証された性能を提供してきました。
図 4.AD7403 は高性能の 2 次シグマ{{4}デルタ変調器です。-高性能絶縁型シグマデルタ変調器
より高性能な-絶縁型シグマ-変調器は、産業用モータ制御設計における幅広いニーズをサポートし、シャント抵抗のサイズを削減することでモータ ドライブの電力効率を向上させます。業界の例としては、ADI の AD7403 変調器があります (図 4 を参照)。これは AD7401A の次世代であり、同じ 20 MHz の外部クロック レートでより広いダイナミック レンジを提供します。これにより、より柔軟なシャント サイズのオプションが可能になり、より高い電流レベルで HES の代わりにシャント抵抗を使用できるようになります。チップの ENOB は通常 14.2 ビットです。動的応答は、測定遅延を減らすことによっても改善できます。このデバイスは、以前のデバイスよりも高い連続動作電圧 (VIORM) による絶縁方式も備えています。これにより、より高い DC バス電圧とより低い電流によってシステム効率が向上します。--