Pomiar prądu w silnikach krokowych i serwomechanizmach stanowi kluczowy element w sterowaniu oraz diagnostyce nowoczesnych układów napędowych. Właściwy dobór amperomierza i zastosowanej metody pomiarowej decydują o precyzji sterowania silnikami typu krokowe oraz wysokiej niezawodności serwomechanizmów.
Metody pomiaru prądu
W praktyce technicznej stosuje się kilka podstawowych technik pomiaru prądu, różniących się zasadą działania, pasmem przenoszenia oraz dokładnością.
Pomiary rezystancyjne z użyciem bocznika
- Pomiar opiera się na znajomości rezystancja bocznika oraz pomiarze napięcia na jego zaciskach.
- Zalety: prostota konstrukcji, niski koszt, wysoka odporność na zakłócenia elektromagnetyczne.
- Wady: ograniczone pasmo przenoszenia, generowanie strat mocy.
Czujniki efektu Halla
- Wykorzystują zjawisko odchylenia strumienia magnetycznego przez pole wytwarzane przez przepływający prąd.
- Charakteryzują się galvanicznym rozdziałem obwodów pomiarowego i mierzonych prądów.
- Dobra czułość przy niskich prądach, możliwość pomiaru prądów stałych i zmiennych.
Transformatory prądowe i cewki Rogowskiego
- Transformator prądowy: idealny do pomiaru prądów zmiennych o częstotliwości sieciowej.
- Cewka Rogowskiego: kompensacja strumienia magnetycznego, brak traconych mocy, szerokie pasmo przenoszenia.
- Wymagane dodatkowe wzmacniacze napięcia do integracji sygnału w przypadku cewki Rogowskiego.
Specyfikacje i wymagania metrologiczne
Każda aplikacja napędowa stawia określone wymagania dotyczące dokładność pomiaru i stabilności wskazań. W metrologii prądu istotne są następujące parametry:
- Dokładność: wyrażana zwykle jako błąd procentowy pełnej skali lub odczytu.
- Pasmo przenoszenia: zakres częstotliwości, w którym amperomierz zachowuje liniowość i niskie zniekształcenia.
- Czułość: minimalna zmiana sygnału wejściowego wywołująca zauważalną zmianę wskazań.
- Stabilność temperaturowa: zmienność wskazań w funkcji temperatury otoczenia.
- Odporność na zakłócenia: odporność na pola elektromagnetyczne, drgania mechaniczne oraz piki napięcia.
W procesach przemysłowych konieczne jest również wykazanie zgodności z normami metrologiami, zabezpieczenie przed przetężeniem oraz okresowa kalibracja przyrządów.
Implementacje w silnikach krokowych i serwomechanizmach
W zaawansowanych systemach napędowych pomiar prądu stanowi część sprzężenia zwrotnego w pętlach prądowych i pozycyjnych. Dzięki monitorowaniu prądu uzyskujemy:
- Ochronę przed przeciążeniem uzwojeń oraz zabezpieczenie przed zablokowaniem wirnika.
- Optymalizację momentu obrotowego i redukcję strat energetycznych.
- Diagnostykę stanu silnika oraz identyfikację potencjalnych błędów w działaniu.
Przykładowe rozwiązania to:
Sterowniki z wbudowanym pomiarem prądu
Nowoczesne sterowniki krokowe i serwomechanizmy posiadają amperomierz w układzie scalonym, umożliwiający szybkie próbkowanie prądu i regulację PWM w pętli prądowej.
Moduły zewnętrzne
Systemy wymagające izolacji galvanicznej stosują zewnętrzne czujniki prądu (Hall, rezystancyjne lub Rogowskiego) z konwerterami sygnału i magistralami cyfrowymi do transmisji pomiaru.
Kalibracja i bezpieczeństwo pomiarów
Aby zachować powtarzalność i dokładność, każdy miernik prądu powinien przechodzić procedury walidacyjne. Etapy procesu kalibracji obejmują:
- Porównanie z wzorcem pomiarowym o wysokiej precyzji.
- Weryfikację liniowości zakresów oraz pomiar przy różnych temperaturach.
- Dokumentację wartości korekcyjnych oraz procedurę ponownej kalibracji.
Z punktu widzenia bezpieczeństwo operatora i sprzętu należy zwrócić uwagę na:
- Izolację pomiarową między obwodem wysokoprądowym a niskoprądowym.
- Ochronę przeciwzwarciową i termiczną w układach pomiarowych.
- Redukcję zakłóceń radiowych (EMC) poprzez odpowiednie filtrowanie i ekranowanie.
Stosowanie norm IEC i EN gwarantuje stabilne działanie instalacji napędowych oraz bezpieczną eksploatację w środowisku przemysłowym.
