Analog to Digital Conversion Concept Design for Sinusoidal Safety Encoder Interface

Abstract

This work targets to develop an analog-to-digital conversion concept for sinusoidal encoder interface, to use with safe speed measurement function in a frequency converter. Special attention is given to requirements of functional safety standards IEC 61508 and ISO 13849. The selected concept must fulfill SIL 3 and PL e requirements according to preceding standards. Also other measures such as cost and easiness of implementation are taken into account.

The basics of functional safety as well as presentation of typical rotary encoder and analog-to-digital converter types are included in the theoretical part of this work. Requirements for the encoder interface are collected. Four different concepts for analog-to-digital conversion are presented and compared.

As a result, two-channel ADC with multiplexer was chosen as the most suitable concept for A/D-conversion for sinusoidal safety encoder. It is a cost-efficient solution, which is easy to implement with the existing speed measurement logic used in AC drives. In addition, cost-effectiveness of this concept can further improved by utilizing aliasing digital signal sampling, which was also studied with laboratory experiments.

Tämän työn tarkoituksena on kehittää A/D-muunnintopologia käytettäväksi turvaluokitellussa sini-kosini-pyörintänopeusanturin liitäntälaitteessa, jolla voidaan toteuttaa turvallinen moottorin nopeudenvalvontatoiminto taajuusmuuttajassa. Erityistä huomiota kiinnitetään IEC 61508 ja ISO 13849 standardien asettamiin toiminnallisen turvallisuuden tasojen SIL 3 ja PL e vaatimuksiin, sekä toteutuksen helppouteen ja kustannusnäkökohtiin.

Työn teoreettinen osuus esittelee toiminnallisen turvallisuuden käsitteen osana teollisuuskoneiden riskien vähentämisessä. Lisäksi erilaiset pyörintänopeusanturit ja A/D-muunnintyypit on esitelty omissa kappaleissaan. Työssä määritellään vaatimukset, jotka pyörintänopeusanturin liitäntälaitteen tulee täyttää. Työssä esitellään ja vertaillaan neljä konseptia A/D-muunnoksen toteuttamiseksi.

Työn tuloksena parhaaksi konseptiksi valittiin kaksikanavaisesta A/D-muuntimesta ja tulovalitsimesta (MUX) koostuva A/D-muunnintopologia. Se on komponenttikustannukseltaan edullinen ja helppo toteuttaa olemassa olevaa nopeudenmittauslogiikkaa käyttäen. Tämän ratkaisun kustannustehokkuutta voidaan vielä entisestään parantaa käyttämällä laskostuvaa signaalin näytteistystä, jota tutkittiin myös laboratoriomittauksin.