Roboty i wnioski dla nas 33

Roboty i wnioski dla nas 33

Koncern HP w obszarze inverterów do servo i "motion control" upatrzył sobie kiedyś lukratywną nisze. Przykład tego koncernu pokazuje jak niesamowicie ważna jest ze strony kierownictwa umiejętność przewidzenia rozwoju sytuacji i postawienia na właściwego konia aby zawsze być przynajmniej o krok przed konkurencją. Z małego rynku zrobił się duży rynek ! 
W inverterze dla servodrive konieczny jest pomiar prądów fazowych. W 1994 roku HP zaproponował rodzinę nowoczesnych układów HCPL-7800 do izolowanego pomiaru prądu fazowego inverterów PWM. Spadek napięcia do +/-200mV na rezystorze mocy przez który płynie wyjściowy prąd fazowy podany jest do układu rodziny HCPL-7800. Wykonany w technologii CMOS z dodatkowym transoptorem odpornym na potężne zakłocenia, układ zawiera po stronie pomiarowej modulator Sigma Delta drugiego rzędu ( czyli przetwornik A/D ) taktowany wbudowanym zegarem ca 20 Mhz. Strumień bitów przetworzony kodem kanałowym jest przesłany szybkim transoptorem do strony izolowanej z mikrokontrollerem ( i przetwornikiem A/D ) i tam zdekodowany i poddany trywialnemu przetworzeniu D/A i prostej filtracji dolnoprzepustowej. 
Przełom lat 80/90 przyniósł wysp przetworników A/D i D/A metody Sigma Delta i HP poszedł ze swoim rozwiązaniem za mainsteam-owym ciosem !   
Przetwarzanie A/D a potem D/A z filtracją i ponowne przetwarzanie A/D w mikrokontrolerze jest nieeleganckie ( i zbędne ), pogarsza dokładność ale nie ma żadnych ograniczeń realizacyjnych. Oczywiście lepiej byłoby gdyby mikrokontroller wbudowane miał cyfrowe filtry decymacyjne i akceptował wprost strumień bitów z przetwornika A/D Sigma Delta. Takie mikrokontrollery są jeszcze nowością !
Układ ma pasmo 200KHz, czas narastania 1.6us i toleruje zakłócenie o stromości 15KV/us.

Wadą tych układów jest ich wysoka cena ! Ale cena jest bardzo niska na tle konkurencyjnego rozwiązania z sensorami Halla ! Wiadomo - jak coś jest potrzebne a nie ma konkurencji to można doić klienta bez litości. Także spadek napięcia na rezystorze pomiarowym generuje moc strat ale jest to mniej niż 10% mocy strat w tranzystorach IGBT. Infineon te układy oraz precyzyjne rezystory pomiarowe umieścił w inteligentnym module trójfazowym IGBT.         

Koszt opracowania programu dla servo może być znaczny. HP na początku lat dziewięćdziesiątych wypuścił oprogramowany mikrokontroller swojej konstrukcji pod nazwą HCTL-1100, General Purpose Motion Control ICs. Budowa na jego bazie prostego serwomechanizmu jest dość prosta. Odpada konstrukcja programu.
Obecnie można kupić oprogramowane mikrokontrollery do określonego celu. Są wielokrotnie droższe niż sam mikrokontroller. Nie ma możliwości odczytania programu ! Płaci się za każdy egzemplarz programu. Znaleziono więc sposób na ochronę własności intelektualnej.

HP był i jest liderem w optycznych sensorach incrementalnych. Są popularne, stosunkowo tanie ( jest konkurencja ) i łatwo dostępne. Użyte rozwiązania HP są chronione patentami.
Mikrokontrollery do zadań motion control mają z reguły wbudowany interface do współpracy z sensorami incrementalnymi i gotowe rozwiązanie jest prościutkie.

Zanim koncern HP wprowadził rodzine układów HCPL-7800 izolowany pomiar prądu fazowego w inverterach dokonywany był najczęściej sensorami Halla.
Na zdjęciu płyty mocy modułu PM6-600 Kuka zawierającej 6 inverterów widać 12 sensorów CSNA111 ( The CSNA111 is a closed loop linear Current Sensor ) koncernu Honeywell. 

Zatem mierzone są prądy tylko dwóch faz każdego invertera co jest wystarczające w układzie trójfazowym bez przewodu zerowego jako że suma trzech prądów faz jest zerowa.
Z powodów które będą dalej objaśnione potrzebny jest dość dokładny pomiar prądów. Sensor Halla nie jest wystarczająco liniowy i stabilny. W układzie z nadążnym sprzężeniem zwrotnym w szczelinie rdzenia pierścieniowego umieszczony jest sensor Halla a na rdzeniu nawinięte jest 1000 zwojowe ( dla CSNA111) uzwojenie zasilane wzmacniaczem operacyjnym. Jeśli jest jeden zwój prądowy to przekładnia wynosi 1000 razy.
Wzmacniacz sterowany sensorem Halla podaje do uzwojenia prąd mający sprowadzić amperozwoje prądów obu uzwojeń transformatora i natęzenie pola magnetycznego w szczelinie rdzenia do zera. 

Wewnętrzna budowa sensora jest prosta. Pasmo sensora CSNA wynosi 150kHz a czas narastania odpowiedzi 0.5us.
Sensor CSNA111 jest nadal oferowany i łatwo można go kupić - mouser.com oferuje go w detalicznej cenie 34.2 Euro zaś farnell.com za £22.98. Podobnie inni dostawcy. Strasznie drogo !
Ale szwajcarska firma www.lem.com specjalizująca się w sensorach prądu z efektem Halla jest jeszcze droższa niz potężny Honeywell.