Brug pålidelige isolations-ADC'er til effektiv styring af tre-fasede induktionsmotorer

Tre-faset induktions-vekselstrømsmotorer producerer mekanisk effekt til næsten 80 % af industrielle applikationer ved at levere ekstremt høj effektivitet og miljømæssigt robuste egenskaber. Effektiv kontrol af disse motorer er nødvendig for at tackle tungere belastningsproblemer såsom vandpumper, kedelpumper, slibemaskiner og kompressorer, der kræver højere startmomenter, god hastighedsregulering og rimelig overskridelseskapacitet.

Denne kontrol er udfordrende for designere, da tre-faset motorelektronik kræver isoleret analog signalfeedback på tværs af de aktuelle shunts fra de høje spændings, common-mode signaler. Derudover skal de høje dynamiske isolationsspændinger opretholdes over et bredt omgivende temperaturområde.

Løsningen til præcision i tre-faset induktion af AC-motorstyring til mange applikationer ligger i nuværende sensorkredsløb og de isolerede ADC-funktioner (analog-til-digital-konverter), såsom en isoleret modulator. Denne ADC-funktion skaber en opsamlingsmekanisme til omskifterens inverterens højspændingssignal over en strøm shuntmodstand til AC-motorstyringsapplikationer.

Denne artikel diskuterer problemerne i forbindelse med opnåelse af nøjagtig AC-motorstyring, og hvorfor isoleret analog feedback er en god mulighed for denne type applikationer. Derefter introducerer den en isoleret sigma-delta modulator fra Analog Devices, såvel som et sin px/px eller sinc, digitalt filter til modulatorudgangssignalet for at oprette et 16-bit ADC-word, mens man drager fordel af dets isolationsbarriere.

Introduktion til tre faset induktions AC-motor

Den højtydende servomotorens primære egenskaber er at have en jævn rotation ned til et stall, fuld kontrol af drejningsmoment ved stall og hurtige decelerationer og accelerationer. Højtydende motordrevsystemer bruger normalt tre-fasede AC-motorer (figur 1). Disse maskiner erstatter DC-motoren som den valgte maskine på grund af deres lave inerti, høje udgangseffekt-til-vægt-forhold, robust konstruktion og god rotationsydelse med høj hastighed.

Figur 1: Industriel tre-faset induktions-vekselstrømsmotor med udgangsroterende aksel til venstre og den elektriske terminalboks øverst. (Billedkilde: Leroy-Somer)

Principperne for vektorstyring, også kaldet feltorienteret kontrol, styrer disse AC-motorer. De fleste moderne højtydende drev har digitalt implementeret lukket kredsløbskontrol. I dette system afhænger den opnåede lukkede båndbredde af eksekveringshastigheden for de beregningsintensive vektorstyringsalgoritmer og realtidsimplementeringen af associerede vektorrotationer. Denne beregningsbyrde kræver, at digitale signalprocessorer (DSP'er) implementerer et sinc digitalt filter og de indlejrede motor- og vektorstyringsskemaer. DSP's beregningskraft tillader hurtige cyklustider og lukket kredsløbskontrolbåndbredde.

Den komplette strømstyringsplan for disse maskiner kræver også en pulsbreddemodulation (PWM) genereringsplan for højspænding og en høj opløsning ADC til måling af motorstrømmene. Den glatte kontrol af drejningsmoment til nul hastighed, vedligeholdelse af rotorpositionsfeedback er vigtig for moderne vektorstyringer. Her beskriver vi de grundlæggende principper bag implementering af en højtydende ADC til tre-fasede vekselstrømsmotorer - der kombinerer en 16-bit isoleret analog til digital modulator og en integreret DSP-controller med en kraftig DSP-kerne og fleksibel digital sinc-filtergenerering.

Isolationsstrategi

Højtydende tre-fasede AC-motorer har brug for en jævn rotation ned til stall, fuld kontrol af drejningsmoment ved stall og hurtige accelerationer og decelerationer. Målingen af motorens hastighed med transducere og drejningsmomentet med fasestrømme styrer isolerede portdrivere direkte (figur 2).

Figur 2: Dette tre-fasede motordriversystem (U, V og W) har FET-invertertransistorer til at drive motoren og strømmålemodstande, R_S, for at sense de nuværende størrelser. (Billedkilde: Analog Devices)

Sense-modstandene, R_S i figur 2 opsamler motorens viklingsstrøm. En 16-bit konvertering bruger disse signaler til dynamisk at måle motorens drejningsmoment. Hall-effektføleren fanger motorens position. Dette system registrere både moment og position over tid.

Der er betydelige problemer med at forstå spændingsreference, når der tilføres et tre-faset motorstyringssystem. Isolering er en afgørende udfordring med inverterfasen på strøm-kortet og processoren på controller-kortet. Grundreferencer for disse to kort er forskellige, hvilket kræver isoleringsprodukter for at beskytte enhederne og brugerne mod potentiel skade.

En tre-faset AC-motor common-mode gate-driver spænding kan være så høj som 600 volt eller mere, med pulsbreddemodulationen (PWM), der skifter mere end 20 kilohertz (kHz) og stigtider på 25 volt pr. nanosekund (ns) til IGBT-inverterene. Disse spændings- og stigtidskarakteristikker kræver isoleringsenheder for at beskytte følsomme kredsløb i dette fjendtlige miljø. Det er vigtigt at registrere strømmen til motoren med minimal systeminterferens. Den valgte sensor til tre-fase motoren er en ekstremt lille følemodstand (R_S). Det isolerede system forbedrer også støjimmuniteten i motorstyringssystemet.

Isolerede systemer imødekommer to hovedområder, der vedrører design: ekstrem høje bro-common-mode spændinger og opsamling af motorstrømmene (I_U, I_V, og I_W). I figur 3, Analog Devices' ADuM7701 sigma-delta isoleret ±250 millivolt (mV) inputmodulator tilvejebringer det digitale signal fra den sekundære side til den primære side.

Figur 3: Dette tre-fasede AC-motorkredsløb bruger den ADuM7701 magnetiske isolerede sigma-delta-modulator til at opfange motorens strømstyrker og ADSP-CM408F DSP til at implementere sinc-filtre og evaluere motorens tilstand. (Billedkilde: Analog Devices)

Driftstemperaturen er fra -40 °C til 125 °C med en høj forbigående immunitetsmodus på 10 kilovolt (kV) pr. mikrosekund (ms) over isolationsbarrieren. Den ADuM7701 isolerede sidestrøm er 4,5 til 5,5 volt, mens ADSP-CM408F DSP-chip fungerer ved 3,3 volt. Dette system overvinder vanskeligheden ved at isolere den analoge skifteeffektinverters fælles høje spændingssignal, der vises på tværs af de aktuelle shunt-modstande (R_S).

Bestemmelsen af I_V og I_W shunt-modstand (R_S)-værdier i figur 3, afhænger af de specifikke krav til spænding, strøm og effektapplikation. Små modstande minimerer strømafbrydelse, men udnytter muligvis ikke hele ADuM7701-inputområdet. Modstande med højere værdi opnår maksimal signal/støj-forhold (SNR) ydeevne ved at bruge det fulde ADC-ydelsesinputområde. De endelige værdier, der er valgt, er et kompromis mellem nøjagtighed og lav strømforsyning.

Den specificerede maksimale indgangsspænding for ADuM7701-modulatoren er ±250 mV. R_S skal være mindre end V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK} for at opfylde disse begrænsninger. For eksemplet i figur 3 er den maksimale shunt-modstand 29,4 milliohms (mΩ), hvis effektstrømens maksimale strømværdi er 8,5 ampere (A).

Sigma-delta modulator drift

Den forreste ende af ADuM7701 er en andenordens modulator med et input-common mode-interval på -0,2 volt til +0,8 volt. Andenordens sigma-delta-modulator kredsløb indeholder to analoge sigma (integrator) trin med to analoge delta (subtraktor) trin. Outputtet fra denne kombination sammenlignes med en referencespænding, såsom jord, for at clockke en en-bit digital udgang (figur 4).

Figur 4: Den forreste ende af ADuM7701 omfatter en andenordens sigma-delta-modulator, der kombinerer to analoge sigma (integrator) trin med to analoge delta (subtraktor) trin. (Billedkilde: Analog Devices)

Den clockkede 1-bit-strøm præsenteres for et digitalt/decimatorfilter såvel som føres tilbage til en digital-til-analog-konverter og derefter til de analoge subtraktortrin. For at opnå den bedste samlede ADC-ydeevne kombineres signalet med ADSP-CM408F for at skabe et sinc-filter, der konverterer modulatorsignalet til et fuldt funktionsdygtigt 16-bit ord. Umiddelbarheden af modulatorens 1-bit-kode giver øjeblikkelige overskridelsesbetingelser. Det komplette system konverterer de modstands-sensorerede strømme på motorben for at give den relevante information om motormoment.

Digital filter

Outputtet fra ADuM7701-modulatoren forbinder til ADSP-CM408F-digitalfilterets primære, sekundære og clock-ndgange. Den primære signalsti fortsætter til sinc/decimeringsfiltermodulet. Den sekundære signalsti har overskridende komparatorer til hurtigt at registrere en systemfejltilstand.

Frekvensen af modulatoren - 5 megahertz (MHz) til 21 MHz ur (f_M) – Og decimeringshastigheden (D) definerer sinc-filterets ydeevne. Sinc-filterrækkefølgen (O) er en orden højere end modulatoren. Derfor er sinc-filteret med ADuM7701 tredje orden. Ligning 1 viser filterfrekvensresponset.

Ligning 1

Ved at matche decimeringsfrekvensen med motorens PWM-skiftefrekvens reduceres PWM-skifteovertoner betydeligt. Frekvensresponset i figur 5 har nuller ved frekvenser, der er et lige multipla af decimeringsfrekvensen (f_M/D).

Figur 5: 3^rd-ordre sinc digitalt filter amplitude respons. (Billedkilde: Analog Devices)

Konklusion

Højtydende tre-fasede AC-motorer kræver jævn rotation ned til en stall, fuld kontrol af drejningsmoment ved stall og hurtige decelerationer og accelerationer. For at udføre denne motorkontrolopgave kræves målinger i realtid af motorens drejningsmoment, position og fejlforhold. Designerens udfordring er at forstå AC-motorens præcisionskrav, vælge en isolationsstrategi, vælge en passende sigma-delta-sti og implementere et sinc digitalt filter.

Ved hjælp af en isoleret modulator og en blandet signalstyringsprocessor som ADuM7701 og ADSP-CM408 fra Analog Devices kan designere skabe et højpræcisions, robust motorstyringssystem til vandpumper, kedelpumper, slibemaskiner og kompressorer.