Bruk pålitelige isolasjons-ADC-er til å effektivt styree trefasede induksjonsmotorer

Trefasede AC-induksjonsmotorer produserer mekanisk kraft til nesten 80 % av bruksområder innen industrien, ved å at de har ekstremt høy virkningsgrad og miljømessig robuste egenskaper. Effektiv styring av disse motorene er nødvendig for å takle tyngre belastningsproblemer som vannpumper, kjelepumper, slipemaskiner og kompressorer som krever høyere startmoment, god hastighetsregulering og rimelig overstyringskapasitet.

Denne styringen er utfordrende for konstruktører, ettersom trefaset motorelektronikk krever isolert analog signaltilbakemelding på tvers av strømshuntene fra høyspenningssignalene i fellesmodus (common-mode). I tillegg må de høye dynamiske isolasjonsspenningene opprettholdes over et bredt område for omgivelsestemperatur.

Løsningen på presisjon tre-fase induksjons AC-motorstyring for mange bruksområder ligger i strømsensorkretser og de isolerte funksjonene for analog-til-digital-omformeren (ADC), for eksempel en isolert modulator. Denne ADC-funksjonen oppretter en fangstmekanisme for inverterens (vekselretterens) høyspenningssignal over en strømshuntmotstand for styringenheter for AC-motorer.

Denne artikkelen diskuterer problemene som er forbundet med å oppnå nøyaktig AC-motorstyring og hvorfor isolert analog tilbakemelding er et godt alternativ for denne typen utrustning. Den introduserer deretter en isolert stjerne-trekant-vender (sigma-delta modulator) fra Analog Devices, i tillegg til et sin px/px, eller sinc-filter, digitalt filter for modulatorutgangssignalet for å lage en 16-bits ADC-tegnrekke-enhet samtidig som den utnytter isolasjonsbarrieren.

Introduksjon til den trefasede AC-induksjonsmotoren (trefaset asynkronmotor)

De primære egenskapene til servomotoren med høy ytelse er å ha en jevn rotasjon ned til stans, full styring over dreiemomentet i stoppen, samt raske retardasjoner og akselerasjoner. Motordriversystem med høy ytelse bruker vanligvis trefasede vekselstrømsmotorer (figur 1). Disse maskinene erstatter likestrømsmotoren som den foretrukne maskinen på grunn av deres lave treghet, høye forhold mellom utgangseffekt/vekt, robuste konstruksjon og gode rotasjonsytelse ved høy hastighet.

Figur 1: Industriell trefaset AC-induksjonsmotor med den utgående roterende akselen på venstre side og boksen med de elektriske terminalene på toppen. (Bildekilde: Leroy-Somer)

Prinsippene for vektorstyring, også kalt feltorientert styring, styrer disse AC-motorene De fleste moderne høyytelsesdrivere har digitalt implementert strømstyring med lukket sløyfe. I dette systemet avhenger den oppnåelige båndbredden med lukket sløyfe av utførelseshastigheten til algoritmene for beregningsintensiv vektorstyring og sanntidsimplementering av tilhørende vektorrotasjoner. Denne beregningsmessige byrden krever digitale signalprosessorer (DSP) for å implementere et digitalt sinc-filter og de innebygde motor- og vektorstyringssystemene. DSP-ens beregningskraft tillater raske syklustider og styringsbåndbredder for lukket sløyfestrøm.

Det komplette strømstyringsskjemaet for disse maskinene krever også et pulsbreddemodulasjonsskjema (PWM) høyspenningsgenereringsskjema,samt en høyoppløselig ADC for måling av motorstrømmene. Den jevne styringen av dreiemoment til null hastighet, vedlikehold av rotorposisjonstilbakemeldinger er avgjørende for moderne vektorregulatorer. Her beskriver vi de grunnleggende prinsippene bak implementering av en høyytende ADC for trefasede AC-motorer som kombinerer en 16-bits isolert analog-til-digital-modulator og en integrert DSP-styring med en kraftig DSP-kjerne og fleksibel digital sinc-filtergenerering.

Isolasjonsstrategi

Trefase AC-motorer med høy ytelse trenger jevn rotasjon ned til stans, full styring av dreiemoment ved stans og raske akselerasjoner og retardasjoner. Måling av motorens hastighet med transdusere. Dreiemoment med fasestrømmer styrer isolerte portdrivere direkte (figur 2).

Figur 2: Dette trefasede motordriversystemet (U, V og W) har FET-invertertransistorer for å drive motoren, samt strømmålemotstander, R_S, for å detektere strømstyrkene. (Bildekilde: Analog Devices)

Deteksjonsmotstandene, R_S, i figur 2 fanger motorens viklingsstrøm. En 16-bits konvertering bruker disse signalene til å måle motorens dreiemoment dynamisk. Hall-effektsensoren fanger opp motorens posisjon. Dette systemet fanger opp både dreiemomentet og posisjonen over tid.

Det er betydelige spenningsreferanseproblemer å forstå når du driver et trefaset motorstyringssystem. Isolasjon er en avgjørende utfordring med invertertrinnet på strømkortet og prosessoren på styringskortet. Grunnreferansene for disse to tavlene er forskjellige, noe som krever isolasjonsprodukter for å beskytte enhetene og brukerne mot potensiell skade.

Spenningen på en trefaset fellesmodus portdriver for en AC-motor kan være så høy som 600 volt eller mer, med pulsbreddemodulasjon (PWM) bytte større enn 20 kilohertz (kHz) og stigningstider på 25 volt per nanosekund (ns) for IGBT-inverter. Disse spennings- og stigningstidsegenskapene krever isolasjonsenheter for å beskytte følsomme kretser i dette fiendtlige miljøet. Deteksjon av strømmene til motoren er viktig med minimal systeminterferens. Sensoren du velger for trefasemotoren er en ekstremt liten deteksjonsmotstand (R_S). Det isolerte systemet forbedrer også støyimmuniteten i motorstyringssystemet.

Isolerte systemer tar hensyn til to viktige utformingsproblemer: ekstremt høye spenninger i felles bromodus og fangst av motorstrømmer (I_U, I_V og I_W). I figur 3 gir Analog Devices sin stjerne-trekant-isolerte inngangsmodulator ADuM7701 på ±250 millivolt (mV) det digitale signalet fra sekundærsiden til primærsiden.

Figur 3: Denne trefasede AC-motorkretsen bruker ADuM7701 magnetisk isolert stjerne-trekant-modulator til å fange motorstrømstyrkene og ADSP-CM408F DSP til å implementere sinusfiltre og evaluere motorens tilstand. (Bildekilde: Analog Devices)

Driftstemperaturen er fra -40 °C til 125 °C, med en immunitet mot transienter i høy fellesmodus på 10 kilovolt (kV) per mikrosekund (ms) over isolasjonsbarrieren. ADuM7701 sin isolerte sideeffekt er 4,5 til 5,5 volt, mens DSP-chippen i ADSP-CM408F opererer ved 3,3 volt. Dette systemet overvinner vanskeligheten med å isolere den analoge inverterens felles høyspenningssignal som vises over de aktuelle shuntmotstandene (R_S).

Fastsettelsen av shuntmotstandsverdiene for I _V og I_W (R_S) i figur 3 avhenger av de spesifikke kravene til spenning, strøm og effekt. Små motstander minimerer effekttap, men kan ikke utnytte hele ADuM7701-inngangsområdet. Motstander med høyere verdi oppnår maksimal signal-til-støy-ytelse (SNR) ved å bruke hele ADC-ytelsesinngangsområdet. De endelige verdiene som velges, er et kompromiss mellom nøyaktighet og lavt effekttap.

Den angitte maksimale inngangsspenningen til ADuM7701-modulatoren er ±250 mV. R_S må være mindre enn V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK} for å tilfredsstille disse betingelsene. For eksemplet i figur 3, hvis effekttrinnets toppstrømsmengde er 8,5 ampere (A), er den maksimale shuntmotstanden 29,4 milliohm (mΩ).

Betjening av stjerne-trekant-modulator

Fronten på ADuM7701 er en andreordens vender med et felles inngangsområde på -0,2 volt til +0,8 volt. Den andre ordens stjerne-trekant-modulatorkrets inneholder to analoge stjerne-trinn (integrator) med to analoge trekant-trinn (subtraktor). Utgangen fra denne kombinasjonen sammenlignes med en referansespenning, for eksempel jord, for å klokke en 1-bits digital utgang (figur 4).

Figur 4: Frontenden av ADuM7701 omfatter en andre ordens stjerne-trekant-modulator som kombinerer to analoge stjerne-trinn (integrator) med to analoge trekant-trinn (subtraktor). (Bildekilde: Analog Devices)

Den klokkede 1-bits strømmen presenteres for et digitalt/desimatorfilter, i tillegg til å bli matet tilbake til en digital-til-analog-omformer og deretter til de analoge subtraktorstadiene. For å oppnå den beste generelle ADC-ytelsen kombineres signalet med ADSP-CM408F for å lage et sinusfilter som konverterer modulatorsignalet til en fullt operativt 16-bits tegnrekke-enhet. Umiddelbarheten til modulatorens 1-bits kode gir øyeblikkelig overstyring. Det komplette systemet konverterer de sensorregistrerte resistive motorbenstrømmene for å gi riktig motormomentinformasjon.

Digitalt filter

Utgangen til ADuM7701-modulatoren kobles til ADSP-CM408F-digitalfilterets primære, sekundære og klokkeinnganger. Den primære signalbanen fortsetter til sinc-/desimasjonsfiltermodulen. Den sekundære signalbanen har overstyringskomparatorer for raskt å oppdage en systemfeiltilstand.

Frekvensen til modulatoren 5 megahertz (MHz) til 21 MHz-klokken (f_M) – og desimasjonshastigheten (D) definerer sincfilterytelsen. Sincfilterrekkefølgen (O) er en rekkefølge høyere enn modulatoren. Derfor er sinc-filteret med ADuM7701 tredje ordre. Ligning 1 viser filterfrekvensresponsen.

 Ligning 1

Hvis du tilpasser desimeringsfrekvensen til motorens PWM-bryterfrekvens, reduseres harmonisk PWM- vekslingssvingning betydelig. Frekvensresponsen i figur 5 har nuller ved frekvenser som til og med er multiplum av desimasjonsfrekvensen (f_M/D).

Figur 5: ^tredjeordens sinc-digitale-filteramplituderespons. (Bildekilde: Analog Devices)

Konklusjon

Trefasede AC-motorer med høy ytelse trenger jevn rotasjon ned til stans, full styring av dreiemoment ved stans og raske akselerasjoner og retardasjoner. Å utføre denne motorstyringsoppgaven krever sanntidsmålinger av motorens dreiemoment, posisjon og feiltilstander. Designerens utfordring er å forstå AC-motorens presisjonskrav, velge en isolasjonsstrategi, velge en passende stjerne-trekant-bane og implementere et digitalt sinc-filter.

Ved hjelp av en isolert modulator og en prosessor for styring av blandede signaler, for eksempel ADuM7701 og ADSP-CM408 fra Analog Devices, kan konstruktørene lage et robust motorstyringssystem med høy presisjon for vannpumper, kjelepumper, slipemaskiner og kompressorer.