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使用可靠的隔离式ADC有效控制三相感应马达
[作者 Rich Miron]   2021年04月07日 星期三 浏览人次: [1785]

要在众多应用中达到精密的三相感应AC马达控制,解决方法就是利用电流感测电路以及隔离式类比数位转换器 (ADC) 功能,例如隔离式调变器。本文探讨在达到精密AC马达控制时所衍生的相关问题,并说明为何隔离式类比回授是这种应用的良好选择。


三相感应AC马达能以极高效率及环境耐用特性,在几??80%的工业应用中产生机械力。要克服较高负载的相关问题,有效控制这些马达有其必要性,例如水泵、锅炉泵、研磨机、压缩机等都需要较高的起动扭力、良好的速度调节以及合理的超范围能力。


要达到控制对设计人员来说并不容易,因为三相马达电子需要在电流分流间,取得来自高电压共模讯号的隔离式类比讯号回授。除此之外,高动态隔离电压必须在宽广的环境温度范围内维持一致。


要在众多应用中达到精密的三相感应AC马达控制,解决方法就是利用电流感测电路以及隔离式类比数位转换器 (ADC) 功能,例如隔离式调变器。此ADC功能可在AC马达控制应用的电流分流电阻之间,针对切换式功率逆变器的高电压讯号提供撷取机制。


本文将探讨在达到精密AC马达控制时所衍生的相关问题,并说明为何隔离式类比回授是这种应用的良好选择。接着会介绍来自Analog Devices的隔离式三角积分调变器,以及适用於调变器输出讯号的sin px/px或 sinc数位滤波器,藉此产生16位元 ADC 字组并运用其隔离式屏障的优势。


三相感应AC马达介绍

高效能伺服马达的主要特性在於能顺畅地从转动到失速、完全控制失速时的扭力,以及迅速的加速与减速。高效能马达驱动系统通常会使用三相AC马达(图1)。这些机器会取代DC马达的首选地位,因为具有低惯性、高输出功率对重量比、坚固结构,以及良好的高转速效能。



图1 : 工业用三相感应 AC 马达的左边有输出转动轴,顶端有电气接线盒。(source:Leroy-Somer)
图1 : 工业用三相感应 AC 马达的左边有输出转动轴,顶端有电气接线盒。(source:Leroy-Somer)

可利用向量控制原理(亦称为磁场导向控制),来控管这些AC马达。绝大多数现代化高效能驱动器都以数位方式实作闭??路电流控制。在此系统中,可达到的闭??路频宽需视运算密集的向量控制演算法执行率,以及相关向量旋转的即时运作而定。此运算负担需要数位讯号处理器(DSP)来实作sinc数位滤波器以及嵌入式马达及向量控制机制。DSP的运算能力可达到快速的周期时间以及闭??路电流控制频宽。


这些机器的完整电流控制机制也需要脉宽调变(PWM)高电压产生机制,以及高解析度ADC来测量马达电流。顺畅的控制扭力归零速度,以及转子位置回授的维持对於现代化向量控制器来说不可或缺。在此我们将说明针对三相AC马达实作高效能ADC时背後的基本原理,就是将16位元隔离式类比数位调变器及整合式DSP控制器结合强大的DSP核心及灵活的数位sinc滤波器生成。


隔离策略

高效能三相AC马达需要顺畅地从转动到失速、完全控制失速时的扭力,以及迅速的加速与减速。马达速度能以传感器测量,扭力则透过相位电流测量,会直接控制隔离式闸极驱动器(图2)。



图2 : 此三相马达驱动器系统 (U、V、W) 具有 FET 逆变器电晶体可驱动马达及电流感测电阻 RS,以便感测电流强度。(source:Analog Devices)
图2 : 此三相马达驱动器系统 (U、V、W) 具有 FET 逆变器电晶体可驱动马达及电流感测电阻 RS,以便感测电流强度。(source:Analog Devices)

图2中的感测电阻RS会撷取马达的绕组电流。16位元转换会采用这些讯号来动态测量马达的扭力。霍尔效应感测器会撷取马达的位置。此系统会随着时间同时撷取扭力与位置。


要供电给三相马达控制系统前,要了解一个重大的叁考电压问题。电源板上有逆变器级且控制板上有处理器时,隔离会是关键难题。这两个板件的接地叁考有所不同,因此需要隔离产品来保护装置以及使用者,以免受到潜在破坏与伤害。


三相AC马达共模闸极驱动器电压可高达600 V以上,而IGBT逆变器的脉宽调变(PWM)切换频率大於 20 kHz,上升时间则为每奈秒(ns) 25 V。这些电压与上升时间特性都需要隔离装置来保护恶劣环境中的敏感电路。马达电流的感测相当重要且仅可对系统造成最低干扰。针对三相马达选用的感测器是极小型的感测电阻(RS)。隔离式系统亦可提升马达控制系统的杂讯耐受度。


隔离式系统可因应两大设计疑虑:极高的桥接共模电压以及马达电流 (IU、IV、IW) 的撷取。在图3中,Analog Devices的ADuM7701三角积分隔离式±250 mV输入调变器可将来自二次侧的数位讯号提供到一次侧。



图3 : 此三相AC马达电路采用ADuM7701磁性隔离式三角积分调变器来撷取马达电流强度,并使用ADSP-CM408F DSP来实作sinc滤波器并评估马达的状态。(source:Analog Devices)
图3 : 此三相AC马达电路采用ADuM7701磁性隔离式三角积分调变器来撷取马达电流强度,并使用ADSP-CM408F DSP来实作sinc滤波器并评估马达的状态。(source:Analog Devices)

工作温度介於摄氏-40度至125度,在隔离屏障间具有每毫秒(ms)10 kV的高共模暂态耐受能力。ADuM7701隔离侧电力介於4.5至5.5 V,而ADSP-CM408F DSP晶片能以3.3 V工作。此系统可克服将电流分流电阻(RS)间出现的类比切换式功率逆变器高电压共模讯号隔离的难题。


要判定图3中的IV与IW分流电阻(RS)值,需视指定的电压、电流与电源应用需求而定。小电阻可将功率耗散降至最低,但可能无法运用ADuM7701的完整输入范围。更高值的电阻可运用完整的ADC输入范围效能,因此能达到最大的讯噪比(SNR)效能。选定的最终值其实是在准确度与低功率耗散之间折衷的结果。


ADuM7701调变器指定的最大输入电压为±250 mV。RS必须低於VMOD_PEAK/ICC_PEAK ,以符合这些限制。以图 3为例,若功率级的峰值电流额定值为8.5 A,最大分流电阻则为29.4微欧姆。


三角积分调变器的运作

ADuM7701的前端为二阶调变器,具有-0.2 V至+0.8 V的输入共模范围。二阶三角积分调变器电路含有两个类比积分(积分器)级搭配两个类比三角(减法器)级。此组合的输出会跟叁考电压(如接地)进行比对,以产生1位元数位输出的时脉(图4)。



图4 : ADuM7701的前端由一个二阶三角积分调变器组成,其结合两个类比积分 (积分器) 级搭配两个类比三角 (减法器) 级。(source:Analog Devices)
图4 : ADuM7701的前端由一个二阶三角积分调变器组成,其结合两个类比积分 (积分器) 级搭配两个类比三角 (减法器) 级。(source:Analog Devices)

产生的1位元串流时脉会传送到数位/降频器滤波器,也会回??到数位类比转换器,然後再到类比减法器级。为了达到最隹的ADC整体效能,讯号会结合ADSP-CM408F以产生sinc滤波器,将调变器的讯号转换成可完整运作的16位元字组。调变器的1位元代码具有立即性,因此可提供即时的超限状态。完整系统可转换电阻感测的马达电桥臂电流,以提供适当的马达扭力资讯。


数位滤波器

ADuM7701调变器的输出连接到ADSP-CM408F数位滤波器的一次、二次与时脉输出。一次讯号路径会接续到sinc/降频滤波器模组。二次讯号路径有超限比较器,可快速侦测系统故障情况。


调变器的频率(5 MHz至21MHz)(fM),以及降频率(D)会决定sinc滤波器的效能。sinc滤波器的阶层 (O)比调变器更高一阶。因此,若有ADuM7701,sinc滤波器则为第三阶。


将降频频率与马达的 PWM 切换频率匹配,即可大幅降低 PWM 切换谐波。图 5 的频率响应指出,即便频率是降频频率 (fM/D) 数倍的情况下也有归零情况。



图5 : 三阶 sinc 数位滤波器振幅反应。(source:Analog Devices)
图5 : 三阶 sinc 数位滤波器振幅反应。(source:Analog Devices)

结论

高效能的三相AC马达需要顺畅地从转动到失速、完全控制失速时的扭力,以及迅速的加速与减速。要达到此马达控制任务,就需要即时测量马达的扭力、位置及故障前况。设计人员的难题在於,要了解 AC 马达的精细要求、选择隔离策略、选择适当的三角积分负竟,并实作sinc数位滤波器。


使用隔离式调变器与混合式讯号控制处理器,如Analog Devices的ADuM7701与ADSP-CM408,设计人员就可打造高精密、完备的马达控制系统,适用於水泵、锅炉泵、研磨机与压缩机。


(本文作者Rich Miron任职於Digi-Key公司)


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