Измерение тока в обмотках мотора, гальваническая развязка и отечественные компоненты Опции

[DmitrijProF]

Добрый день. Нужен совет сообщества.
Необходимо измерять ток мотора. Цель - управление моментом. Точность сверхвысокая не нужна, но и сильно огрублять не стоит.
Полумосты на полевых транзисторах и драйверы отделены от микроконтроллера гальванической развязкой, это изменить не получится. Мотор постоянного тока, коллекторный или бесколлекторный: решение нужно общее, на несколько случаев. Ток до 20А, номинальное напряжение 27В.
Хочу измерять синхронно с шимированием ключей, в каждом периоде. Частота ШИМ 16кГц. Где измерять - в обмотках мотора или в истоках нижних транзисторов - не принципиально.
Самой большой сложностью является такое ограничение: только отечественные компоненты с ВП, лучше - из перечня ЭКБ.

Если бы не было ограничения на использование китайских комплектующих, то ответом могло бы быть:
- применение датчиков тока на эффекте Холла (например, ACS712);
- шунт + изолированный усилитель;
- шунт + усилитель + линейный оптрон;
- шунт + усилитель + быстрый последовательный АЦП (в небольшом корпусе, без больших требований к питанию и обвязке) + оптроны.
К сожалению, отечественных компонентов для этих решений я не нашёл.
Прошу Вашего совета!

[Plain]

Шунт из куска провода, усилитель на подножном корме, калибратор и АОД109 — два канала линейных, а по оставшемуся калибратор постоянно сигналит о своих четырёх тактах их калибровки чередованием, т.е. смещении и усилении.

[AlexeyW]

Ток, подаваемое напряжение (произведение питания на скважность) образуют одно простое уравнение (ну, еще сопротивление обмотки входит как постоянная). Если можно как-то получить частоту вращения (вдруг это можно сделать проще, чем ток), то ток вычисляется.

[Меджикивис]

Трансформатор тока использовать не получится?

[DmitrijProF]

Шунт из куска провода, усилитель на подножном корме, калибратор и АОД109 — два канала линейных, а по оставшемуся калибратор постоянно сигналит о своих четырёх тактах их калибровки чередованием, т.е. смещении и усилении.

К сожалению, не понял про калибратор. Расскажете подробнее?
Вообще, у оптопар, не заточенных под применение в линейном режиме, разброс параметров обычно слишком большой, что даёт существенную нелинейность. Именно калибратором предлагаете это исправить?

Если можно как-то получить частоту вращения (вдруг это можно сделать проще, чем ток), то ток вычисляется.

Мне кажется, что уравнение здесь весьма сложное получается: нужен ток в обмотках, а не потребляемый от источника питания. Он сильно отличается, увы.

Трансформатор тока использовать не получится?

Интересная идея. Не сталкивался раньше. Почитаю и подумаю, как это можно сделать.
Пока пугает то, что для таких маленьких мощностей (максимум сотни ватт) готовых, скорее всего, нет. А мотать вручную - так не получится точно выдерживать параметры. Это потянет калибровку для каждого исполнения, что докидывает проблем.
Но повторюсь, идея интересная.

Удивляет, что не лежит на поверхности решение. Неужели никому до этого не нужна была аналоговая развязка? Как же устроены следящие системы все военные? Ток-то им так же надо получать. Да и для других задач в промышленности и спецтехнике актуально. Вроде бы.

[Plain]

не понял про калибратор

Сперва создаётся генератор эталонного треугольника (интегратор, компаратор, аналоговый мультиплексор), и к нему ещё делитель на триггере. Получается четыре такта.

В первом такте первый усилитель переключается аналоговым мультиплексором с датчика тока на этот треугольник, а в третьем такте — второй.

Если требуется калибровка датчика, в первом такте к измеряемому току добавляется эталонный.

Передаваемый тактовый сигнал выделяется из сигнала генератора посредством элемента "исключающее ИЛИ", а в качестве строба — например, в первом такте выделенный тактовый импульс удлиняется вдвое.

[AlexeyW]

Мне кажется, что уравнение здесь весьма сложное получается: нужен ток в обмотках, а не потребляемый от источника питания. Он сильно отличается, увы.

Да вроде как нет, если учесть все системные константы типа сопротивлений и ще некоторые. Огромной точности ведь действительно не нужно.

Кстати, насчет токового датчика - есть трансформаторные ТД с передачей постоянной составляющей, ну вот типа такого

[Tanya]

- шунт + усилитель + быстрый последовательный АЦП (в небольшом корпусе, без больших требований к питанию и обвязке) + оптроны.

Немного можно модифицировать. Интегратор со сбросом. В момент сброса - импульс через оптрон.

[Меджикивис]

есть трансформаторные ТД с передачей постоянной составляющей

А зачем передавать постоянную составляющую? - у него же ШИМ: длительного постоянного тока не будет.

[Tanya]

А зачем передавать постоянную составляющую? - у него же ШИМ: длительного постоянного тока не будет.

В двигателе постоянного тока не будет постоянного тока? Когда сломается или выключится, ток прекратится - правильно я догадалась?

[Меджикивис]

В двигателе постоянного тока не будет постоянного тока?

В двигателе - будет. Почти постоянный. (За счет индуктивности.)
А вот в цепях ключей будет строго ШИМ, амплитуду токовых импульсов которого контролировать можно.

Когда сломается или выключится, ток прекратится - правильно я догадалась?

ШИМ-импульсы тока прекратятся, да.

[KAlexn]

http://www.lem.com/ru/ru/content/view/13/690/
Вроде отечественный.

[DmitrijProF]

Благодарю, что откликнулись!

Сперва создаётся генератор эталонного треугольника (интегратор, компаратор, аналоговый мультиплексор), и к нему ещё делитель на триггере. Получается четыре такта.
В первом такте первый усилитель переключается аналоговым мультиплексором с датчика тока на этот треугольник, а в третьем такте — второй.
Если требуется калибровка датчика, в первом такте к измеряемому току добавляется эталонный.
Передаваемый тактовый сигнал выделяется из сигнала генератора посредством элемента "исключающее ИЛИ", а в качестве строба — например, в первом такте выделенный тактовый импульс удлиняется вдвое.

Выглядит сложно пока. Сначала порисую и поразмыслю: так сразу мне и не сказать, как это будет получаться. Интересно.

Да вроде как нет, если учесть все системные константы типа сопротивлений и ще некоторые.

Что-то эксперимент показывает, что не получается просто. Нужно интегрировать будет непрерывно, затрудняюсь сходу написать.

Немного можно модифицировать. Интегратор со сбросом. В момент сброса - импульс через оптрон.

Я правильно понял, что это просто даст большую точность и отсутствие необходимости делать сэмпл чётко синхронизировано с ШИМом в середине периода?

В двигателе - будет. Почти постоянный. (За счет индуктивности.)
А вот в цепях ключей будет строго ШИМ, амплитуду токовых импульсов которого контролировать можно.

Если в двигателе будет почти постоянный, то и в нижних транзисторах полумостов будет такой же, увы.
Сначала зацепился, думал, получится что-то в режиме разрыва тока сделать: на малой частоте ШИМ давать току опуститься. Получилось печально: для маленького мотора допустимо, большой уже сильно теряет в мощности. Видимо, в лоб не решить эту ветку.

Кстати, насчет токового датчика - есть трансформаторные ТД с передачей постоянной составляющей, ну вот типа такого

http://www.lem.com/ru/ru/content/view/13/690/ Вроде отечественный.

Спасибо за ссылку. Подойдёт как крайний вариант, если не придумаю совсем ничего: военпреды теоретически, через боль, могут разрешить невоенные изделия отечественного производства. С названиями на латинице - через ещё большую боль. Но если совсем ничего, то ОК.

[Herz]

http://www.lem.com/ru/ru/content/view/13/690/
Вроде отечественный.

С открытием представительства в России компания LEM не стала "отечественной".

[novikovfb]

Пока пугает то, что для таких маленьких мощностей (максимум сотни ватт) готовых, скорее всего, нет. А мотать вручную - так не получится точно выдерживать параметры. Это потянет калибровку для каждого исполнения, что докидывает проблем.

насчет трансформатора тока - не всё так плохо. Правильно подключенный трансформатор тока (на нагрузку с нулевым входным сопротивлением, т.е. трансимпедансный усилитель) имеет коэффициент передачи, зависящий только от количества витков, так что, если не ошибаться при намотке - калибровка не нужна.

[Tanya]

Я правильно понял, что это просто даст большую точность и отсутствие необходимости делать сэмпл чётко синхронизировано с ШИМом в середине периода?

Не совсем... Это просто АЦП, выдающий частоту - интеграл тока.

[тау]

сделать можно схемку о трех кольцах , и даже о двух. И пойдет . Для примеру вот из журнальчика силовая электроника N5 2015 .
аналоговик инженер разберется.
МОП адназначна.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Меджикивис]

Если в двигателе будет почти постоянный, то и в нижних транзисторах полумостов будет такой же, увы.

Только не всё время.
Пока ключ открыт - ток через него равен току обмотки, естественно.
Но как только ключ закрылся - ток через него будет равен нулю.
Так что имеем модуляцию тока с частотой ШИМ. Передать такой ток через трансформатор - можно.

[Tanya]

Только не всё время.
Пока ключ открыт - ток через него равен току обмотки, естественно.
Но как только ключ закрылся - ток через него будет равен нулю.
Так что имеем модуляцию тока с частотой ШИМ. Передать такой ток через трансформатор - можно.

Те, кто имел дело с управлением моторчиками, знают, что существует много разных ситуаций:
торможение закорачиванием двигателя, рекуперация - возврат энергии в блок питания и пр.
Также нужно учесть наличие индуктивных и др фильтров.

[muravei]

Есть еще способ мерять частоту LC- генератора , сквозь катушку которого проходит силовой провод.

[DmitrijProF]

Не совсем... Это просто АЦП, выдающий частоту - интеграл тока.

Да, тупанул. Интересная мысль. Поищу, на чём можно собрать.
Опять-таки, почти со всеми АЦП беда - хотят хорошего двухполярного питания. На "внешней", неразвязанной стороне, сделать его обычно не то чтобы сложно, но... некрасиво.

сделать можно схемку о трех кольцах , и даже о двух. И пойдет . Для примеру вот из журнальчика силовая электроника N5 2015 .

Спасибо. Видимо, что-то в этом направлении и делают обычно. На первый взгляд выглядит оверсложно. Берусь почитать этот номер внимательнее и подумать.

Только не всё время.
Пока ключ открыт - ток через него равен току обмотки, естественно.
Но как только ключ закрылся - ток через него будет равен нулю.
Так что имеем модуляцию тока с частотой ШИМ. Передать такой ток через трансформатор - можно.

Мотор - катушка индуктивности. И управляется мостовой схемой. Tanya права, это создаёт кучу тонкостей, и в результате - ток обычно до нуля не опускается никогда. А режимы управления, в которых это случается, содержат ещё больше тонкостей и проблем. Так что в моём случае ток содержит постоянную составляющую. Печаль.

Есть еще способ мерять частоту LC- генератора , сквозь катушку которого проходит силовой провод.

Мои знания, к сожалению, не позволяют сходу написать зависимость. Почитаю книжки, подумаю. За идею спасибо!

Пока, как кривой временный вариант, остановился на решении с внешним АЦП. Микроконтроллер 1886ВЕ61У1 (ПКК "Миландр"): 12 бит АЦП, QFN-корпус, 5В питание, USART для передачи данных. МК можно заставить синхронизироваться с ШИМ и оцифровывать в нужный момент, потом минимально усреднять - и по последовательному порту через оптрон передавать большому микроконтроллеру информацию о токе. Попробую так.
Но верю, что есть решения проще и лучше.

[Plain]

Выглядит сложно

Напомните себе своё первое сообщение — сложность задачи в том была, чтобы решить всё строго по нынешнему Минпромторгу, и она выполнена — всё можно собрать за сутки на коленках, и будет работать сразу, без каких-либо бубнов.