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適用於工業馬達驅動的新系統保護方案
 

【作者: 德州儀器】   2018年05月09日 星期三

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假設您是一位工業驅動系統設計師,現在有個任務請您提出一個專為系統馬達所設計的電源保護方案。無論您決定採用哪種解決方案,都必須考慮系統於異常情況下發生過電壓、欠電壓和過電流的情形。如果您無法適當地設計考慮這些情況,當系統因過電流而產生問題,或是馬達因過電壓/欠電壓而過熱時,系統馬達都將受到損壞。隨著時間的推移,這將導致潛在的全系統故障,也意味著機器停止和營收損失。


在這種情況下,您可能會決定增加一個外部電源保護電路來監測過電壓或過電流情況,並在需要時發送通知以切斷馬達的電源,這擴大了系統的物料清單(BOM),也增加了成本,並佔用了空間。


C2000 Delfino F28377x和Piccolo F28004x MCU系列以多達8個內建比較器子系統(CMPSS)的形式,為這些電源設計問題提供解決方案。


每個CMPSS包含兩個類比比較器,比較器H(高)和比較器L(低),以及12位整合數位類比轉換器(DAC)。CMPSS使用每個比較器提供不同的電壓或電流閾值,其輸出可用於驅動觸發區(trip zone)。這會強制脈衝寬度調變(PWM)進入四個可能狀態之一:高、低、高阻抗或無行動。


晶片內建比較器是非同步的:無論系統的狀態如何,當比較器的輸入發生改變時,例如觸發等事件,它們都會立即做出反應。這意味著發生異常事件時,整個過程以及PWM輸出變化僅需要約55ns。圖1顯示了一個異常事件與一個觸發區之間所耗費的時間總和。



圖1 : CMPSS偵測到的異常事件與觸發區之間的時間間隔
圖1 : CMPSS偵測到的異常事件與觸發區之間的時間間隔

根據發生的情況,可以透過觸發區子模組(傳送觸發訊號的位置)執行一系列操作。在發生短路或過電流情況時,觸發區子模組允許一次性觸發(OSHT)。週期的(CBC)觸發也可能使電流或電壓超過特定閾值時限制了電流或電壓。


最後,F2837x和F28004x亦能實現了設計的彈性,因為除了改變PWM狀態之外,觸發訊號還可以應用在其他情況。這些裝置利用一系列多工器的交叉開關(X-BAR),以便將多個訊號連接到單一位置。這提供了非常彈性的訊號路徑。增強型脈衝寬度調變(ePWM)X-BAR可使CMPSS輸出直接發送到觸發區子模組,進而實現低延時觸發。


然而,X-BAR系統的實用性藉由輸出X-BAR得到進一步增強,可將觸發訊號的外部路徑連到通用型輸入/輸出(GPIO)針腳。這對於系統其他部分需要傳送通知異常事件時,非常有用。例如:在工業驅動空間有一種使用情況是將觸發訊號發送至安全斷開扭矩(STO)電路,此電路在被啟動時阻止馬達軸進一步旋轉。



圖2 : 採用CMPSS和X-BAR進行保護的綜合方法
圖2 : 採用CMPSS和X-BAR進行保護的綜合方法

本文分享了如何結合X-BAR使用比較器子系統來啟動觸發區域以達到保護目的。不過,這只是比較器子系統和X-BAR的其中一個應用。C2000設備上CMPSS和X-BAR的彈性使其可用於各種不同的應用。


設計師不再需要爭取建立額外的子系統區塊來處理故障或其他異常事件,透過晶片內建的比較器子系統和F2837x和F28004x系統範圍內的X-BAR,可以輕鬆實現晶片內建的保護。


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