Proteggere MCU e interfacce per sensori dai pericoli delle repentine variazioni delle condizioni e del carico di motori

I motori usati nei macchinari variano da dimensioni più piccole di un dito a dimensioni più grandi di un camion. Che si tratti di posizionare un indicatore su un calibro o spingere una locomotiva, questi carichi induttivi possono devastare il circuito di controllo, che deve poter commutare piuttosto rapidamente tensioni e correnti elevate.

Lo stesso è vero anche quando si tratta di rilevare lo stato del motore. I sensori di corrente in linea, ad esempio, possono essere soggetti a enormi picchi e sbalzi dovuti alla forza controelettromotrice quando la forma d'onda di comando commuta polarità e carichi. Inoltre, questi dati di rilevamento del motore devono essere affidabili in tempo reale per consentire applicazioni più precise come le pompe di infusione medicali e i sistemi di somministrazione di farmaci.

Questo articolo prende in esame alcune delle tecniche utilizzabili per isolare i motori (e i carichi induttivi pesanti) dal driver e dai circuiti di sensori. Ciò contribuisce a proteggere i front-end analogici spesso sensibili che possono danneggiarsi facilmente se sottoposti a sollecitazioni eccessive a causa di tensioni molto alte.

Tutti i componenti, le schede dati, i tutorial e i kit di sviluppo che vengono citati sono reperibili nel sito Web di DigiKey.

Un vuoto temporale

La tecnica di isolamento più semplice è di fatto una soluzione semi-isolata. Si basa sul fatto che quando relè e contattori sono in posizione aperta, viene a crearsi un traferro in serie con il circuito di corrente, offrendo una resistenza quasi infinita. Questa è un'ottima forma di isolamento.

Tuttavia, quando un relè o un contattore viene portato in posizione "on", l'isolamento galvanico non esiste più. Se la scheda di controllo fa riferimento alla stessa terra dell'alimentazione di azionamento, anche qualsiasi effetto di rumore farà riferimento alla stessa terra. Questo non solo fa sì che le sovratensioni momentanee verso terra interferiscano con i circuiti di controllo, ma contribuisce anche a inibire qualsiasi tecnica di filtraggio del rumore di modo comune usata nello stadio sensore.

Le soluzioni di rilevamento possono usare tecniche di filtraggio, attenuazione, guadagno e clamping per rimanere isolate non galvanicamente ma comunque protette. Tuttavia, i sensori di corrente in linea, ad esempio, possono essere soggetti a enormi picchi e sbalzi dovuti alla forza controelettromotrice quando la forma d'onda di comando commuta polarità e carichi.

In tal caso è richiesto l'isolamento bidirezionale. Ciò significa che il motore, i sensori e i driver possono tutti fluttuare in modo efficiente facendo riferimento l'uno rispetto all'altro. In realtà, a un certo punto i sistemi useranno e faranno riferimento a una terra primaria, come ad esempio la messa a terra. Ai fini pratici dell'analisi, tuttavia, sono isolati.

Opzioni per l'isolamento

Esistono diverse tecnologie e tecniche valide in grado aiutarci a proteggere i circuiti di pilotaggio e di rilevamento. Una tecnica semplice utilizzabile in fase progettuale consiste nell'assicurarsi che il progetto preveda l'isteresi (Figura 1). Questa finestra protegge dalle oscillazioni di stato quando si usa una soglia assoluta.

Figura 1: L'isteresi progettata in un anello di controllo del motore è un modo semplice ma efficace di contribuire a eliminare parte delle vibrazioni di accensione e spegnimento al raggiungimento delle soglie di rilevamento.

Una tecnologia ampiamente diffusa che si è rivelata efficace è l'isolamento fotovoltaico, noto anche come optoisolamento. I dispositivi integrati a chip singolo offrono buoni livelli di prestazioni e possono essere installati in cascata per controllare livelli di potenza molto elevati utilizzando segnali logici di basso livello.

Inoltre, nei dispositivi isolati sono integrate diversi stadi utili di uscita, fra cui uscite digitali, collettore aperto, Darlington, drain aperto, gate driver e persino Triac e SCR.

In abbinamento a varistori, soppressori di sovratensioni e soppressori di transitori, l'optoisolamento è una buona tecnica fino a 50.000 volt con componenti come OPI150 di TT Electronics che è basato su una struttura assiale-tubolare per far fronte a tensioni elevatissime (Figura 2). Tenere presente che, a un certo punto, le tensioni possono diventare sufficientemente alte da formare un arco attraverso i pin su dispositivi monolitici, specie in contenitori di piccole dimensioni con passo piccolo.

Figura 2: Per mantenere l'isolamento a 50.000 volt, questi isolatori optoaccoppiati richiedono circa 7-8 cm di separazione. I contenitori monolitici a montaggio superficiale formeranno un arco a livelli di tensione molto alti.

Inoltre, gli isolatori multipli all'interno di un singolo contenitore sono soluzioni efficaci per il controllo individuale di motori trifase. Tenere presente che tutti i driver LED devono trovarsi sullo stesso lato dei rail di alimentazione isolati. Non usare, ad esempio, tre driver di un quad per pilotare le bobine di un motore trifase e il quarto come contagiri verso il controller. Per il contagiri, usare un optoisolatore separato.

Anche i relè a stato solido sfruttano l'optoisolamento e integrano numerose funzioni utili come le uscite in c.a. con zero-crossing e versioni controllate dalla resistenza.

Inoltre, gli intervalli di corrente tra 20 mA e 160 A possono essere pilotati direttamente dalla logica. Si prenda ad esempio il contattore a relè a stato solido HDC200D160 di Crydom. Progettato per ingressi tra 4 e 32 V, i livelli della corrente di uscita fino a 160 A in una configurazione SPST possono essere commutati in una configurazione On, Off o basata su PWM utilizzando un optoisolatore interno a 2,5 kV. Si noti che anche con una resistenza nello stato On di soli 4 milliohm alla massima corrente, questo componente deve dissipare 100 watt.

Trovare un senso al tutto

Oltre che essere utile per pilotaggio e controllo isolati, l'optoisolamento può essere usato anche per isolare sistemi di sensori che monitorano e ritrasmettono i dati sulla velocità del motore, l'accelerazione, la corrente, l'angolo di fase e altro ancora. Questo risulta un po' più difficile da isolare dato che vengono passati anche i segnali analogici e non solo i controlli digitali on/off.

Una tecnica che può essere usata con risultati efficienti è quella della tensione in rapporto alla frequenza. Una volta normalizzato e linearizzato, il valore di un sensore può alimentare un oscillatore controllato in tensione che pilota un optoisolatore rivolto alla scheda del controller. Il controller accumula un conteggio con gate per recuperare il valore.

In modo analogo, è possibile usare anche la modulazione della larghezza di impulso in cui la larghezza di impulso corrisponde al valore entro un intervallo normalizzato. La PWM ha il vantaggio che ogni campione può rappresentare una lettura. Con l'approccio VCO, l'accumulatore con gate può avere tempi di risposta più lenti ma ha il vantaggio di pareggiare il rumore dell'impulso dato che una lettura alterata sarà in errore solo per un bit o due.

Gli optoisolatori lineari non sono comuni come quelli digitali, ma esistono. Si consideri, ad esempio, l'optoisolatore lineare IL300-F-X007 di Vishay. Questo componente usa due diodi rilevatori, uno nella fase di uscita e l'altro utilizzabile nell'anello di retroazione dello stadio del driver. Ciò consente di usare un amplificatore operazionale per polarizzare la parte emettitore dell'optoisolatore in modo lineare (Figura 3). Via via che aumenta il segnale di ingresso, aumenta anche la corrente di uscita pur rimanendo isolata.

Figura 3: Utilizzando due fotorilevatori molto simili illuminati dallo stesso fotoemettitore, uno può essere usato nell'anello di retroazione lineare del driver. L'altro riporta la stessa condizione pur rimanendo elettricamente isolato.

Anche le barriere rinforzate si stanno rivelando un'opzione valida per fornire l'isolamento ad alta tensione per i sensori. Texas Instruments propone i modulatori delta-sigma isolati, rinforzati e ad alta precisione AMC1305x, un esempio eccellente di sistema a sensori integrati studiato per fornire un isolamento monolitico di livelli analogici di risoluzione abbastanza alti (Figura 4). Utilizza una barriera capacitiva a doppio isolamento per separare lo stadio di ingresso da quello di uscita e raggiunge un picco di 7.000 V e valori nominali di sovratensione momentanea di 10.000 V conformi a diverse norme VDE, UL e CSA.

Figura 4: In questa interfaccia di sensori isolata a chip singolo e driver viene usata una tecnica di isolamento capacitivo a doppia barriera. Un filtro digitale è in grado di estrarre una risoluzione a 16 bit a 78.000 campioni al secondo, con una protezione fino a 7.000 V. Si noti l'alimentazione flottante che consente alla porzione di rilevamento di fluttuare con il carico.

Grazie all'uso di un resistore di shunt nel percorso di conduzione della fase motore, riesce ad acquisire un segnale di basso livello che alimenta un modulatore delta-sigma. L'uscita del modulatore viene rialimentata al microcontroller che può usare algoritmi di filtraggio digitali per estrarre una risoluzione a 16 bit a 78.000 campioni/sec.

TI indica il filtro sigma-delta nel processore dual core Delfino come miglior candidato per implementare l'algoritmo di rilevamento della corrente del motore isolata e offre il kit di valutazione TMDXDOCK28377D per aiutare i progettisti.

In sintesi

Dato il numero particolarmente elevato di usi dei motori, ogni progetto è una storia a se stante, ma rimane l'esigenza comune di proteggere le interfacce di microcontroller e sensori dai pericoli rappresentati da variazioni repentine di carichi e condizioni dei motori. Come ha cercato di sottolineare questo articolo, esistono diverse buone tecniche di isolamento in grado di risolvere qualsiasi tipo di problema.

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