Jeszcze w latach osiemdziesiątych producenci maszyn CNC i robotów byli też producentami wbudowanych w system mini-mikrokomputerów sterujących te maszyny. Ponieważ rynkowe komputery były drogie opłacało się opracować własny projekt i podjąć produkcje. Producent sterowań do maszyn CNC lub robotów musiał mieć duże zaplecze badawczo-konstrukcyjne i odpowiednio adekwatną pozycję kapitałową aby podołać kosztom prac.
Sytuacja zmieniła się diametralnie w miarę popularyzacji komputerów PC. Niestety sprawę użycia w systemach sterowania komputerów PC komplikuje system Windows który NIE jest systemem czasu rzeczywistego. Do tej przykrej czy wręcz paskudnej cechy systemów Windows jeszcze szczegółowo wrócimy.
Obecnie za kilka dolarów ( cena producenta ) można kupić mikrokontroller rodziny ARM lub inny o wydajności ca 200 MIPS z peryferiami do servo driv-u.
W systemie Kuka KRC-1 cieżki i duży moduł PM6-600 zawiera 6 inverterów wraz z analogowymi regulatorami prądów fazowych i zabezpieczeniami. Moduł zawiera też rozbudowany zasilacz. Łącznie jest w nim około 200 układów scalonych ! Liczba zapierająca dech w piersi. Nic dziwnego że w nowszej rodzinie robotów KRC-2 moduły KSD (Kuka Servo Drive ) regulatory prądu są wykonane na wydajnych mikrokontrollerach.
W systemie KRC-1 trójfazowe moduły IGBT ( na przykład Toshiba MG25Q6ES42 ) są dołączone do bramkowych driverów kablami. Ponieważ szkodliwa indukcyjność tego połączenia jest duża to istniała konieczność stosowania ujemnego napięcia bramkowego. Karty driverów INZ52-6 z drogimi układami HCPL-3160 były złożone.
W nowszym systemie KRC-2 6 prostych i tanich ( cena fabryczna poniżej dolara ) driverów bramkowych HCPL-3120 ( J312 ) upakowano blisko brzegu modułu IGBT co przy krótkich połączeniach o małej indukcyjności pozwoliło na rezygnacje z ujemnego napięcia bramki i rezygnacje z transformatorków i prostowników zasilających drivery. W zamian zastosowano do zasilania górnych driverów układ Bootstrap, który ma jednak swoje wady i ograniczenia, które należy pokonać programem mikrokontrollera.
Wysokonapięciowa (1200V ) monolityczna technologia CMOS jest znana od około 30 lat. Pionierem jej masowego zastosowania jest koncern International Rectyfier ( obecnie włączony do Infineon ) który zastosował ją w swoich popularnych driverach tranzystorów Power MOS i IGBT.
Czy realne jest stworzenie tanich wysokonapięciowych trójfazowych monolitycznych CMOS-owych ( lub w innej technologii ) mostków inverterów wraz z diverami i układami pomiaru prądów fazowych na średnie moce ?
Od lat masowo produkowane są przez wiele firm proste, niskonapięciowe, małej mocy mostki do sterowania silników krokowych i silników BLDC.
Od 15 lat koncerny Texas Instruments, NXP oraz SONY oferują i masowo produkują tanie monolityczne wzmacniacze akustyczne pracujace w klasie D coraz większej mocy. Przykład układu wzmacniacza Texas Instruments: TPA3255 315-W Stereo, 600-W Mono PurePath™ Ultra-HD Analog-Input Amplifier. Wykonane w technologi CMOS układy mają niestety dość małe maksymalne napięcie zasilające bo tylko 53V. Ale układy koncernu NXP typu TDA8953 ( 2x210 W lub 420 W ) mogą pracowac z napieciem 85V.
Optymalne napięcie stałe zasilające servo drive wynosi 600Vdc ( Zostanie to później objaśnione ). Tranzystory Mosfet wykonywane są w procesie produkcyjnym razem z pasożytniczą "diodą" ( jest to faktycznie tranzystor o zwartym złaczu E-B ) antyrównoległą. Im wyższe napięcie maksymalne tranzystora Mosfet tym wolniejsza i paskudniejsza jest ta dioda. Nie stwarza ona w inverterach problemów tylko do napięcia 100V. Ta więc klasyczna technologia jest bezużyteczna.
Do niedawna kompletny "tranzystor" IGBT składał się ze wspólnie zamontowanego tranzystora IGBT i szybkiej antyrównoległej diody, wyprodukowanych w osobnych procesach. Ale koncern Infineon wynalazł sposób scalenia obu elementów ! Patrząc na wynalazek pracowników Infineona aż dziw bierze że nikt wcześniej tego nie odkrył i nie zastosował.
Pomysłowość ludzka jest nieskończona i niejedno odkrycie jeszcze zobaczymy.
Popularyzacja i umasowienie określonych rozwiązań-produktów powoduje w konkurencyjnym wyścigu wysyp coraz to lepszych technologii. Omawiane już moduły trójfazowych mostków IGBT z driverami bramkowymi rodziny IRAM, Integrated Power Modules, koncernów International Rectyfier - Infineon już mają niskie ceny co było przecież warunkiem koniecznym szerokiego zastosowania ich w sprzętach domowych. Póki co invertery IRAM, Appliance Motor Drive Applications , są jednak stosowane tylko w lepszych pralkach, lodówkach, piecach gazowych. Ale z czasem invertery trafią w domowych sprzętach pod strzechy i w III Swiecie. Taka jest natura postępu technologicznego.
Szkoda że tranzystory w modułach IRAM są na maksymalne napięcie 600V ( z konicznym marginesem bezpieczne napięcie zasilania wynosi 450V ) co wynika z jednofazowego zasilania sprzętów domowych. Wyklucza je to niestety z zastosowania w systemach zasilanych trójfazowo jak maszyny CNC i roboty.
Tranzystory Mosfet i IGBT często produkuje się na liniach na których wcześniej produkowano układy scalone.
W przypadku gdy driver bramki ma nieskończoną wydajność i szybkość, szybkość przełączania bramki wynika z indukcyjnosci połączeń, wewnętrznej oporności bramki oraz koniecznej oporności Rg do stłumienia oscylacji. Harris Semicondustor w 1992 roku wprowadził tranzystor mocy Mosfet RFV10N50BE, "Very Fast Turn-Off Characteristics, Nanosecond Switching Speeds", który ma zintegowany pomocniczy tranzystorek Mosfet do szybkiego wyłączania głównego tranzystora. Czas opadania prądu Tf tego tranzystora mocy wynosi 5ns. Współczesną technologią można by osiągnąć znacznie lepszy wynik ale jest to bezcelowe.
Energoelektronika to bardzo trudne tematy. W sumie mało jest krajów gdzie projektuje i produkuje się masowo energoelektronikę. W Polsce w tym temacie jest pustynia.
OdpowiedzUsuń