Aukšto perjungimo dažnio tiesieji valdikliai prieš tradicinius valdiklius: skirtumai taikymo srityse ir pakeitimo įmanomumo vertinimas

Pagrindiniai veikimo skirtumai: tiesinė reguliavimo funkcija susijungia su aukšto dažnio valdymu

Senosios mokyklos tiesiaeigiai įtampų reguliatoriai veikia nuolat koreguodami perduodančiojo tranzistoriaus būseną, kad pašalintų perteklinę energiją šilumos pavidalu. Jie yra paprasti ir sukuria minimalų triukšmą, tačiau turi rimtų trūkumų. Efektyvumas dažniausiai yra labai žemas – geriausiu atveju tik 30–60 procentų, o komponentai esant didelėms apkrovoms įprastai stipriai įkaista. Naujesnė rūšis – aukštos dažnio jungimo tiesiaeigiai valdymo įrenginiai – žymiai keičia situaciją. Šie įrenginiai išlaiko pagrindinę tiesiaeigę konstrukciją, kuri natūraliai slopina elektromagnetinį triukšmą, tačiau gamina mažiau šilumos nei įprasti tiesiaeigiai modeliai. Pagrindinis skirtumas čia – kaip jie tvarko galios perėjimus. Vietoj staigių perjungimų, būdingų įprastiems impulsinio tipo reguliatoriams, šie įrenginiai naudoja glotnesnius, kontroliuojamus perėjimus, kurie padeda pašalinti tas nepatogias aukšto dažnio triukšmo viršūnes, kurios kelia problemas kitose sistemose.

Kai dažniai didėja, valdymas tampa žymiai sudėtingesnis. Norint išlaikyti stabilumą, reikia labai pažangios PWM algoritmų ir atgalinio ryšio kilpų, veikiančių nanosekundžių greičiu. Čia labai svarbu tinkamai parinkti komponentus. Puslaidininkiai turi gebėti ištverti tuos įtampų šuolius, o magnetiniai komponentai – būti pagaminti iš specialių mažų nuostolių medžiagų, kad veiktų tinkamai. Paimkime, pavyzdžiui, grįžtamuosius tiesiaeigius varikliukus. Kai jie keičia judėjimo kryptį tokiais greitais laiko intervalais (kalbame apie milisekundžių trukmę tarp krypties pasikeitimų), šie varikliukų valdymo sistemos leidžia tiksliai kontroliuoti sukimo momentą be elektromagnetinės sąveikos, kuri gali sutrikdyti šalia esančius koduotuvus ar kitą jautrią įrangą. Vis dėlto yra vienas apribojimas, kuris kyla iš pagrindinių fizikos dėsnių. Skirtingai nuo perjungiamųjų schemų, kurios iš tikrųjų kaupia ir pakartotinai naudoja energiją, tiesieji varikliukų valdymo įrenginiai visada papildomą įtampą išmeta kaip šilumą, nepriklausomai nuo to, kokiu dažniu jie veikia. Šis fundamentalus apribojimas neigiamai veikia bendrą efektyvumą.

Šio perjungimo metu tinkamo spausdintinės plokštės (PCB) išdėstymo pasiekimas yra itin svarbus, nes turime sumažinti tas nepageidaujamas parazitines induktyvumus, kurios gali sukelti įtampų smūgius veikimo metu. Šiuo atveju naudingumo koeficientas taip pat nėra labai geras – apie 70–75 procentų, palyginti su daugiau nei 90 procentų, kurį užtikrina įprasti perjungimo reguliatoriai. Tačiau šiems įrenginiams būdinga viena ypatinga savybė – jie sukuria labai mažą elektromagnetinę sąsają. Ši žema EMI charakteristika iš tikrųjų atveria galimybes taikyti juos tokiuose pritaikymuose kaip medicinos robotai, naudojami arti MRT aparatų, ar net kosminės technikos komponentai, kuriuose šalutiniai elektriniai signalai turi būti laikomi absoliučiai minimaliais – kartais net mažiau kaip 10 mikrovoltų virpesys. Tam tikriems specializuotiems įrenginiams šis kompromisas tarp naudingumo koeficiento ir triukšmo kontrolės tampa vertingas.

Švelninamųjų tiesiaeigio variklių sistemų šiluminiai, naudingumo koeficiento ir įtampos rezervo kompromisai

Galios tiekimas išlieka sudėtinga problema grįžtamosioms tiesiaeigėms varikliukams. Kai Li-jonų baterijos patiria staigius aukštus srovės poreikius, jos dažnai rodo įtampos kritimą, kuris sumažina tai, kas liko valdymo grandinėms veikti. Pagal kai kuriuos pramonės duomenis iš praėjusių metų, šiuose sistemose pasiekus maksimalią apkrovą įtampa gali sumažėti apie 15–20 procentų. Ir tai nėra tik skaičiai popieriuje – tai tikrai riboja, kaip greitai sistema gali dinamiškai reaguoti. Inžinieriai, kurie dirba su šiais projektavimais, iš esmės turi du nepatogius variantus: arba montuoti didesnius galios komponentus, nei reikia, arba susitaikyti su lėtesniu pagreitėjimu savo judėjimo valdymo programose.

Li-jonų baterijų įtampos kritimo poveikis tiesiaeigio variklio galios rezervui ir dinaminei reakcijai

Įtampos kritimas aktyvavimo metu arba judėjimo krypties keitimo metu apkrauna tiesinius variklius. Kai baterijos įtampa nukrenta žemiau apkrovos reikalavimų ir nuostolių įtampos sumos, reguliavimas nepavyksta – dėl to tiksliai veikiančiose sistemose atsiranda padėties klaidų. Inžinieriams reikia ankstyvai modeliuoti blogiausius įtampos kritimo scenarijus; per maži varikliai kartotinėms judėjimo ciklams gali sukelti šiluminį nekontroliuojamą augimą.

Šiluminės apkrovos palyginimas tęstinio veikimo grįžtamojo judėjimo režimu

Tolygi tiesinių sistemų į priekį ir atgal judėjimo judėjimo būsena pašalina tas nepatogias šilumos atsigavimo pertraukas, kurias stebime tradicinėse sukamųjų sistemų konfigūracijose. Analizuojant tiesinius variklius, pastebima, kad jie nuolatos suvartoja didelius elektros srovės impulsus, dėl ko susidaro karštos vietos tik ten, kur energija prateka per komponentus. Paskutiniais metais IEEE Transactions žurnale paskelbti tyrimai taip pat nustatė ganėtinai ryškius skirtumus – kartais virš 40 laipsnių Celsijaus, palyginus nejudančią įrangą su įranga, veikiančia maksimaliu našumu. O čia yra tai, kas iš tikrųjų svarbu: kai tik komponentai veikia net 10 laipsnių karščiau nei numatyta jų projektavimo specifikacijoje, jų tarnavimo trukmė sumažėja dvigubai. Tai reiškia, kad protingi inžinieriai orientuojasi į aušinimą, o ne į nedidelius galingumo naudingumo koeficiento padidėjimus, nes niekas nenori keisti detalių kas šešis mėnesius tik tam, kad išsaugotų kelis vatus.

Grąžinamųjų tiesinių variklių keitimo galimybė: modernizavimo apribojimai ir konstrukcijos pritaikymas

Senųjų PWM valdiklių keitimas į aukšto dažnio tiesines versijas grįžtamuosiuose tiesiniuose varikliuose yra ne mažas uždavinys. Senųjų valdiklių užimama fizinė erdvė, jų įtampų charakteristikos ir šilumos valdymo būdai visiškai nesuderinami su šiuolaikinių tiesinių IC reikalavimais tinkamai veikti. Kai kalbama apie maitinimo šaltinio problemas, kyla dar viena problema. Daugelis sistemų veikia naudojant Li-ion akumuliatorius, kurių įtampa smarkiai krenta esant didelėms apkrovoms. Tai reiškia, kad inžinieriams reikia visiškai pergalvoti maitinimo būdelės projektavimą, kad būtų išvengta signalo iškraipymo, kai varikliai keičia judėjimo kryptį. Be to, negalima pamiršti ir elektromagnetinės sąveikos problemų. Senose sistemose dažnai trūksta tinkamo laidų ekranavimo, todėl kyla potencialios elektromagnetinės suderinamumo (EMC) problemos, kurios niekada nebūtų įtrauktos į naujų sistemų projektavimo specifikacijas.

SPB išdėstymas, šilumos valdymas ir valdymo kilpos stabilumo reikalavimai tiesioginėms pakeitimo operacijoms

Užtikrinti tiesioginės pakeitimo operacijos suderinamumą reikalauja dėmesingos SPB perprojektavimo, siekiant išspręsti tris kritines sąlygas:

• Daugiasluoksniai sluoksniavimai turi izoliuoti aukšto dažnio jungimo triukšmą nuo grįžtamojo ryšio kelių, nes ±1 % srovės banguotumo nuokrypiai destabilizuoja pozicijos valdymą tiksliaisiais grįžtamosios tiesinės judėjimo varikliais.
• Šiluminės sąsajos reikalauja vario užpildymo patobulinimų arba aktyvaus aušinimo; tiesiniai valdikliai nuolatiniu laidumu sukuria 32 % daugiau šilumos nei PWM ekvivalentai esant identiškoms judėjimo charakteristikoms.
• Valdymo kilpos reikalauja izoliuotų analoginių etapų, kad būtų išlaikyta stabilumas greitai keičiantis dažniui. Integruoti vartų valdikliai turi gebėti palaikyti >200 kHz jungimo dažnį be delsos sukeltų svyravimų.

Skirtingai nuo gryniausiai skaitmeninių PWM sistemų, tiesinių valdiklių analoginės schemos reikalauja impedanso pritaikytų laidų, kad būtų sumažinta rezonansas veikiant įrenginiui lėtinant judėjimą. Be šių adaptacijų perėjimo įtampų smūgiai gali viršyti dvigubą nominaliąją įtampą krypties keitimo metu – tai tiesiogiai veikia įrenginio tarnavimo laiką.

Kada pasirinkti aukšto jungimo dažnio tiesinius valdiklius: taikomosios programos specifinė sprendimų priėmimo schema

Pasirenkant tarp šių prabangių tiesioginių valdiklių su aukšta perjungimo dažniu ir senųjų mokyklos sprendimų, kiekvienam konkrečiam taikymui reikia įvertinti keletą veiksnių. Pagalvokite apie dalykus, pvz., elektromagnetinės sąveikos ribas, kaip gerai sistema gali susidoroti su šilumos kaupimu, kokio atsakymo greičio reikia ir ar pinigai svarbesni už našumą. Dauguma inžinierių šį pasirinkimą daro, įvertindami šiuos skirtingus aspektus pagal tai, kas iš tikrųjų svarbu jų konkrečiai sistemai. Pavyzdžiui, pozicionavimo sistemos, kurios reikalauja itin tikslaus valdymo mažiau nei 5 mikronų ribose, paprastai geriausiai veikia su šiais aukšto dažnio reguliatoriais. Tačiau jei kalbame apie sunkiąją įrangą, kuri neveikia nuolat, tradiciniai valdikliai dažnai yra racionaleresnė parinktis, nepaisant jų mažesnio technologinio patrauklumo.

Žemo EMI tikslaus judėjimo valdymo scenarijai, kai dominuoja grįžtamojo tiesiaeilio variklio triukšmo jautrumas

Vietose, kur elektromagnetinis triukšmas turi būti laikomas žemiau 20 dB, pavyzdžiui, medicinos vaizdavimo laboratorijose ar puslaidininkių gamybos įmonėse, aukštos dažnio tiesiaeigiai valdymo įrenginiai labai padeda sumažinti tiek girdimąjį triukšmą, tiek trukdžių problemas. Įprasti PWM valdymo įrenginiai, veikiantys dažniu žemiau 20 kHz, sukuria harmonikas, kurios sutrikdo jautrią įrangą. Tačiau kai šiuos dažnius pakeliami virš 50 kHz, spinduliavimas patenka į dažnių diapazonus, kuriuos daug lengviau filtruoti. Paimkime, pavyzdžiui, MRI nukreiptas biopsijos sistemas. Šiose sistemose grįžtamosios tiesiaeigės varikliukai labai naudingai naudoja šiuos valdymo įrenginius, nes jų sukeltas elektromagnetinis triukšmas lieka gerokai žemiau 0,3 mV/m, todėl vaizdai išlieka švarūs ir aiškūs. Be to, dėl aukšto dažnio veikimo reikalingi mažesni filtrai, kurie sutaupo brangaus vietos ribotose konstrukcijose. Vis dėlto inžinieriams reikia atidžiai stebėti galimus aukšto dažnio spinduliavimo reiškinius. Žemėjinti apsauginė apvalkalai ir tinkamai suvynioti sukimieji laidai labai padeda šiai problemai išspręsti. Be to, kai svarbiau išlaikyti žemus triukšmo lygius nei taupyti energiją, šie specialūs valdymo įrenginiai sumažina elektromagnetinį triukšmą daugiau kaip 40 % lyginant su įprastomis tradicinėmis alternatyvomis.