Utilizarea ADC-urilor de izolare fiabile pentru controlul eficient al motoarelor trifazate cu inducție

Motoarele c.a. trifazate cu inducție produc putere mecanică pentru aproximativ 80% din aplicațiile industriale, oferind un randament extrem de ridicat și caracteristici de rezistență în mai multe medii. Este necesar să existe un control eficient al acestor motoare pentru a rezolva problemele legate de sarcinile mai mari, cum ar fi pompele de apă, pompele de cazan, mașinile de polizat și compresoarele care necesită cupluri de pornire mai mari, o bună reglare a vitezei și o capacitate rezonabilă de depășire a domeniului.

Acest control reprezintă o provocare pentru proiectanți, deoarece componentele electronice ale motorului trifazat necesită un semnal analogic izolat prin elementele de șuntare a curentului de la semnalele de înaltă tensiune în mod comun. În plus, tensiunile de izolare dinamice ridicate trebuie să fie menținute într-o gamă largă de temperaturi ambiante.

Soluția pentru controlul precis al motoarelor trifazate c.a. cu inducție pentru aplicații multiple constă în circuitele de detectare a curentului și în funcțiile unui convertor analog-digital (ADC) izolat, cum ar fi un modulator izolat. Această funcție ADC creează un mecanism de captură pentru semnalul de înaltă tensiune al invertorului de putere de comutare pe o rezistență de șuntare a curentului pentru aplicațiile de control al motoarelor c.a.

Acest articol prezintă problemele asociate cu obținerea unui control precis al motoarelor c.a. și explică de ce feedback-ul analogic izolat este o opțiune bună pentru acest tip de aplicație. Acesta introduce apoi un modulator sigma-delta izolat de la Analog Devices, precum și un filtru digital sin px/px sau sinc pentru semnalul de ieșire al modulatorului, pentru a crea un cuvânt ADC de 16 biți, profitând în același timp de bariera de izolare a acestuia.

Prezentarea motorului trifazat c.a. cu inducție

Caracteristicile principale ale servomotorului de înaltă performanță sunt: o rotație lină până la oprire, un control complet al cuplului la oprire și decelerări și accelerări rapide. Sistemele de acționare ale motoarelor de înaltă performanță utilizează, de obicei, motoare trifazate c.a. (Figura 1). Aceste dispozitive înlocuiesc motorul c.c. ca dispozitiv preferat, datorită inerției lor reduse, raportului mare dintre puterea de ieșire și greutate, construcției robuste și performanțelor bune de rotație la viteze mari.

Figura 1: motor industrial trifazat c.a. cu inducție, cu arborele rotativ de ieșire în stânga și cutia de borne electrice în partea de sus. (Sursă imagine: Leroy-Somer)

Aceste motoare c.a. funcționează pe baza principiilor de control vectorial, denumit și control orientat pe câmp. Majoritatea mecanismelor de acționare moderne de înaltă performanță au un control de curent în buclă închisă implementat la nivel digital. În acest sistem, lățimea de bandă realizabilă în buclă închisă depinde de rata de execuție a algoritmilor de control vectorial care necesită putere mare de calcul și de implementarea în timp real a rotațiilor vectoriale asociate. Această sarcină de calcul necesită procesoare de semnal digital (DSP) pentru a implementa un filtru digital sinc și schemele încorporate de control vectorial și al motorului. Puterea de calcul a DSP-ului permite timpi de funcționare rapizi și lățimi de bandă de control al curentului în buclă închisă.

De asemenea, schema completă de control al curentului pentru aceste dispozitive necesită o schemă de generare a tensiunii ridicate prin modulația impulsului în lățime (PWM) și un ADC de înaltă rezoluție pentru măsurarea curenților motorului. Controlul fără probleme al cuplului la turația zero, întreținerea feedback-ului de poziție a rotorului sunt esențiale pentru controlerele vectoriale moderne. Aici descriem principiile fundamentale care stau la baza implementării unui ADC de înaltă performanță pentru motoare c.a. trifazate – combinând un modulator analog-digital izolat pe 16 biți și un controler DSP integrat cu un nucleu DSP puternic și generarea flexibilă de filtre sinc digitale.

Strategia de izolare

Motoarele trifazate c.a. de înaltă performanță au nevoie de o rotație lină până la oprire, de un control complet al cuplului la oprire și de accelerări și decelerări rapide. Măsurarea turației motorului cu ajutorul traductoarelor, și a cuplului cu ajutorul curenților de fază controlează direct driverele de poartă izolate (Figura 2).

Figura 2: acest sistem de comandă a motorului trifazat (U, V și W) are tranzistoare invertoare FET pentru acționarea motorului și rezistențe de măsurare a curentului, R_S, pentru detectarea mărimilor curentului. (Sursă imagine: Analog Devices)

Rezistențele de detectare, R_S, din Figura 2 înregistrează curentul de înfășurare al motorului. O conversie de 16 biți utilizează aceste semnale pentru a măsura dinamic cuplul motorului. Senzorul cu efect Hall înregistrează poziția motorului. Acest sistem înregistrează atât cuplul, cât și poziția în timp.

Există probleme semnificative legate de referința de tensiune, care trebuie înțelese atunci când se alimentează un sistem de control al motoarelor trifazate. Izolarea este o provocare crucială în cazul etapei invertorului de pe placa de alimentare și al procesorului de pe placa controlerului. Referințele de împământare pentru aceste două plăci sunt diferite, necesitând produse de izolare pentru a proteja dispozitivele și utilizatorii de potențiale daune și leziuni.

Tensiunea driverului de poartă în mod comun a unui motor trifazat c.a. poate fi de până la 600 de volți sau mai mult, cu o comutare prin modulația impulsului în lățime (PWM) mai mare de 20 de kilohertzi (kHz) și timpi de creștere de 25 de volți pe nanosecundă (ns) pentru invertoarele IGBT. Aceste caracteristici ale tensiunii și ale timpului de creștere necesită dispozitive de izolare pentru protejarea circuitelor sensibile în acest mediu ostil. Detectarea curenților care se deplasează către motor este esențială, cu interferențe minime ale sistemului. Senzorul ales pentru motorul trifazat este o rezistență de detecție (R_S) extrem de mică. Sistemul izolat îmbunătățește și imunitatea la zgomot în sistemul de control al motorului.

Sistemele izolate abordează două domenii majore legate de proiectare: tensiuni de mod comun extrem de ridicate ale punții și înregistrarea curenților motorului (I_U, I_V și I_W). În Figura 3, modulatorul de intrare ADuM7701 sigma-delta izolat de ±250 milivolți (mV) de la Analog Devices furnizează semnalul digital de la partea secundară la partea principală.

Figura 3: acest circuit de motor trifazat c.a. utilizează modulatorul sigma-delta izolat magnetic ADuM7701 pentru a înregistra magnitudinile curentului motorului și DSP-ul ADSP-CM408F pentru a implementa filtre sinc și a evalua starea motorului. (Sursă imagine: Analog Devices)

Temperatura de funcționare a acestuia este cuprinsă între -40 °C și 125 °C, cu o imunitate ridicată la curenții tranzitorii de mod comun de 10 kilovolți (kV) pe microsecundă (ms) prin bariera de izolare. Puterea părții izolate a dispozitivului ADuM7701 este de la 4,5 până la 5,5 volți, pe când cipul DSP ADSP-CM408F funcționează la 3,3 volți. Acest sistem depășește dificultatea de izolare a semnalului comun de înaltă tensiune al invertorului analogic de putere de comutare care apare pe rezistențele de șuntare a curentului (R_S).

Determinarea valorilor rezistenței de șuntare (R_S) I_V și I_W din Figura 3 depinde de cerințele specifice ale aplicației privind tensiunea, curentul și puterea. Rezistențele mici minimizează disiparea de energie, dar este posibil să nu utilizeze toată gamă de intrare a dispozitivului ADuM7701. Rezistențele cu valori mai mari permit obținerea unei performanțe maxime a raportului semnal-zgomot (SNR) prin utilizarea întregului domeniu de intrare al performanței ADC. Valorile finale alese reprezintă un compromis între precizie și disiparea redusă de energie.

Tensiunea de intrare maximă specificată a modulatorului ADuM7701 este de ±250 mV. R_S trebuie să fie mai mică decât V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK} pentru a îndeplini aceste constrângeri. Pentru exemplul din Figura 3, dacă valoarea maximă a curentului nominal al etapei de putere este de 8,5 amperi (A), rezistența maximă de șuntare este de 29,4 miliohmi (mΩ).

Funcționarea modulatorului sigma-delta

Circuitul front-end al dispozitivului ADuM7701 este un modulator de ordinul al doilea cu o gamă de intrare de mod comun de la -0,2 volți la +0,8 volți. Circuitul modulatorului sigma-delta de ordinul al doilea conține două etape analogice sigma (integrator) cu două etape analogice delta (scăzător). Ieșirea acestei combinații este comparată cu o tensiune de referință, cum ar fi masa, pentru a sincroniza o ieșire digitală de un bit (Figura 4).

Figura 4: circuitul front-end al dispozitivului ADuM7701 cuprinde un modulator sigma-delta de ordinul al doilea care combină două etape analogice sigma (integrator) cu două etape analogice delta (scăzător). (Sursă imagine: Analog Devices)

Fluxul de 1 bit sincronizat este prezentat unui filtru digital/decimator, și este trimis la un convertor digital-analogic, iar apoi la etapele scăzătorului analogic. Pentru a obține cele mai bune performanțe ADC la nivel general, semnalul se combină cu ADSP-CM408F pentru a crea un filtru sinc care convertește semnalul modulatorului la un cuvânt de 16 biți complet operațional. Caracterul urgent al codului de 1 bit al modulatorului oferă condiții de depășire instantanee a domeniului. Sistemul complet convertește curenții rezistivi detectați ai etapei motorului pentru a furniza informații corecte despre cuplul motorului.

Filtru digital

Ieșirea modulatorului ADuM7701 se conectează la intrările principale, secundare și de sincronizare ale filtrului digital ADSP-CM408F. Traseul semnalului principal trece la modulul de filtrare sinc/decimare. Traseul semnalului secundar are comparatoare de depășire a domeniului pentru a detecta rapid o stare de defecțiune a sistemului.

Frecvența modulatorului – de la sincronizare de 5 megahertzi (MHz) la 21 MHz (f_M) – și rata de decimare (D) definesc performanța filtrului sinc. Ordinul filtrului sinc (O) este cu un ordin mai mare decât cel al modulatorului. Prin urmare, cu ADuM7701, filtrul sinc este de ordinul al treilea. Ecuația 1 arată răspunsul în frecvență al filtrului.

 Ecuația 1

Potrivirea frecvenței de decimare cu frecvența de comutare PWM a motorului reduce semnificativ armonicile de comutare PWM. Răspunsul în frecvență din Figura 5 are valori zero la frecvențe care sunt multipli pari ai frecvenței de decimare (f_M/D).

Figura 5: răspunsul în amplitudine al filtrului digital sinc de ordinul 3. (Sursă imagine: Analog Devices)

Concluzie

Motoarele trifazate c.a. de înaltă performanță necesită o rotație lină până la oprire, controlul complet al cuplului la oprire și decelerări și accelerări rapide. Realizarea acestei sarcini de control al motorului necesită măsurători în timp real ale cuplului motorului, ale poziției și ale condițiilor de defecțiune. Provocarea proiectantului este de a înțelege cerințele de precizie ale motorului c.a., de a selecta o strategie de izolare, de a alege un traseu sigma-delta adecvat și de a implementa un filtru digital sinc.

Prin utilizarea unui modulator izolat și a unui procesor de control cu semnal mixt, precum ADuM7701 și ADSP-CM408 de la Analog Devices, proiectanții pot crea un sistem de control robust și de înaltă precizie al motorului pentru pompe de apă, pompe de cazan, mașini de polizat și compresoare.