Käytä luotettavia erotus-AD-muuntajia kolmivaiheisen epätahtimoottorin tehokkaaseen ohjaukseen

Kolmivaiheiset AC-epätahtimoottorit tuottavat lähes 80 % teollisuussovellusten tarvitsemasta mekaanisesta voimasta. Niiden hyötysuhde on hyvin korkea ja ne kestävät haastavia olosuhteita. Näissä moottoreissa tarvitaan tehokasta ohjausta, jotta niillä voidaan käyttää raskaita kuormia kuten vesipumput, boilereiden pumput, hiomakoneet ja kompressorit, jotka vaativat korkeaa käynnistymismomenttia, tehokasta nopeussäätöä ja kohtuullista yleistä kapasiteettia.

Tämä ohjaus on suunnittelijoille haastavaa, koska kolmivaihemoottorin elektroniikka vaatii erotettua analogisignaalia käyttävää takaisinkytkentää korkean jännitteen mittausvastuksista sekä yhteismuotoisia signaaleja. Lisäksi jännitteiden korkean dynaamisen erotuksen on oltava voimassa laajalla lämpötila-alueella.

Ratkaisun kolmivaiheisten AC-epätahtimoottoreiden tarkkaan ohjaukseen tarjoavat monissa sovelluksissa virtamittauspiirit ja erotettu analogia-digitaalimuunnin (ADC) kuten erotusmodulaattori. Tämä ADC-toiminto tarjoaa AC-moottorinohjaussovelluksille mittausmekanismin hakkuri-invertterin korkeajännitesignaalille sivupiirivastuksen ylitse.

Tässä artikkelissa keskustellaan ongelmista, joita liittyy AC-moottorin tarkkaan ohjaukseen ja sitä miksi erotettu analoginen takaisinkytkentä on hyvä vaihtoehto tämäntyyppiseen sovellukseen. Tämän jälkeen artikkelissa esitellään erotettu sigma-delta-modulaattori yritykseltä Analog Devices samoin kuin digitaalinen sin px/px- tai sinc-suodatin modulaattorin lähtösignaalia varten 16-bittisen ADC-sanan muodostamiseksi samalla hyödyntäen sen erotussuojausta.

Johdanto kolmivaiheisiin AC-epätahtimoottoreihin

Suorituskyvyltään korkeiden servomoottorien tärkein ominaisuus on pehmeä kiertoliike aina pysähdyksiin saakka, vääntömomentin täysi ohjattavuus pysähdyksissä sekä kiertoliikkeen nopea hidastus ja kiihdytys. Suorituskyvyltään korkeat moottorinohjausjärjestelmät käyttävät tavallisesti kolmivaiheisia AC-moottoreita (kuva 1). Nämä koneet korvaavat DC-moottorit suosikkipaikan, koska niiden inertia on alhainen, niiden teho-paino-suhde on korkea , ne ovat rakenteeltaan robusteja ne tarjoavat hyvän suorituskyvyn korkeilla kiertonopeuksilla.

Kuva 1: Teollisuuden kolmivaiheinen AC-epätahtimoottori, jossa pyörivä lähtöakseli vasemmalla ja sähköinen liitinrasia yläpuolella. (Kuvan lähde: Leroy-Somer)

Vektoriohjauksen perusteet, kutsutaan myös nimellä kenttäsuuntautunut ohjaustekniikka, jolla näitä AC-moottoreita ohjataan. Useimmissa nykyaikaisissa suorituskyvyltään korkeissa ohjaimissa käytetään digitaalisesti toteutettua suljetun silmukan virtaohjausta. Tässä järjestelmässä saavutettava suljetun silmukan kaistanleveys riippuu laskentaintensiivisten vektorinohjausalgoritmien suoritusnopeudesta sekä vastaavien vektorikiertojen reaaliaikaisesta toteutuksesta. Tämä laskentatehtävä vaatii digitaalisia signaaliprosessoreita (DSP) sinc-digitaalisuodattimen sekä sulautettujen moottorin- ja vektorinohjausmallien toteuttamiseksi. DSP-piirin laskentateho mahdollistaa nopeat sykliajat sekä suljetun silmukan virtaohjauksen kaistanleveydet.

Näiden koneiden kattava virtaohjausmalli vaatii myös korkean jännitteen pulssileveysmodulaation (PWM) generointimallia sekä korkean resoluution AD-muunninta moottorivirtojen mittaamiseen. Vääntömomentin tasainen ohjaus pysähdykseen ja roottoriasennon takaisinkytkennän säilyttäminen on tärkeää nykyisille vektoriohjaimille. Tässä kuvaamme perusperiaatteet suorituskyvyltään korkean AD-muuntimen toteuttamiseksi kolmivaiheisille AC-moottoreille. Siinä yhdistetään 16-bittinen erotettu analogi-digitaali-modulaattori sekä integroitu DSP-ohjain tehokkaalla DSP-ytimellä ja joustavalla digitaalisen sinc-suodattimen generoinnilla.

Erotusstrategia

Suorituskyvyltään korkeat kolmivaiheiset AC-moottorit tarvitsevat tasaisen kiertoliikkeen aina pysähdyksiin saakka, vääntömomentin täyttä ohjattavuutta pysähdyksissä sekä kiertoliikkeen nopeaa kiihdytystä ja hidastusta. Moottorinopeuden mittaus antureilla ja vääntömomentin mittaus vaihevirroilla ohjaa suoraan erotettuja hilaohjaimia (kuva 2).

Kuva 2: Tässä kolmivaiheisen moottorin ohjausjärjestelmässä (U, V ja W) käytetään FET-invertteritransistoreita moottorin ohjaukseen sekä virtamittausvastuksia R_S mittaamaan sähkövirran suuruus. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvan 2 mittausvastukset R_S mittaavat moottorin käämivirran. 16-bittinen muunnos käyttää näitä signaaleja moottorin vääntömomentin dynaamiseen mittaamiseen. Hall-anturi mittaa moottorin asennon. Tämä järjestelmä mittaa sekä vääntömomenttia että asentoa ajan funktiona.

Kolmivaiheisen moottorinohjausjärjestelmän käytössä on ymmärrettävä merkittävät referenssijännitteeseen liittyvät ongelmat. Erotus muodostaa kriittisen haasteen, koska invertterivaihe on tehopuolella ja prosessori ohjainpuolella. Näiden kahden puolen referenssimaa poikkeaa toisistaan ja tämä vaatii erotustuotteita laitteiden ja käyttäjien suojaamiseksi mahdollisilta vahingoilta ja haitoilta.

Kolmivaiheisen AC-moottorin yhteismuoto-hilaohjaimen jännite voi olla 600 volttia tai enemmän, kun taas pulssileveysmodulaatio (PWM) käyttää yli 20 kilohertsin (kHz) taajuutta ja nousuaikaa 25 volttia per nanosekunti (ns) IGBT-invertterien ohjaamiseen. Nämä jännitteet ja nousuaikapiirteet vaativat erotuslaitteita herkkien piirien suojaamiseksi tässä vihamielisessä ympäristössä. On erittäin tärkeää mitata moottoriin menevä virta tavalla, joka häiritse järjestelmää mahdollisimman vähän. Kolmivaihemoottoria varten valittava anturi on erittäin pieni virtamittausvastus (R_S). Erotettu järjestelmä parantaa myös moottorinohjausjärjestelmän immuniteettia kohinalle.

Erotetut järjestelmät kattavat kaksi tärkeää suunnittelualuetta: sillan erittäin korkeat yhteisjännitteet sekä moottorivirtojen (I_U, I_V ja I_W) mittaaminen. Kuvassa 3 erotettu Analog Devices ADuM7701 -sigma-delta-modulaattori ±250 millivoltin (mV) tulolla tarjoaa digitaalisignaalin toisiopuolelta ensiöpuolelle.

Kuva 3: Tämä kolmivaiheinen AC-moottoripiiri käyttää magneettisesti erotettua ADuM7701-sigma-delta-modulaattoria mittaamaan moottorin sähkövirtojen suuruudet sekä ADSP-CM408F DSP -prosessoria sinc-suodattimien toteuttamiseen ja moottorin tilan arvioimiseen. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Sen käyttölämpötila on -40 °C ... 125 °C ja se kestää korkeita yhteismuotoisia jännitetransientteja, 10 kilovolttia (kV) per mikrosekunti, (ms) koko erotussuojausalueella. ADuM7701-piirin erotetun puolen teho on 4,5 – 5,5 volttia kun taas ADSP-CM408F DSP -siru toimii 3,3 voltilla. Tämä järjestelmä ratkaisee ongelman, joka liittyy virtamittausvastusten (R_S) ylitse vaikuttavan analogisen hakkuri-invertterin korkeajännite-maasignaalin erottamiseen.

Kuvan 3 sähkövirtojen I_V ja I_W mittausvastuksen (R_S) arvon määritys riippuu sovelluksen halutuista jännite-, virta- ja tehovaatimuksista. Pienet resistanssit minimoivat tehohäviön mutta eivät ehkä käytä ADuM7701-piirin koko tuloaluetta. Korkeampiarvoiset vastukset saavuttavat maksimin signaalikohinasuhteen (SNR) käyttämällä ADC:n koko tuloaluetta. Lopullisesti valittavat arvot ovat kompromissi tarkkuuden ja pienen tehohäviön välillä.

ADuM7701-modulaattorin suurin määritetty tulojännite on ±250 mV. Vastuksen R_S on oltava pienempi kuin V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK} näiden reunaehtojen täyttymiseksi. Jos kuvan 3 esimerkissä tehoasteen huippuvirtaluokitus on 8,5 ampeeria (A), mittausvastuksen maksimiarvo on 29,4 milliohmia (mΩ).

Sigma-Delta-modulaattorin toiminta

ADuM7701piirin etuasteena toimii toisen asteen modulaattori, jonka tulon yhteisjännite on -0,2 ... +0,8 volttia. Toisen asteen sigma-delta-modulaattoripiiri sisältää kaksi analogista sigma-astetta (integraattori) ja kaksi analogista delta-astetta (vähennin). Tämän yhdistelmän lähtöä verrataan jännitereferenssiin, esimerkiksi maahan, yhden bitin digitaalisen lähdön kellottamiseksi (kuva 4).

Kuva 4: ADuM7701-piirin etuaste muodostuu toisen asteen sigma-delta-modulaattorista, jossa käytetään kahta analogista sigma-astetta (integraattori) ja kahta analogista delta-astetta (vähennin). (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kellotettu 1 bitin virta ohjataan digitaali/desimaattorisuodattimelle ja se myös syötetään takaisin digitaali-analogiamuuntimeen ja sen jälkeen analogisiin vähenninasteisiin. Parhaan ADC-kokonaissuorituskyvyn saavuttamiseksi signaali yhdistetään ADSP-CM408F-piirin kanssa sinc-suodattimen muodostamiseksi. Tämä muuntaa modulaattorin signaalin täysin operatiiviseksi 16-bittiseksi sanaksi. Modulaattorin 1-bittisen koodin välittömyys tuottaa välittömän tiedon jos signaali on sallitun arvoalueen ulkopuolella. Koko järjestelmä muuntaa resistiivisesti mitatun moottorihaaran sähkövirrat tarvittavan moottorin vääntömomentti-informaation tuottamiseksi.

Digitaalinen suodatin

ADuM7701-modulaattorin lähtö yhdistetään digitaalisen ADSP-CM408F-suodattimen primaari-, sekundaari- ja kellotuloihin. Primaarisignaalipolku jatkuu sinc/desimaatio-suodatinmoduuliin. Sekundaarisignaalipolulla on ylialuekomparaattorit, jotka havaitsevat järjestelmän vikatilan nopeasti.

Modulaattorin taajuus – 5 megahertsiä (MHz) ... 21 MHz:n kello (f_M) – sekä desimointinopeus (D) määrittävät sinc-suodattimen suorituskyvyn. Sinc-suodattimen asteluku (O) on yksi korkeampi kuin modulaattorin asteluku. Näin ollen ADuM7701-piirin sinc-suodatin on kolmatta astetta. Yhtälö 1 näyttää suodattimen taajuusvasteen.

Yhtälö 1

Desimointitaajuuden sovittaminen moottorin PWM-ohjaustaajuuteen vähentää merkittävästi PWM-ohjauksen harmonisia taajuuksia. Kuvan 5 taajuusvasteessa on nollakohtia taajuuksilla, jotka ovat desimointitaajuuden (f_M/D) monikertoja.

Kuva 5: Digitaalisen kolmannen asteen sinc-suodattimen amplitudivaste. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Yhteenveto

Suorituskyvyltään korkeat kolmivaiheiset AC-moottorit vaativat tasaisen kiertoliikkeen aina pysähdyksiin saakka, vääntömomentin täyttä ohjattavuutta pysähdyksissä sekä kiertoliikkeen nopeaa hidastusta ja kiihdytystä. Tällaisen moottorinohjauksen saavuttaminen vaatii moottorin vääntömomentin ja asennon reaaliaikaista mittausta sekä virhetilanteiden seuraamista. Suunnittelijan haasteena on ymmärtää AC-moottorin tarkkuusvaatimukset, valita erotusstrategia, valita sopiva sigma-delta-polku sekä toteuttaa digitaalinen sinc-suodatin.

Käyttämällä erotettua modulaattoria sekä sekasignaaliohjausprosessoria kuten ADuM7701 ja ADSP-CM408 yritykseltä Analog Devices, suunnittelijat voivat luoda tarkkoja ja robusteja moottorinohjausjärjestelmiä vesipumpuille, boilereiden pumpuille, hiomakoneille ja kompressoreille.