Elektronika třífázového motoru vyžaduje izolovanou zpětnou vazbu v podobě analogového signálu. To není jednoduché provést, jelikož řídící signály jsou vystaveny proudovým a napěťovým impulsům. Kromě toho dochází k velkým rozdílům teplot, které mohou ovlivnit řídící elektroniku. Pro řízení třífázových střídavých motorů je nutné snímat proud, který prochází jednotlivými fázemi. K tomu se používá izolovaný analogově-digitálního převodník (ADC), nazývaný také jako izolovaný modulátor.

Tento článek pojednává o problémech přesného řízení střídavých motorů a o tom, proč je izolovaná analogová zpětná vazba tak důležitá. Představíme si izolovaný sigma-delta modulátor od společnosti Analog Devices a sin px / px nebo sinc digitální filtr pro výstupní signál pro vytvoření 16bitového ADC slova.

Třífázový střídavý motor

Správná funkce výkonného servomotoru se vyznačuje plynulou regulací otáček až do zastavení a plná kontrola točivého momentu. Systémy s vysokým výkonem používají třífázové střídavé motory (obrázek 1). Tento motor nahrazuje stejnosměrný motor díky své nízké setrvačnosti, hmotnosti, robustní konstrukci a dobrému rotačnímu vysokorychlostnímu výkonu.

Obrázek 1: Průmyslový třífázový střídavý motor s hřídelí vlevo a elektrickou svorkovnicí nahoře. (Zdroj obrázku: Leroy-Somer)

Většina moderních řídících jednotek mají implementované digitální řízení proudu v uzavřené smyčce. Šířka pásma uzavřené smyčky je závislá na rychlosti provádění výpočetně náročných algoritmů pro získání vektoru rotace a jeho následné implementaci v co nejkratším čase (optimálně okamžitě). Tato výpočetní zátěž si žádá signálové procesory (DSP).

Kompletní řízení proudu pro tyto stroje vyžaduje generování vysokého napětí pomocí pulzně šířkové modulace (PWM) a analogově-digitální převodník ADC s vysokým rozlišením pro měření proudů jednotlivých fází. Hladké řízení točivého momentu až na nulové otáčky, zpětná vazba polohy rotoru jsou nezbytné parametry pro moderní vektorové drivery.

Oddělení řídící jednotky

Řízení třífázového motoru umožňuje plynulé snížení otáček až do úplného zastavení, plnou kontrolu točivého momentu a rychlé zrychlení nebo zpomalení. Pro toto řízení je nutná zpětná vazba ve formě měření otáček motoru pomocí převodníků a zpětná vazba s informací o točivém momentu s fázovými proudy, která je přivedena přímo do řídící jednotky. Tato jednotka musí být elektricky i magneticky oddělena, aby nedocházelo k rušení (obrázek 2).

Obrázek 2: Třífázový systém budiče motoru (U, V a W) obsahuje FET tranzistory (invertory) pro generování výkonových signálů pro motor a rezistory pro měření proudu R_S. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Snímací rezistory R_S na obrázku 2 měří proud vinutím motoru. 16-bitová konverze používá hodnoty proudu k dynamickému měření točivého momentu motoru. Hallův senzor snímá polohu rotoru. Tím získáme informace o točivém momentu i poloze v určitém čase.

Při napájení třífázového řídicího systému motoru je nutné porozumět významným problémům týkající se napěťové reference. Izolace nebo též galvanické oddělení řídícího obvodu je zásadní vlastností u měniče na výkonové desce a procesoru na řídicí desce. Zemní potenciál se pro tyto dvě desky liší, a proto je nutné galvanické oddělení pro ochranu jak zařízení, tak obsluhy.

Napětí třífázového střídavého motoru v běžném režimu může dosahovat 600 voltů i více a díky pulzní šířkové modulaci má frekvenci 20 kHz s rychlostí náběhu 25 V/ns. Taková charakteristika napětí si vyžaduje ochranu citlivých obvodů v řídícím systému. Cesta rušení od motoru k řídícím obvodům vede přes malý snímací rezistor R_S.

Proto existují izolované systémy, které zajišťují vysoká řídící napětí a měření proudů vinutí (I_U , I_V a I_W ). Na obrázku 3 je izolovaný ± 250 mV sigma-delta modulátor ADuM7701 od Analog Devices, který poskytuje digitální signál ze sekundární strany na primární stranu.

Obrázek 3: Třífázový obvod střídavého motoru využívá magneticky izolovaný sigma-delta modulátor ADuM7701 k zachycení velikostí proudu motoru a ADSP-CM408F DSP k implementaci filtrů sinc a vyhodnocení stavu motoru. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Provozní teplota modulátoru se pohybuje od -40°C do 125°C s vysokou přechodovou imunitou v běžném režimu 10 kV/ms přes izolační bariéru. Napájení oddělené strany ADuM7701 je 4,5 až 5,5 voltu, zatímco čip DSP ADSP-CM408F pracuje při 3,3 voltu.

Stanovení hodnot rezistoru R_S pro měření proudu I_V a I_W na obrázku 3 závisí na konkrétních vlastností aplikace čili velikosti napětí, proudu a výkonu. Rezistory s malou hodnotou odporu mají za následek snížení ztrátového výkonu, ale na druhou stranu nemusí využívat celý vstupní rozsah ADuM7701. Rezistory s vyšší hodnotou odporu dosahují vyšší hodnoty odstupu signálu od šumu (SNR) a jsou schopny využít celý vstupní rozsahu ADC převodníku. Určení konečné hodnoty rezistoru je kompromisem mezi přesností a nízkým ztrátovým výkonem.

Maximální vstupní napětí modulátoru ADuM7701 je ± 250 mV. Rezistor R_S musí být menší než V _{MOD_PEAK} / I _{CC_PEAK,} aby vyhovoval této maximální hodnotě. Je-li špičkový proud výkonového stupně 8,5 A, je maximální hodnota rezistoru R_S 29,4 mΩ (obrázek 3).

Sigma-delta modulátor

Front end ADuM7701 je sigma-delta modulátor druhého řádu se vstupním rozsahem od -0,2 V do +0,8 V. Výstup z těchto dvou stupňů je porovnáván s referenčním napětím, aby bylo možné taktovat jednobitový digitální výstup (obrázek 4).

Obrázek 4: Front end ADuM7701 obsahuje sigma-delta modulátor druhého řádu (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro dosažení nejlepšího celkového výkonu se signál přesouvá do singlového procesoru ADSP-CM408F, kde je vytvořen filtr sinc, který převádí signál modulátoru na plně funkční 16bitové slovo. Celý systém převádí hodnoty proudu z odporových snímačů a poskytuje příslušné informace o točivém momentu motoru.

Digitální filtr

Výstup modulátoru ADuM7701 se připojuje k primárnímu, sekundárnímu a hodinovému vstupu digitálního filtru ADSP-CM408F. Cesta primárního signálu pokračuje do modulu filtru sinc/decimation. Sekundární signální cesta obsahuje komparátory pro rychlou detekci poruchy systému.

Frekvence modulátoru se pohybuje v rozmezí 5 MHz až 21 MHz (f _M ) a „decimační“ rychlost (D) definuje výkon filtru sinc. Filtr sinc (O) je o jeden řád vyšší než u modulátoru. Proto s ADuM7701 je filtr sinc třetího řádu. Rovnice 1 ukazuje frekvenční odezvu filtru.

 Rovnice 1

Přizpůsobení decimační frekvence spínací frekvenci motoru významně snižuje vznik harmonických PWM. Frekvenční odezva na obrázku 5 prochází nulou při frekvencích, které jsou dokonce násobky decimační frekvence (f _M / D).

Obrázek 5: Amplitudová odezva 3 ^rd -řád digitální filtru sinc. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Závěr

Správná funkce výkonného servomotoru se vyznačuje plynulou regulací otáček až do zastavení, plnou kontrolou točivého momentu a rychlé zpomalení a zrychlení. K dosažení těchto vlastností je nutné mít k dispozici zpětnou vazbu o točivém momentu, polohy a poruchového stavu motoru v reálném čase. Řešením je volba vhodného sigma-delta modulátoru včetně digitálního filtru sinc. Pomocí izolovaného modulátoru ADuM7701 a řídícího signálového procesoru ADSP-CM408 od společnosti Analog Devices lze vytvořit vysoce přesný a robustní systém řízení motoru pro čerpadla, brusky, kompresory a jiné průmyslové zařízení.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bonnie Baker.