K účinnému řízení třífázových indukčních motorů použijte spolehlivé izolační A/D převodníky

Třífázové indukční střídavé motory produkují mechanickou energii pro téměř 80% průmyslových aplikací tím, že poskytují extrémně vysokou účinnost a robustní ekologické vlastnosti. Efektivní řízení těchto motorů je zapotřebí k řešení problémů s vyšší zátěží, kterou představují například vodní čerpadla, čerpadla kotlů, brusky a kompresory vyžadující vyšší záběrové momenty, kvalitní regulaci otáček a přiměřenou kapacitu překročení rozsahu.

Taková regulace je pro konstruktéry náročná, protože elektronika třífázového motoru vyžaduje zpětnovazební izolovaný analogový signál na proudových bočnících z vysokonapěťových soufázových signálů. Kromě toho musí být v širokém rozsahu okolních teplot udržována vysoká dynamická izolační napětí.

Řešení přesné třífázové regulace indukčních střídavých indukčních motorů pro mnoho aplikací spočívá v obvodech snímání proudu a funkcích izolovaného analogově-digitálního převodníku (ADC) zahrnujících například izolovaný modulátor. Tato funkce A/D převodníku vytváří zachytávací mechanismus pro vysokonapěťový signál na proudovém bočníku spínacího výkonového invertoru pro aplikace regulace střídavých motorů.

Tento článek pojednává o problémech spojených s dosažením přesného řízení střídavých motorů a o tom, proč je izolovaná analogová zpětná vazba dobrou volbou pro tento typ aplikace. Poté představuje izolovaný modulátor sigma-delta od společnosti Analog Devices, jakož i digitální filtr sin px / px nebo sinc pro výstupní signál modulátoru k vytvoření 16bitových slov A/D převodníku při využití jeho izolační bariéry.

Úvod do třífázového indukčního střídavého motoru

Primárními charakteristikami vysoce výkonného servomotoru je plynulá rotace až do zastavení, plná kontrola točivého momentu při zastavení a rychlá zpomalení a zrychlení. Vysoce výkonné systémy motorových pohonů obvykle používají třífázové střídavé motory (obrázek 1). Tyto stroje nahrazují při volbě stejnosměrný motor díky své nízké setrvačnosti, vysokým poměrům výstupního výkonu ku hmotnosti, robustní konstrukci a dobrému rotačnímu vysokorychlostnímu výkonu.

Obrázek 1: Průmyslový třífázový indukční střídavý motor s výstupním rotujícím hřídelem vlevo a elektrickou svorkovnicí nahoře. (Zdroj obrázku: Leroy-Somer)

Tyto střídavé motory jsou regulovány na základě principu vektorového řízení, nazývaného též řízení orientované na pole. Většina moderních pohonů s vysokým výkonem používá digitálně implementovanou regulaci proudu v uzavřené smyčce. V tomto systému závisí dosažitelná šířka pásma v uzavřené smyčce na rychlosti provádění výpočetně náročných algoritmů vektorového řízení a implementaci přidružených vektorových rotací v reálném čase. Tato výpočetní zátěž vyžaduje digitální signálové procesory (DSP) k implementaci digitálního sinc filtru a integrovaných schémat regulace motorů a vektorového řízení. Výpočetní výkon procesoru DSP umožňuje rychlé doby cyklu a šířky pásma pro řízení proudu v uzavřené smyčce.

Kompletní schéma regulace proudu pro tyto stroje také vyžaduje schéma generování vysokého napětí s pulzně-šířkovou modulací (PWM) a A/D převodníku s vysokým rozlišením pro měření proudů motoru. Hladká regulace točivého momentu na nulové otáčky a kontrola zpětné vazby polohy rotoru jsou nezbytná pro moderní vektorové regulátory. Zde popisujeme základní principy implementace vysoce výkonného A/D převodníku pro třífázové střídavé motory: spojení 16bitového, izolovaného analogově-digitálního modulátoru s integrovaným DSP regulátorem s výkonným DSP jádrem generujícím flexibilní digitální sinc filtr.

Izolační strategie

Vysoce výkonné střídavé třífázové motory vyžadují plynulé řízení otáček až do zastavení, plnou kontrolu točivého momentu při zastavení a rychlé zrychlení/zpomalení. Měření otáček motoru pomocí převodníků a točivého momentu s fázovými proudy přímo řídí izolované ovladače hradel (obrázek 2).

Obrázek 2: Tento třífázový systém pohonu motoru (U, V a W) používá invertorové tranzistory FET pro pohon motoru a rezistory pro měření proudu, R_S pro snímání aktuálních velikostí. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Snímací odpory R_S na obrázku 2 zachycují proud vinutí motoru. 16bitová konverze využívá tyto signály k dynamickému měření točivého momentu motoru. Hallův senzor snímá polohu motoru. Tento systém v průběhu času zachycuje točivý moment i polohu.

Při napájení třífázového řídicího systému motoru je třeba porozumět významným problémům s referencí napětí. Izolace je zásadní výzvou u měniče na výkonové desce a procesoru na řídicí desce. Pozemní reference pro tyto dvě desky se liší a vyžadují izolační produkty k ochraně zařízení a uživatelů před potenciálním poškozením a poškozením.

Napětí hradového budiče střídavého motoru v soufázovém režimu může být až 600 V nebo více, přičemž pulzně šířková modulace (PWM) spíná kmitočty vyšší než 20 kHz a doby náběhu u IGBT invertorů dosahují 25 V za nanosekundu (ns). Aby byla v tomto nepříznivém prostředí zajištěna ochrana citlivých obvodů, charakteristiky napětí a doby náběhu vyžadují izolační zařízení. Při snímání proudů vstupujících do motoru je nezbytné zajistit minimální rušení systému. Správnou volbou pro třífázový motor je extrémně malý snímací rezistor (R_S). Izolovaný systém také zlepšuje odolnost proti šumu v řídicím systému motoru.

Izolované systémy přinášejí dvě hlavní oblasti konstrukční problematiky: extrémně vysoká napětí v můstkovém soufázovém režimu a zachycení proudů motoru (I_U, I_V, a I_W). Izolovaný vstupní modulátor sigma-delta ADuM7701 ± 250 milivoltů (mV) od společnosti Analog Devices na obrázku 3 převádí digitální signál ze sekundární strany na primární stranu.

Obrázek 3: Tento obvod třífázového střídavého motoru využívá magnetický izolovaný sigma-delta modulátor ADuM7701 ke snímání hodnot proudu motoru a DSP procesor ADSP-CM408F k implementaci sinc filtrů a vyhodnocení stavu motoru. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Tento modulátor s provozním teplotním rozsahem -40 °C až 125 °C se vyznačuje vysokou odolností vůči soufázovým rušivým signálům o velikosti 10 kV za mikrosekundu (µs) na izolační bariéře. Napájecí napětí na izolované straně modulátoru ADuM7701 je 4,5 až 5,5 V, zatímco DSP čip ADSP-CM408F pracuje s napětím 3,3 V. Tento systém překonává problémy s izolací soufázového vysokonapěťové signálu analogového spínacího výkonového invertoru, který vzniká na proudových bočnících (R_S).

Stanovení hodnot I_V a I_W bočníku (R_S) na obrázku 3 závisí na konkrétních požadavcích aplikace napětí, proudu a výkonu. Malé odpory minimalizují ztrátový výkon, ale nemusí využívat celý vstupní rozsah modulátoru ADuM7701. Odpory s vyšší hodnotou dosahují maximálního odstupu signál/šum (SNR) využitím celého vstupního výkonnostního rozsahu A/D převodníku. Zvolené konečné hodnoty jsou kompromisem mezi přesností a nízkým ztrátovým výkonem.

Specifikované maximální vstupní napětí modulátoru ADuM7701 je ± 250 mV. Pro vyhovění těmto omezením musí být R_S nižší než V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK} . Je-li v příkladu na obrázku 3 jmenovitý špičkový proud výkonového stupně 8,5 A, maximální odpor bočníku vychází na 29,4 miliohmů (mΩ).

Provoz modulátoru sigma-delta

Vstupní část ADuM7701 je tvořena modulátorem druhého řádu s rozsahem vstupního soufázového napětí -0,2 V až +0,8 V. Obvody modulátoru sigma-delta druhého řádu obsahují dva analogové stupně sigma (integrátor) se dvěma analogovými stupni delta (odečítač). Výstup této kombinace je porovnán s referenčním napětím, například na kostře, aby bylo možné taktovat jednobitový digitální výstup (obrázek 4).

Obrázek 4: Přední strana modulátoru ADuM7701 obsahuje modulátor sigma-delta druhého řádu, který kombinuje dva analogové stupně sigma (integrátor) se dvěma analogovými stupni delta (odečítač). (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Taktovaný 1bitový tok je přiváděn do digitálního/decimačního filtru, jakož i zpět do digitálně-analogového převodníku a poté do analogových odečítacích stupňů. Pro dosažení nejlepšího celkového výkonu A/D převodníku se kombinací signálu s procesorem ADSP-CM408F vytváří sinc filtr, který převádí signál modulátoru na plně funkční 16bitové slovo. Okamžitá přítomnost 1bitového kódu modulátoru poskytuje okamžitý stav překročení rozsahu. Celý systém převádí odporem snímané fázové proudy motoru na odpovídající informace o jeho točivém momentu.

Digitální filtr

Výstup modulátoru ADuM7701 se připojuje k primárnímu, sekundárnímu a taktovacímu vstupu digitálního filtru ADSP-CM408F. Cesta primárního signálu pokračuje do modulu sinc/decimačního filtru. Sekundární signálová cesta obsahuje nadlimitní komparátory pro rychlou detekci poruchového stavu systému.

Výkon sinc filtru je definován taktovací frekvencí modulátoru - 5 MHz až 21 MHz (f_M) - a rychlostí decimace (D). Řád sinc filtru (O) je o jednotku vyšší než řád modulátoru. Modulátor ADuM7701 proto používá sinc filtr třetího řádu. Rovnice 1 ukazuje frekvenční charakteristiku filtru.

 Rovnice 1

Přizpůsobení decimační frekvence spínací frekvenci pulzně-šířkové modulace motoru (PWM) významně snižuje spínací harmonické PWM modulace. Frekvenční odezva na obrázku 5 má nuly při frekvencích, které jsou sudými násobky decimační frekvence (f_M/D).

Obrázek 5: 3^rd -objednejte si amplitudovou odezvu digitálního filtru. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Závěr

Vysoce výkonné střídavé třífázové motory vyžadují plynulé řízení otáček až do zastavení, plnou kontrolu točivého momentu při zastavení a rychlé zrychlení/zpomalení. Splnění tohoto úkolu regulace motoru vyžaduje měření točivého momentu, polohy a poruchových stavů motoru v reálném čase. Náročným úkolem konstruktéra je porozumět požadavkům na přesnost střídavých motorů, zvolit izolační strategii, vhodnou cestu sigma-delta a implementovat digitální sinc filtr.

Pomocí izolovaného modulátoru a řídicího procesoru smíšeného signálu, například ADuM7701 a ADSP-CM408 od společnosti Analog Devices, mohou konstruktéři vytvořit vysoce přesný a robustní systém regulace motorů pro vodní čerpadla, čerpadla kotlů, brusky či kompresory.