Izolácia používateľov a citlivé elektronické komponenty sú dôležitým faktorom pre systémy riadenia motora. Izolácia bezpečnosti sa používa na ochranu používateľov pred škodlivým napätím, zatiaľ čo funkčná izolácia je špeciálne navrhnutá na ochranu zariadení a zariadení. Systémy riadenia motora môžu obsahovať širokú škálu izolačných zariadení, ako sú napríklad izolované ovládače brány v hnacích obvodoch; izolované ADC, zosilňovače a senzory v detekčných obvodoch; a izolované SPI, RS -485 a štandardné digitálne izolátory v komunikačných obvodoch. Vyžaduje sa starostlivý výber týchto zariadení, a to z bezpečnostných dôvodov, ako aj na optimalizáciu výkonu.
Aj keď je izolácia dôležitým systémom, má nevýhody: môže zvýšiť spotrebu energie, prenos údajov cez izolačné prekážky vytvára oneskorenia a môže zvýšiť náklady na systém. Dizajnéri systému sa tradične obrátili na optické izolačné riešenia, ktoré boli po mnoho rokov najlepšou voľbou pre izoláciu systému.
V poslednom desaťročí poskytovali digitálne izolátory založené na magnetických metódach (transformátorový prenos) životaschopné a v mnohých prípadoch vynikajúca alternatíva; Z hľadiska systému ponúkajú tiež výhody, ktoré návrhári systému nemuseli rozpoznať. Ďalej sú opísané dve izolačné riešenia, ktoré sa zameriavajú na zlepšenie výkonu načasovania oneskorenia, ktoré ponúka magnetická izolácia, a výsledné výhody pre aplikácie riadenia motora na úrovni systému.
Izolačné metódy
OptoCouplery využívajú svetlo ako metódu primárneho prenosu, ako je znázornené na obrázku 1. Vysielacia strana pozostáva z LED diódy s zapnutím signálu na vysokej úrovni a zapnutia signálu LED na nízkej úrovni. Strana prijímania využíva fotodetektor na premenu prijatého svetla signálu späť na elektrický signál. Izolácia je poskytovaná plastifikovaným materiálom medzi LED a fotodetektorom, ale môže sa tiež vylepšiť pomocou ďalšej izolačnej vrstvy (zvyčajne na báze polyméru).
Obrázok 1. Štruktúra OptoCoupler
Jednou z najväčších nevýhod optocouplerov je starnutie LED, ktoré môže unášať prenosové charakteristiky; Dizajnéri musia zvážiť tento dodatočný problém. Vedenie starnutia spôsobuje, že výkon načasovania sa v priebehu času a teploty unáša. V dôsledku toho sú ovplyvnené časy signalizácie a zvýšenia/pádu, ktoré komplikujú dizajn, najmä vzhľadom na problémy, ktoré sa budú riešiť neskôr v tomto dokumente.
Obmedzenie škálovania výkonu optoCouplers je tiež obmedzené. Aby sa zvýšila rýchlosť prenosu dát, musí sa prekonať problém s parazitickou kapacitou, ktorá je spojená s optoCouplers, čo vedie k vyššej spotrebe energie. Parazitická kapacita tiež poskytuje spojovací mechanizmus, ktorý spôsobuje, že izolačné zariadenia založené na optoCoupler majú výkonnosť dolného výkonu CMTI (Common-Mode Transient Immunity) výkonu v konkurenčných riešeniach.
Magnetické izolátory (založené na transformátoroch) sa vo veľkom meradle používajú už viac ako desať rokov a sú platnou alternatívou k optocoupleters. Tieto izolátory sú založené na štandardnej technológii CMOS a využívajú princíp magnetického prenosu, pričom izolačná vrstva pozostáva z polyimidu alebo oxidu kremíka, ako je znázornené na obrázku 2. Nízka úroveň prúdu sa prenáša v pulzoch cez cievku, ktorá generuje magnetické pole, ktoré prechádza cez izolačnú bariéru a indukuje prúd v druhej strane na druhej strane bariéra. Vzhľadom na použitie štandardnej štruktúry CMOS ponúka významné výhody z hľadiska spotreby energie a rýchlosti a netrpí problémami s celoživotnou odchýlkou spojenou s optocouplers. Okrem toho výkonnosť CMTI izolátora založeného na transformátoroch je lepšia ako výkonnosť izolátora založeného na optoCoupler.
Obrázok 2. Štruktúra magnetického transformátora
Izolátory založené na transformátoroch tiež umožňujú použitie konvenčných modulov spracovania signálu (na zabránenie prenosu falošných vstupov) a pokročilých mechanizmov prenosového kodeku. To umožňuje obojsmerný prenos údajov, použitie rôznych schém kódovania na optimalizáciu spotreby energie v porovnaní s rýchlosťou prenosu, ako aj rýchlejšie a konzistentnejšie prenos kritických signálov na druhý koniec bariéry.
Porovnanie charakteristík oneskorenia
Dôležitou, ale často prehliadanou charakteristikou všetkých izolátorov je ich oneskorenie prenosu. Táto charakteristika meria čas, ktorý potrebuje pre signál, ktorý môže byť hnacím signálom alebo signálom detekcie porúch, na prekročenie bariéry v oboch smeroch. Oneskorenie prenosu sa výrazne líši v závislosti od technológie. Zvyčajne sa poskytujú typické hodnoty oneskorenia, ale návrhári systému sa obzvlášť zaujímajú o maximálne oneskorenie, čo je dôležitá charakteristika, ktorá je potrebné zvážiť pri navrhovaní systému riadenia motora. Príklady hodnôt oneskorenia prenosu a odchýlky oneskorenia pre optocouplery a magneticky izolované ovládače hradle sú uvedené v tabuľke 1.
Tabuľka 1: Typické charakteristiky oneskorenia optocouplerov a magnetických izolátorov
Ako je uvedené v tabuľke 1, magnetická izolácia má významné výhody, pokiaľ ide o maximálne oneskorenie a oneskorenie opakovateľnosti (odchýlka). Výsledkom je, že dizajnéri riadenia motora budú mať väčšiu dôveru vo svoje návrhy a nebudú musieť pridávať časové okraje, aby vyhoveli charakteristikám vodiča brány. To má veľmi dôležité dôsledky pre výkon a bezpečnosť systémov riadenia motorov.
Dôsledky systému pre systémy riadenia motora
Obrázok 3 zobrazuje typický trojfázový menič používaný v aplikácii riadenia striedavého prúdu. Tento menič je privádzaný z jednosmernej zbernice, kde je DC napájanie typicky generovaný priamo z napájania striedavým prúdom pomocou usmerňovača diódového mostíka a kapacitného/induktívneho funkčného filtra. Vo väčšine priemyselných aplikácií je napätie zbernice DC v rozmedzí 300
V až 1 000 V rozsah. Schéma modulácie šírky impulzu (PWM) sa používa na prepínanie výkonových tranzistorov v typickej frekvencii 5 kHz až 10
KHz Typická frekvencia na prepínanie tranzistorov výkonu T1 na T6, aby sa vytvorila variabilné napätie, variabilná frekvencia, trojfázové sínusové napätie striedavého prúdu na motorických termináloch.
Obr. 3. Trojfázový menič pre aplikácie riadenia motora
Signály PWM (EG, PWMAH a PWMAL) sa generujú v riadiaci motora (zvyčajne implementované s procesorom a/alebo FPGA). Tieto signály sú zvyčajne signály s nízkym napätím, ktoré sú spoločným základom s procesorom. Aby sa správne zapínali a vypínali výkonové tranzistory, musí sa zosilniť úroveň napätia a prúdová jednotka na úrovni logickej úrovne a dodatočne sa posunú úroveň tak, aby sa referencia na pôde nachádzala na emitingovom póle príslušného energetického tranzistora. V závislosti od umiestnenia procesora v systéme môžu tieto signály vyžadovať aj bezpečnostnú izoláciu.
Túto funkciu vykonávajú ovládače brány (napríklad GDRVal a GDRVAH na obrázku 3). Každý vodič brány IC vyžaduje napájacie napätie primárnej strany odkazom na zem procesor a dodávku sekundárnej strany odkazom na emitor tranzistora. Úroveň napätia sekundárneho napájania musí byť schopná zapnúť elektrické tranzistory (zvyčajne 15
V) a majú dostatok súčasnej schopnosti jednotky na nabíjanie a vypúšťanie tranzistorových brán.
Menič mŕtvy čas
Power tranzistory majú konečný čas prepínania, takže do modulácie šírky impulzov sa musí vložiť mŕtvy čas, aby sa zabránilo náhodnému zapínaniu tranzistorov šírky impulzov medzi hornými a dolnými mostíkmi, čo spôsobuje skrat v zbernici DC vysokého napätia, čo následne vytvára riziko zlyhania systému a/alebo poškodenia. Dĺžka mŕtveho času je určená dvoma faktormi: čas prepínania tranzistora a nesúlad prenosu prenosu hradla (vrátane akéhokoľvek posunu z nesúladu). Inými slovami, Deadtime musí zodpovedať za akýkoľvek rozdiel v čase prenosu signálu PWM zo procesora na tranzistorové brány medzi ovládačmi horných a dolných mostíkov.
Obrázok 4. Interpolácia mŕtveho času
Mŕtvy čas ovplyvňuje priemerné napätie aplikované na motor, najmä pri nízkych rýchlostiach. V skutočnosti mŕtvy čas zavádza nasledujúce chybové napätie približne konštantnej veľkosti:
Tam, kde je Verror chybové napätie, Tdead je mŕtvy čas, tona a toff sú prepínanie tranzistora a čas oneskorenia vypnutia, TS je perióda prepínania PWM, VDC je napätie zbernice DC, VSAT je kvapka napätia v štáte napätia v štátnom napätí a VD je napätie vedenia diódov.
Keď fázový prúd zmení smer, napätie chýb sa zmení polarita, takže keď linkový prúd prekročí nulu, napätie medzi linami motora prechádza zmenou kroku. To spôsobuje harmonické v sínusovom základnom napätí, ktoré zase vytvára harmonické prúdy v motore. Toto je obzvlášť dôležitý problém pre väčšie, nízko impedančné motory používané v jednotkách s otvorenou slučkou, kde harmonické prúdy môžu byť významné, čo vedie k nízkorýchlostným vibráciám, zvlneniu krútiaceho momentu a harmonickému zahrievaniu.
Mŕtvy čas má najzávažnejší vplyv na skreslenie výstupného napätia motora za nasledujúcich podmienok:
Vysoké napätie zbernice DC
Dlhý čas
Vysoká frekvencia prepínania
Prevádzka nízkej rýchlosti, najmä v jednotkách s otvorenou slučkou, kde sa do riadiaceho algoritmu nepridáva žiadna kompenzácia
Prevádzka s nízkou rýchlosťou je dôležitá, pretože v tomto režime je napätie použitého motora v každom prípade veľmi nízke a napätie chýb v dôsledku mŕtveho času môže byť významnou frakciou aplikovaného napätia motora. Okrem toho je účinok skreslenia jitter v dôsledku chybového napätia ešte škodlivejší, pretože filtrovanie zotrvačnosti systému je k dispozícii iba pri vyšších rýchlostiach.
Zo všetkých týchto parametrov je dĺžka mŕtveho času jediná dĺžka, ktorú ovplyvnila technológia izolovanej vodiča brány. Časť dĺžky mŕtvych časov je určená dobou oneskorenia prepínania tranzistora výkonu, ale zvyšok súvisí s nesúladom oneskorenia šírenia. V tomto ohľade sú optické izolátory jednoznačne horšie ako technológia magnetickej izolácie.
Príklady aplikácií
Na ilustráciu účinku mŕtveho času na motorické elektrické skreslenie sú uvedené nižšie pre motorovú pohon s otvorenou slučkou založenou na trojfázovom meniči.
Vodič brány meniča používa magnetický izolátor od spoločnosti ADI Corporation
(ADUM4223ADUM4223) na priame riadenie IRG7PH46UDPBF1200VIGBT s napätím zbernice DC 700 V. Invertor poháňa trojfázový indukčný motor v riadiacom režime otvorenej loop V/F. Vedenie napätia a fázové prúdy sa meria osobitne pomocou odporového deliča napätia a rezistora v kombinácii s izolovaným modulátorom ∑-∆ (tiež z AD7403 AD7403). Výstup jednotkových dátových prúdov z každého modulátora sa odosiela do riadiaceho procesora
(ADSP-CM408), kde sa údaje filtrujú a extrahujú, aby sa vytvorili presné znázornenie signálov napätia a prúdu.
Nameraný výstup napätia čiarového napätia z digitálneho filtra SINC je znázornený na obrázku 5. Skutočné čiarové napätie je vysoký priebehový tvar vlny pri 10 kHz, ale odfiltruje sa digitálnym filtrom, aby sa ukázala nízkofrekvenčná časť nášho záujmu. Zodpovedajúce prúdy fázy motora sú znázornené na obrázku 6
Zobrazené.
Obr. 5. Namerané interlinové napätie motora: (vľavo) 500 ns mŕtve čas; (vpravo) 1 µs mŕtvy čas
Obrázok 6. Namerané motorové prúdy: (vľavo) 500 ns mŕtve čas; (vpravo) 1 µs mŕtvy čas
Ovládač brány ADUM4223 má nesúlad oneskorenia prenosu 12NS, takže je možné použiť absolútne minimálne minimálne mŕtve časy potrebné na prepínanie IGBT. V prípade irigbtov je možné minimálne mŕtvy čas nastaviť na 500 ns. Ako je možné vidieť na obrázku vľavo, skreslenie napätia v tomto prípade je minimálne. Podobne sú fázové prúdy dobre sínusové, takže zvlnenie krútiaceho momentu je minimálne. Správny graf ukazuje napätie čiary a fázový prúd, keď sa mŕtvy čas zvýši na 1 µs. Táto hodnota je reprezentatívnejšia pre potreby opticky spojeného vodiča brány s väčším nesúladom oneskorenia šírenia a unášaním. Významné zvýšenie napätia a skreslenia prúdu. Indukčné motory použité v tomto prípade sú relatívne malé, vysokohodné motory.
V aplikáciách s vyšším výkonom koncového použitia je indukčná impedancia motora zvyčajne oveľa nižšia, čo vedie k zvýšenému skresleniu prúdu motora a zvlneniu krútiaceho momentu. Zvlnenie krútiaceho momentu môže mať škodlivé účinky v mnohých aplikáciách, napríklad v mechanických systémoch znížené pohodlie jazdy výťahom alebo opotrebenie ložiska/spojky v mechanických systémoch.
Nadprirodzené vypnutie
Ďalším dôležitým problémom pre moderné ovládače brány je to, ako rýchlo možno na IGBT realizovať príkaz vypnutia z procesora. Je to dôležité pre nadprúdové vypnutie v situáciách, keď detekcia nadprúd nie je súčasťou samotného vodiča brány, ale je implementovaná ako súčasť obvodov detekcie a filtrovania. Ďalším tlakom v tejto oblasti je skrátenie skratu, ktorý odoláva času účinnejších IGBT. V tejto súvislosti je trendom v technológii IGBT zníženie skratu odolávať času z priemyselného štandardu 10 µs na 5 µs alebo dokonca menej. Ako je znázornené na obrázku 7, nadprúdové detekčné obvody zvyčajne vyžadujú, aby sa niekoľko mikrosekúnd zachytilo na poruchu; Musia sa podniknúť kroky na skrátenie tejto doby detekcie, aby sa držal krok s celkovým trendom. Ďalším hlavným faktorom tejto cesty je oneskorenie šírenia z výstupu procesora/FPGA na bránu IGBT (ovládač brány).
Magnetické izolátory majú oproti optickým zariadeniam jasnú výhodu v dôsledku skutočnosti, že hodnoty oneskorenia šírenia z prvej sú veľmi malé, zvyčajne okolo 50 NS a už nie sú ovplyvňujúcim faktorom. Naopak, oneskorenie šírenia optoCoupler je rádovo 500N a predstavuje významnú časť celkového rozpočtu načasovania.
Obrázok 7. Načasovanie vypnutia poruchy
Časovanie vypnutia ovládača hradla pre aplikáciu riadenia motora je znázornené na obrázku 8, kde príkaz vypnutia procesora sleduje signál emitoru brány IGBT. Celkové oneskorenie od začiatku signálu vypnutia, kým sa signál ovládača brány IGBT brány nepriblíži 0, je iba 72 ns.
Obrázok 8. Načasovanie ovládača ovládača nadprúdového vypínania brány
Zhrnutie
So zvýšeným zameraním na výkon, efektívnosť a bezpečnosť systému čelia architekti riadenia motora čoraz zložitejšími výzvami pri navrhovaní robustných systémov. Zatiaľ čo ovládače brány založených na OptoCoupler sú tradičnou voľbou, riešenia založené na transformátoroch sú nielen výhodnejšie z hľadiska spotreby energie, rýchlosti a stability času, ale tiež, ako sa uvádza v tomto dokumente, pokiaľ ide o výkon a bezpečnosť systému v dôsledku kratších oneskorení signálu. To umožňuje dizajnérom s istotou skrátiť mŕtvy čas a zlepšiť výkon systému a zároveň zabrániť zapínaniu horných a dolných mostov v rovnakom čase.
Okrem toho podporuje rýchlejšiu reakciu na príkazy a chyby systémov, čo opäť zvyšuje spoľahlivosť systému a zvyšuje bezpečnosť. Vzhľadom na tieto výhody sa izolované ovládače brány založené na transformátoroch stali hlavnou možnosťou pre návrh systému riadenia motora; Dizajnérom systému sa dôrazne odporúča, aby sa latencia zariadenia stala dôležitou požiadavkou pri navrhovaní ich ďalšieho projektu.