Gebruik betrouwbare isolatie ADC's om driefasige inductiemotoren effectief te bedienen

Draaistroommotors met driefaseninductie produceren mechanisch vermogen voor bijna 80% van de industriële toepassingen door een extreem hoog rendement en robuuste milieukenmerken. Effectieve controle van deze motors is nodig om zwaardere belastingsproblemen aan te pakken, zoals waterpompen, ketelpompen, slijpmachines en compressoren die hogere aanloopkoppels, een goede snelheidsregeling en een redelijke overbrengingscapaciteit vereisen.

Deze bediening is een uitdaging voor ontwerpers omdat de driefasenmotorelektronica een geïsoleerde analoge signaalterugkoppeling over de stroomshunts van de hoogspannings, common-mode signalen vereist. Bovendien moeten de hoge dynamische isolatiespanningen over een breed omgevingstemperatuurbereik worden gehandhaafd.

De oplossing voor precisie driefasige inductie wisselstroommotorbesturing voor vele toepassingen ligt bij de huidige zintuiglijke besturing en de geïsoleerde analoog-digitaal convertorfuncties (ADC), zoals een geïsoleerde modulator. Deze ADC-functie creëert een vangmechanisme voor het hoogspanningssignaal van de schakelende omvormer over een stroomshuntweerstand voor wisselstroommotorbesturingstoepassingen.

Dit artikel bespreekt de problemen die gepaard gaan met het bereiken van een nauwkeurige AC-motorbesturing en waarom geïsoleerde analoge feedback een goede optie is voor dit soort toepassingen. Het introduceert dan een geïsoleerde sigma-delta modulator van Analog Devices, evenals een sin px/px, of sinc, digitaal filter voor het modulatoruitgangssignaal om een 16-bits ADC-woord te creëren, terwijl het voordeel van de isolatiebarrière wordt benut.

Inleiding tot de driefaseninductiemotor op wisselstroom

De hoogwaardige servomotor heeft als primaire kenmerken een soepele draaiing tot aan een overval, volledige controle over het koppel bij overval, en snelle vertragingen en versnellingen. Krachtige motoraandrijfsystemen maken gewoonlijk gebruik van draaistroommotors (Afbeelding 1). Deze machines vervangen de DC-motor als de machine bij uitstek vanwege hun lage massatraagheid, hoge vermogen/gewicht ratio's, robuuste constructie en goede rotatiesnelheidsprestaties.

Afbeelding 1: Industriële draaistroommotor met de uitgaande as links en de elektrische klemmenkast boven. (Bron afbeelding: Leroy-Somer)

De principes van de vectorregeling, ook wel veldgerichte regeling genoemd, beheren deze draaistroommotors. De meeste moderne hoogwaardige drives hebben een digitale closed-loop-stroomregeling. In dit systeem is de haalbare closed-loop bandbreedte afhankelijk van de uitvoeringssnelheid van de rekenintensieve vectorbesturingsalgoritmen en de real-time implementatie van de bijbehorende vectorrotaties. Deze rekenlast vereist digitale signaalprocessoren (DSP's) om een sinc-digitaal filter en de ingebedde motor- en vectorregelschema's te implementeren. De rekenkracht van de DSP maakt snelle cyclustijden en closed-loop-stroomregelbandbreedtes mogelijk.

Voor de volledige stroomregeling van deze machines is ook een pulsbreedtemodulatie (PWM) hoogspanningsopwekkingsplan en een ADC met hoge resolutie voor het meten van de motorstromen nodig. De soepele regeling van het koppel tot aan het nultoerental, het onderhoud van de rotorpositie is essentieel voor moderne vectorregelaars. Hier beschrijven we de fundamentele principes achter de implementatie van een krachtige ADC voor draaistroommotors - een combinatie van een 16-bits geïsoleerde analoog-digitaalmodulator en een geïntegreerde DSP-regelaar met een krachtige DSP-kern en een flexibele digitale sinc-filtergeneratie.

Isolatiestrategie

Krachtige draaistroommotors hebben een soepele rotatie tot aan het overtrekken nodig, volledige controle over het koppel bij het overtrekken en snelle versnellingen en vertragingen. De meting van de snelheid van de motor met transductors, en het koppel met fasestromen, sturen de geïsoleerde gatedrivers rechtstreeks aan (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Dit driefasenmotorbesturingssysteem (U, V en W) heeft FET-regelaartransistoren om de motor aan te drijven, en stroommeetweerstanden,_RS, om de stroomsterkte te meten. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De meetweerstanden,_RS, in figuur 2 vangen de wikkelstroom van de motor op. Een 16-bits conversie gebruikt deze signalen om het koppel van de motor dynamisch te meten. De Hall-effectsensor registreert de positie van de motor. Dit systeem legt zowel het koppel als de positie in de tijd vast.

Er zijn belangrijke spanningsreferentieproblemen te begrijpen bij het aandrijven van een driefasenmotorbesturingssysteem. Isolatie is een cruciale uitdaging met de omvormerstap op de voedingskaart en de processor op de besturingskaart. De grondreferenties voor deze twee borden verschillen, waardoor isolatieproducten nodig zijn om de apparaten en de gebruikers te beschermen tegen mogelijke schade en letsel.

Een driefasige AC motor common-mode gatedriverspanning kan oplopen tot 600 volt of meer, waarbij de pulsbreedtemodulatie (PWM) meer dan 20 kilohertz (kHz) en stijgtijden van 25 volt per nanoseconde (ns) voor IGBT-omvormers kan worden geschakeld. Deze spannings- en stijgtijdkenmerken vereisen isolatie-apparaten om gevoelige circuits in deze vijandige omgeving te beschermen. De detectie van de stromen naar de motor is essentieel met een minimale verstoring van het systeem. De gekozen sensor voor de driefasenmotor is een uiterst kleine meetweerstand (_RS). Het geïsoleerde systeem verbetert ook de ongevoeligheid voor geluid in het motorbesturingssysteem.

Geïsoleerde systemen hebben betrekking op twee belangrijke punten van zorg in het ontwerp: extreem hoge common-mode spanningen van bruggen en het opvangen van de motorstromen (I_U,I_V en I_W). In Figuur 3 levert de ADuM7701 sigma-delta geïsoleerde ± 250 millivolt (mV) ingangsmodulator van Analog Devices het digitale signaal van de secundaire zijde naar de primaire zijde.

Afbeelding 3: Dit driefasige AC-motorcircuit maakt gebruik van de ADuM7701 magnetisch geïsoleerde sigma-delta modulator om de motorstroommagnitudes vast te leggen en de ADSP-CM408F DSP om sinc-filters te implementeren en de toestand van de motor te evalueren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De bedrijfstemperatuur ligt tussen -40 °C en 125 °C, met een hoge common-mode transiënte immuniteit van 10 kilovolt (kV) per microseconde (ms) over de isolatiebarrière. De ADuM7701 geïsoleerd zijvermogen is 4,5 tot 5,5 volt, terwijl de ADSP-CM408F DSP-chip op 3,3 volt werkt. Dit systeem overwint de moeilijkheid om het gemeenschappelijke hoogspanningssignaal van de analoge schakelstroomomvormer, dat over de huidige shuntweerstanden (_RS) verschijnt, te isoleren.

De bepaling van de waarden van deI_V- en I_W-shuntweerstand (R_S) in Afbeelding 3 is afhankelijk van de specifieke eisen die aan de spanning, de stroom en de vermogenstoepassing worden gesteld. Kleine weerstanden minimaliseren de vermogensdissipatie, maar maken mogelijk geen gebruik van het volledige ingangsbereik van de ADuM7701. Weerstanden met een hogere waarde bereiken een maximale signaal-ruisverhouding (SNR) door gebruik te maken van het volledige ADC-ingangsbereik. De uiteindelijk gekozen waarden zijn een compromis tussen nauwkeurigheid en lage vermogensdissipatie.

De gespecificeerde maximale ingangsspanning van de ADuM7701-modulator is ±250 mV. R_S moet minder dan V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK} zijn om aan deze beperkingen te voldoen. Voor het voorbeeld in Afbeelding 3 geldt dat als de piekstroomsterkte van de eindtrap 8,5 ampère (A) is, de maximale shuntweerstand 29,4 milliohms (mΩ) is.

Sigma-delta modulatorwerking

De voorkant van de ADuM7701 is een tweede-orde-modulator met een ingangsbereik van -0,2 volt tot +0,8 volt. De tweede-orde, sigma-delta modulatorschakeling bevat twee analoge sigma (integrator) trappen met twee analoge delta (aftrekker) trappen. De uitgang van deze combinatie wordt vergeleken met een referentiespanning, zoals massa, om een 1-bit digitale uitgang te klokken (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De voorkant van de ADuM7701 bestaat uit een tweede-orde sigma-delta modulator die twee analoge sigma (integrator) fasen combineert met twee analoge delta (aftrekker) fasen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De geklokte 1-bit stroom wordt gepresenteerd aan een digitaal/decimatorfilter en wordt teruggekoppeld naar een digitaal-naar-analoogconvertor en vervolgens naar de analoge aftrektrappen. Om de beste algemene ADC-prestaties te bereiken, wordt het signaal gecombineerd met de ADSP-CM408F om een sinc-filter te creëren dat het modulatorsignaal omzet in een volledig operationeel 16-bits woord. De directheid van de 1-bit code van de modulator zorgt voor directe overrangecondities. Het complete systeem zet de weerstandsgevoelige motorpootstromen om in de juiste informatie over het motorkoppel.

Digitaal filter

De uitgang van de ADuM7701-modulator wordt aangesloten op de primaire, secundaire en klokingangen van het ADSP-CM408F digitale filter. Het primaire signaalpad gaat naar de sinc-/decimatiefiltermodule. Het secundaire signaalpad heeft overbrengingsvergelijkers om snel een systeemfout op te sporen.

De frequentie van de modulator-5 megahertz (MHz) tot 21 MHz klok (f_M) en de decimatiesnelheid (D) bepalen de sinc-filterprestaties. De sinc-filtervolgorde (O) is één orde hoger dan de modulator. Daarom is bij de ADuM7701 de sinc-filter van de derde orde. Vergelijking 1 toont de filterfrequentieresponsie.

Vergelijking 1

Door de decimatiefrequentie af te stemmen op de PWM-schakelfrequentie van de motor worden de PWM-schakelfrequenties aanzienlijk gereduceerd. De frequentierespons in Afbeelding 5 heeft nullen bij frequenties die zelfs een veelvoud zijn van de decimatiefrequentie (f_M/D).

Afbeelding 5:^{3e orde} sinc digitale filteramplitude respons. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

Hoogwaardige draaistroommotors vereisen een soepele draaiing tot aan een overval, volledige controle over het koppel bij overval en snelle vertragingen en versnellingen. Om deze motorbesturingstaak uit te voeren zijn real-time metingen van het koppel, de positie en de foutcondities van de motor nodig. De uitdaging voor de ontwerper is om de vereisten van de AC-motorprecisie te begrijpen, een isolatiestrategie te kiezen, een geschikt sigma-delta pad te kiezen en een sinc-digitaal filter te implementeren.

Met behulp van een geïsoleerde modulator en een mixed-signal control processor zoals de ADuM7701 en de ADSP-CM408 van Analog Devices, kunnen ontwerpers een zeer nauwkeurig en robuust motorbesturingssysteem voor waterpompen, ketelpompen, slijpmachines en compressoren creëren.