Wykorzystanie niezawodnych izolujących przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) do skutecznego sterowania trójfazowymi silnikami indukcyjnymi

Trójfazowe silniki indukcyjne prądu zmiennego wytwarzają energię mechaniczną w nieomal 80% zastosowań przemysłowych, zapewniając bardzo wysoką sprawność i odporność na warunki środowiskowe. Skuteczne sterowanie tymi silnikami jest niezbędne do radzenia sobie z problemami wynikającymi z wyższych obciążeń, charakterystycznych dla pomp wody, pomp kotłowych, szlifierek i sprężarek, które wymagają wyższych rozruchowych momentów obrotowych, dobrej regulacji prędkości i rozsądnej zdolności do pracy powyżej zakresu.

Takie sterowanie stanowi wyzwanie dla projektantów, ponieważ elektronika silników trójfazowych wymaga sygnału analogowego sprzężenia zwrotnego na bocznikach prądowych, odizolowanego od wysokonapięciowych sygnałów wspólnych. Ponadto wysokie dynamiczne napięcia izolacyjne muszą być utrzymywane w szerokim zakresie temperatur otoczenia.

Rozwiązanie precyzyjnego sterowania trójfazowym, indukcyjnym silnikiem prądu zmiennego w wielu zastosowaniach polega na wykorzystaniu układu pomiaru prądu i funkcji izolowanego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), na przykład izolowanego modulatora. Ta funkcja przetwornika analogowo-cyfrowego tworzy mechanizm pomiaru sygnału wysokonapięciowego przełączającego przemiennika mocy na rezystorze bocznika prądowego na potrzeby zastosowań sterowania silnikiem prądu zmiennego.

W artykule omówiono problemy związane z realizacją precyzyjnego sterowania silnikiem prądu zmiennego i dlaczego izolowane analogowe sprzężenie zwrotne jest dobrą opcją w tego rodzaju zastosowaniu. Dalej przedstawia on izolowany modulator sigma-delta firmy Analog Devices, a także filtr cyfrowy sin px/px, czyli sinc, dla sygnału wyjściowego modulatora, generujący 16-bitowe słowo przetwornika analogowo-cyfrowego, jednocześnie wykorzystując jego barierę izolacyjną.

Wprowadzenie do trójfazowych silników indukcyjnych prądu zmiennego

Podstawowe właściwości wysokowydajnego serwomotoru to płynne obroty aż do utknięcia, pełna kontrola momentu obrotowego w czasie utknięcia oraz szybkie zwalnianie i przyspieszanie. W wysokowydajnych układach napędów silnikowych stosuje się zazwyczaj silniki trójfazowe prądu zmiennego (ilustracja 1). Urządzenia te zastępują silniki prądu stałego jako preferowany wybór ze względu na ich niską bezwładność, wysoki stosunek mocy wyjściowej do masy, solidną konstrukcję i dobre parametry pracy przy dużych prędkościach obrotowych.

Ilustracja 1: przemysłowy silnik indukcyjny prądu zmiennego z wyjściowym wałem obrotowym z lewej strony i puszką zacisków elektrycznych na górze. (Źródło ilustracji: Leroy-Somer)

Do sterowania omawianymi silnikami prądu zmiennego wykorzystywane są zasady sterowania wektorowego, nazywanego również sterowaniem polowo-zorientowanym. Większość nowoczesnych wysokowydajnych napędów zawiera cyfrowe sterowanie prądem w pętli zamkniętej. W tym systemie osiągalna szerokość pasma pętli zamkniętej zależy od szybkości wykonywania zaawansowanych obliczeniowo algorytmów sterowania wektorowego i realizacji w czasie rzeczywistym związanego z nią wirowania wektorów. Wspomniane obciążenia obliczeniowe wymagają od cyfrowych procesorów sygnałowych (DSP) zastosowania cyfrowego filtra sinc oraz wbudowanych schematów sterowania silnikiem i wektorami. Moc obliczeniowa cyfrowego procesora sygnałów (DSP) pozwala na korzystanie z krótkich czasów cyklu i szerokości pasma sterowania prądem w pętli zamkniętej.

Pełny schemat sterowania prądowego dla tych maszyn wymaga również schematu generowania wysokiego napięcia z modulacją szerokości impulsu (PWM) i przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) wysokiej rozdzielczości do pomiaru prądów silnika. Płynne sterowanie momentem obrotowym do prędkości zerowej i utrzymanie sprzężenia zwrotnego pozycji wirnika jest bardzo ważne w nowoczesnych kontrolerach wektorowych. W tym miejscu opisujemy podstawowe zasady zastosowania wysokowydajnego przetwornika analogowo-cyfrowego do sterowania trójfazowymi silnikami prądu zmiennego, łączącego 16-bitowy izolowany modulator analogowo-cyfrowy oraz zintegrowany kontroler cyfrowego procesora sygnałów (DSP) z wydajnym rdzeniem DSP i elastycznym generowaniem cyfrowego filtra sinc.

Strategia izolacji

Wysokowydajne trójfazowe silniki prądu zmiennego wymagają płynnych obrotów aż do utknięcia, pełnej kontroli momentu obrotowego w stanie utknięcia oraz szybkiego przyspieszania i zwalniania obrotów. Pomiar prędkości silnika za pomocą przetworników oraz momentu obrotowego za pomocą prądów fazowych umożliwia bezpośrednie sterowanie izolowanymi sterownikami bramek (ilustracja 2).

Ilustracja 2: ukazany układ napędowy z silnikiem trójfazowym (U, V i W) posiada tranzystory przemiennika FET sterujące silnikiem oraz rezystory pomiarowe prądu, R_S, służące do pomiaru natężenia prądu. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Rezystory pomiarowe R_S na ilustracji 2 mierzą prąd uzwojenia silnika. Konwersja 16-bitowa wykorzystuje te sygnały do dynamicznego pomiaru momentu obrotowego silnika. Hallotron wykrywa położenie silnika. Omawiany system mierzy zarówno moment obrotowy, jak i pozycję silnika w czasie.

Istnieją ważne kwestie związane z napięciem referencyjnym, które należy zrozumieć w odniesieniu do zasilania systemu sterowania silnikiem trójfazowym. Izolacja jest problemem o znaczeniu krytycznym dla stopnia przemiennikowego płytki zasilającej i procesora na płytce kontrolera. Uziemienia referencyjne dla tych dwóch płytek różnią się, co wymaga stosowania rozwiązań izolacyjnych chroniących urządzenia i użytkowników przed ewentualnymi szkodami.

Napięcie trybu wspólnego sterownika bramek trójfazowego silnika prądu zmiennego może wynosić 600V lub więcej, a przełączanie z modulacją szerokości impulsu (PWM) może mieć częstotliwość wyższą od 20kHz i czasy narastania wynoszące 25V/ns dla przemienników IGBT. Charakterystyka napięcia i czasu narastania wymaga zastosowania urządzeń izolacyjnych chroniących wrażliwe obwody w niesprzyjających warunkach. Jest niezbędne, aby pomiar prądów przepływających do silnika wywoływał jak najmniej zakłóceń w systemie. Preferowanym czujnikiem dla silników trójfazowych jest bardzo mały rezystor pomiarowy (R_S). Układ izolowany poprawia również odporność na zakłócenia w systemie sterowania silnikiem.

Systemy izolowane uwzględniają dwa główne obszary problemów projektowych: bardzo wysokie napięcia wspólne mostka i pomiar prądów silnika (I_U, I_V oraz I_W). Przedstawiony na ilustracji 3 izolowany modulator wejściowy sigma-delta ±250mV ADuM7701 firmy Analog Devices przesyła sygnał cyfrowy z obwodu wtórnego do pierwotnego.

Ilustracja 3: ukazany obwód trójfazowego silnika prądu zmiennego wykorzystuje modulator sigma-delta ADuM7701 z izolacją magnetyczną do pomiaru natężenia prądu silnika oraz cyfrowy procesor sygnałów ADSP-CM408F do realizacji filtrów sinc i oceny stanu silnika. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Zakres temperatur roboczych rozciąga się od -40°C do 125°C, przy wysokiej odporności na stany nieustalone sygnału wspólnego rzędu 10kV/µs na barierze izolacyjnej. Zasilanie modulatora ADuM7701 po stronie izolowanej wynosi 4,5V do 5,5V, a mikroukład ADSP-CM408F cyfrowego procesora sygnałów (DSP) pracuje z napięciem 3,3V. System ten przezwycięża trudność związaną z izolowaniem wysokonapięciowego sygnału wspólnego przemiennika mocy przełączania analogowego, który pojawia się na prądowych rezystorach bocznikowych (R_S).

Określenie wartości I_V i I_W dla rezystora bocznikowego (R_S) na ilustracji 3 zależy od wymagań konkretnego zastosowania, dotyczących napięcia, prądu i mocy. Niewielkie rezystory minimalizują straty mocy, ale mogą nie wykorzystywać pełnego zakresu wejściowego modulatora ADuM7701. Rezystory o wyższych wartościach osiągają maksymalny stosunek sygnału do szumu (SNR), wykorzystując pełny zakres wejściowy parametrów pracy przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Ostatecznie dobrane wartości są kompromisem między dokładnością i niskimi stratami mocy.

Podane maksymalne napięcie wejściowe modulatora ADuM7701 wynosi ±250mV. Aby spełnić te ograniczenia, wartość R_S musi być niższa od V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK}. W przykładzie na ilustracji 3, jeżeli prąd szczytowy stopnia mocy wynosi 8,5A, to maksymalna rezystancja bocznika wynosi 29,4mΩ.

Działanie modulatora sigma-delta

Układem front-end ADuM7701 jest modulator drugiego rzędu z zakresem wejściowym sygnału wspólnego od -0,2V do +0,8V. Obwody modulatora sigma-delta drugiego rzędu zawierają dwa stopnie analogowe sigma (układy całkujące) i dwa stopnie analogowe delta (układy subtraktora). Wyjście tej kombinacji obwodów jest porównywane z napięciem referencyjnym, takim jak uziemienie, tworząc jednobitowe wyjście cyfrowe (ilustracja 4).

Ilustracja 4: układ front-end modulatora ADuM7701 zawiera modulator sigma-delta drugiego rzędu, łączący dwa stopnie analogowe sigma (układy całkujące) i dwa stopnie analogowe delta (układy subtraktora). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Generowany strumień 1-bitowy jest przesyłany do filtra cyfrowego/decymacyjnego, jak również podawany z powrotem do konwertera cyfrowo-analogowego, a następnie do stopni subtraktora analogowego. Aby uzyskać optymalne parametry pracy przetwornika analogowo-cyfrowego, sygnał łączy się z procesorem ADSP-CM408F, tworząc filtr sinc, który konwertuje sygnał z modulatora na w pełni funkcjonalne słowo 16-bitowe. Bezpośredniość 1-bitowego kodu modulatora pozwala otrzymaćnatychmiastowe stany przekroczenia zakresów. Cały układ konwertuje zmierzone na rezystancji prądy gałęzi silnika, aby przedstawiać odpowiednie dane o momencie obrotowym silnika.

Filtr cyfrowy

Wyjście z modulatora ADuM7701 łączy się z wejściem głównym, wtórnym i zegarowym filtra cyfrowego ADSP-CM408F. Główna ścieżka sygnałowa przechodzi do modułu filtra sinc/decymacyjnego. Wtórna ścieżka sygnału posiada komparatory przekroczenia zakresu, które szybko wykrywają stany usterek systemu.

Parametry działania filtra sinc są określane przez częstotliwość modulatora - zegar od 5MHz do 21MHz (f_M) - oraz wskaźnik decymacyjny (D). Rząd filtra sinc (O) jest o jeden rząd wyższy niż rząd modulatora. Dlatego w przypadku modulatora ADuM7701, filtr sinc jest trzeciego rzędu. Równanie 1 przedstawia odpowiedź częstotliwościową filtra.

Równanie 1

Dopasowanie częstotliwości decymacyjnej do częstotliwości przełączania modulacji szerokości impulsu silnika (PWM) znacznie ogranicza częstotliwości harmoniczne przełączania PWM. Odpowiedź częstotliwościowa przedstawiona na ilustracji 5 ma wartości zerowe na częstotliwościach, które są parzystymi wielokrotnościami częstotliwości decymacyjnej (f_M/D).

Ilustracja 5: odpowiedź amplitudowa cyfrowego filtra sinc 3^. rzędu. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podsumowanie

Wysokowydajne trójfazowe silniki prądu zmiennego wymagają płynnych obrotów aż do utknięcia, pełnej kontroli momentu obrotowego w stanie utknięcia oraz szybkiego zwalniania i przyspieszania obrotów. Realizacja tego zadania sterowania silnikiem wymaga pomiarów momentu obrotowego, pozycji i stanu błędu silnika w czasie rzeczywistym. Zadanie projektanta polega na zrozumieniu wymagań dotyczących precyzji silnika prądu zmiennego, wyborze strategii izolacji, odpowiedniej ścieżki sigma-delta oraz wdrożeniu cyfrowego filtra sinc.

Korzystając z modulatora izolowanego i procesora sterowania z użyciem sygnałów mieszanych, takiego jak ADuM7701 i ADSP-CM408 firmy Analog Devices, projektanci mogą tworzyć wysoce precyzyjne i solidne układy sterowania silnikami pomp wody, pomp kotłowych, szlifierek i sprężarek.