Använd tillförlitliga isolerings-A/D-omvandlare för att effektivt styra trefasinduktionsmotorer

Trefasiga AC-induktionsmotorer producerar den mekaniska effekten i nästan 80 % av alla industriella tillämpningar genom att ge extremt hög verkningsgrad och att tåla olika miljöer. Effektiv styrning av dessa motorer behövs för att hantera problem med tyngre laster, som vattenpumpar, pannpumpar, slipmaskiner och kompressorer som kräver högre startmoment, god hastighetsreglering och en viss tolerans för att överskrida märkprestandan.

Denna styrning är utmanande för konstruktörer, eftersom trefasig motorelektronik kräver isolerad analog signalåterkoppling över strömshuntarna från common-mode-högspänningssignalerna. Dessutom måste de höga dynamiska isolationsspänningarna hållas över ett stort omgivningstemperaturområde.

Lösningen för precis trefasig AC-induktionsmotorstyrning för många tillämpningar finns i strömavkänningskretsar och den isolerade A/D-omvandlarens (ADC) funktioner, såsom en isolerad modulator. Denna ADC-funktion skapar en registreringsmekanism för den omkopplande växelriktarens högspänningssignal över ett ström-shuntmotstånd för AC-motorstyrningar.

Denna artikel diskuterar aspekterna i samband med att åstadkomma en precis AC-motorstyrning och varför isolerad analog feedback är ett bra alternativ för denna typ av tillämpningar. Sedan introduceras en isolerad sigma-delta-modulator från Analog Devices, liksom ett sin px/px- eller sinc-digitalfilter för modulatorns utsignal för att skapa ett 16-bitars ADC-word samtidigt som man utnyttjar dess isoleringsbarriär.

Introduktion till den trefasisga AC-induktionsmotorn

Högprestandaservomotorns primära egenskaper är att ha en jämn rotation ner till stillastående, full kontroll av vridmomentet i stillastående och snabba retardationer och accelerationer. Motordrivsystem med hög prestanda använder vanligtvis trefasiga växelströmsmotorer (figur 1). Dessa maskiner ersätter likströmsmotorn som favoritmotor, till följd av deras låga tröghetsmoment, höga effekt/vikt-förhållande, robusta konstruktion och goda egenskaper vid höga varvtal.

Figur 1: Industriell trefasig AC-induktionsmotor med den utgående roterande axeln till vänster och den elektriska kopplingslådan ovanpå. (Bildkälla: Leroy-Somer)

Principerna för vektorstyrning, även kallat fältorienterad styrning, reglerar dessa växelströmsmotorer. De flesta moderna högprestandaprodukter har digitalt implementerad strömstyrning med återkopplingsslinga. I detta system beror den uppnådda bandbredden med återkoppling på processningsförmågan för de beräkningsintensiva vektorstyrningsalgoritmerna och realtidsimplementeringen av de associerade vektorrotationerna. Denna beräkningsbörda behöver digitala signalprocessorer (DSP) för att implementera ett sinc-digitalfilter och de inbäddade motor- och vektorstyrningsschemana. Signalprocessorns beräkningsprestanda möjliggör korta cykeltider och hög bandbredd för strömstyrd återkoppling.

Det fullständiga strömstyrningsschemat för dessa maskiner kräver också ett pulsbreddsmodulerat (PWM) genereringsschema för högspänning och en högupplöst ADC för mätning av motorströmmarna. Den smidiga styrningen av vridmomentet ned till stillastående och bibehållen återkoppling av rotorpositionen är avgörande för moderna vektorstyrningar. Här beskriver vi de grundläggande principerna bakom implementeringen av en högprestanda-ADC för trefasiga växelströmsmotorer - en kombination av en 16-bitars isolerad A/D-modulator och en integrerad DSP-styrenhet med en kraftfull DSP-kärna och flexibel digital sinc-filtergenerering.

Isolationsstrategi

Trefasiga växelströmsmotorer med höga prestanda behöver en jämn rotation ner till stillastående, full kontroll av vridmomentet vid stillastående och snabba accelerationer och retardationer. Mätningen av motorns hastighet med givare och vridmomentet med fasströmmar styr direkt isolerade grinddrivretsar (figur 2).

Figur 2: Detta trefasmotordrivsystem (U, V och W) har växelriktartransistorer (FET) för att driva motorn och strömmätningsmotstånd, R_S, för att känna av strömstyrkan. (Bildkälla: Analog Devices)

Sensormotstånden, R_S , i figur 2 registrerar motorns lindningsström. En 16-bitars-omvandling använder dessa signaler för att dynamiskt mäta motorns vridmoment. Hall-effektsensorn registrerar motorns läge. Detta system registrerar både vridmoment och position över tid.

Det finns måste aspekter kring spänningsreferenser att ta hänsyn till för att driva ett styrsystem till trefasmotorer. Isolering är en avgörande utmaning med växelriktarsteget på effektkortet och processorn på styrkortet. Jordreferenserna för dessa två kort är olika, vilket kräver att isoleringsprodukter skyddar enheter och användare från potentiella skador.

En gate-drivspänning med common-mode för en trefasig växelströmsmotor kan vara 600 volt eller högre, med en PWM-frekvens på över 20 kHz och stigtider på 25 volt/ns för IGBT-omformare. Dessa spännings- och stigtidsegenskaper kräver isoleringsanordningar för att skydda känsliga kretsar i denna fientliga miljö. Det är avgörande att avkänningen av motorströmmarna sker med minimala systemstörningar. Den föredragna sensorn för trefasmotorn är ett extremt litet avkänningsmotstånd (R_S). Det isolerade systemet förbättrar också brusimmuniteten i motorstyrsystemet.

Isolerade system tillgodoser två huvudområden i konstruktionshänseende: extremt höga bryggspänningar i gemensamt läge och registrering av motorströmmarna (I_U, I_V och I_W). I figur 3 levererar Analog Devices ADuM7701 sigma-delta-isolerade ingångsmodulator ± 250 mV den digitala signalen från sekundärsidan till primärsidan.

Figur 3: Denna trefasiga AC-motorkrets använder den magnetiskt isolerade sigma-delta-modulatorn ADuM7701 för att registrera motorns strömstyrka och ADSP-CM408F DSP för att implementera sinc-filter och utvärdera motorns tillstånd. (Bildkälla: Analog Devices)

Dess drifttemperatur är -40 till 125 ° C, med en hög common-mode-transientimmunitet på 10 kV per ms över isoleringsbarriären. Spänningen för ADuM7701 på den isolerade sidan är 4,5 till 5,5 volt, medan DSP-chippet ADSP-CM408F körs på 3,3 volt. Detta system bemästrar svårigheten med att isolera den analoga switchande effektomvandlarens högspända common-mode-signal som uppträder över strömshuntmotstånden (R_S).

Att fastställa I_V- och I_W-värdena genom shuntmotståndet (R_S) i figur 3 beror på den specifika tillämpningens krav på spänning, ström och effekt. Små motstånd minimerar effektavgivningen men kanske inte kan användas över hela ADuM7701-ingångsintervallet. Motstånd med högre resistans uppnår maximalt signal-brus-förhållande (SNR) genom att använda hela ingångsintervallet för A/D-omvandlaren. De slutgiltigt valda värdena är en kompromiss mellan precision och låga effektförluster.

Den angivna maximala ingångsspänningen för ADuM7701-modulatorn är ± 250 mV. R_S måste vara mindre än V_{MOD_PEAK} / I_{CC_PEAK} för att uppfylla dessa begränsningar. Om exemplet i figur 3 är effektstegets toppströmvärde 8,5 A är det maximala shuntmotståndet 29,4 mΩ.

Sigma-delta-modulatorns funktion

Frontend-sektionen av ADuM7701 är en andra ordningens modulator med ett common-mode-ingångsintervall på -0,2 till +0,8 volt. Andra ordningens sigma-delta-modulatorkretsar innehåller två analoga sigma-steg (integrator) med två analoga delta-steg (subtraktor). Utgången från denna kombination jämförs med en referensspänning, såsom jord, för att klocka en 1-bits digital utgång (figur 4).

Figur 4: Frontend-sektionen på ADuM7701 omfattar en andra ordningens sigma-delta-modulator som kombinerar två analoga sigma-steg (integrator) med två analoga delta-steg (subtraktor). (Bildkälla: Analog Devices)

Den klockade 1-bitströmmen går genom ett digital-/decimatorfilter samt matas tillbaka till en D/A-omvandlare och sedan till de analoga subtraheringsstegen. För att uppnå bästa övergripande ADC-prestanda kombineras signalen med ADSP-CM408F för att skapa ett sinc-filter som omvandlar modulatorsignalen till ett fullt fungerande 16-bitars-word. Omedelbarheten i modulatorns 1-bitarskod ger ett omedelbara tillstånd av överskridande. Det övergripande systemet omvandlar de motståndsavkända motorströmmarna för att få fram önskad motormomentdata.

Digitalfilter

Utgången från ADuM7701-modulatorn ansluts till ADSP-CM408F-digitalfiltrets primär-, sekundär- och klockingång. Den primära signalvägen fortsätter till sinc-/decimeringsfiltermodulen. Den sekundära signalvägen har överskridningskomparatorer för att snabbt upptäcka ett systemfeltillstånd.

Frekvensen för modulatorn - 5 MHz till 21 MHz klocka (f_M) - och decimeringshastigheten (D) definierar sinc-filterprestandan. Sinc-filterordningen (O) är en ordning högre än modulatorn. Därför är sinc-filtret med ADuM7701 av tredje ordningen. Ekvation 1 visar filterfrekvenssvaret.

Ekvation 1

Att matcha decimeringsfrekvensen till motorns PWM-switchningsfrekvens minskar signifikant PWM-switchningen. Frekvenssvaret i figur 5 har nollor vid frekvenser som är jämna multiplar av decimeringsfrekvensen (f_M / D).

Figur 5: 3^rd -beställa sinc digitalt filteramplitudrespons. (Bildkälla: Analog Devices)

Slutsats

Trefasiga AC-motorer med hög prestanda kräver jämn rotation ner till stillastående, full kontroll av vridmomentet vid stillastående och snabba retardationer och accelerationer. För att utföra denna motorstyrningsuppgift krävs mätningar i realtid av motorns vridmoment, position och feltillstånd. Konstruktörens utmaning är att förstå AC-motorns precisionskrav, välja en isoleringsstrategi, välja en lämplig sigma-delta-bana och implementera ett sinc-digitalfilter.

Med hjälp av en isolerad modulator och en styrprocessor för blandsignaler som ADuM7701 och ADSP-CM408 från Analog Devices kan konstruktörer skapa ett högprecist, robust motorstyrsystem för vattenpumpar, pannpumpar, slipmaskiner och kompressorer.