ใช้ ADC สำหรับแยกวงจรที่เชื่อถือได้เพื่อควบคุมมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟสอย่างมีประสิทธิภาพ

มอเตอร์กระแสสลับแบบเหนี่ยวนำสามเฟสผลิตพลังงานเชิงกลสำหรับงานอุตสาหกรรมเกือบ 80% โดยให้ประสิทธิภาพสูงมากและมีคุณสมบัติที่ทนทานต่อสภาพแวดล้อม จำเป็นต้องมีการควบคุมมอเตอร์เหล่านี้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อจัดการกับปัญหาการบรรทุกที่หนักกว่า เช่น ปั๊มน้ำ ปั๊มหม้อต้ม เครื่องบด และคอมเพรสเซอร์ที่ต้องใช้แรงบิดในการสตาร์ทที่สูงขึ้นการควบคุมความเร็วที่ดี

การควบคุมนี้เป็นเรื่องท้าทายสำหรับนักออกแบบ เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับมอเตอร์สามเฟสต้องการการตอบสนองของสัญญาณอะนาล็อกที่แยกได้ตลอดการปัดกระแสจากสัญญาณไฟฟ้าแรงสูงโหมดทั่วไป นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้าแยกแบบไดนามิกสูงจะต้องมีค่าคงที่ในช่วงอุณหภูมิแวดล้อมที่กว้าง

โซลูชันสำหรับการควบคุมมอเตอร์กระแสสลับแบบเหนี่ยวนำสามเฟสที่แม่นยำสำหรับการใช้งานจำนวนมากนั้น มาจากวงจรตรวจจับกระแสไฟฟ้าและฟังก์ชันตัวแปลงอะนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) แบบแยก เช่น โมดูเลเตอร์แบบแยก การทำงานของ ADC นี้จะสร้างกลไกการจับสัญญาณไฟฟ้าแรงสูงของอินเวอร์เตอร์สวิตชิ่งเพาเวอร์ข้ามตัวต้านทานกระแสไฟฟ้าสำหรับการใช้งานควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ

บทความนี้กล่าวถึงปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับที่แม่นยำและเหตุใดการตอบสนองแบบอะนาล็อกที่แยกได้จึงเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานประเภทนี้ จากนั้นจะแนะนำโมดูเลเตอร์ sigma-delta ที่แยกได้จาก อุปกรณ์อะนาล็อกพร้อมทั้ง sin px/px หรือ sinc ตัวกรองดิจิทัลสำหรับสัญญาณเอาต์พุตโมดูเลเตอร์เพื่อสร้างคำ ADC 16 บิตในขณะเดียวกับประโยชน์ที่ได้รับจากอุปสรรคที่เกิดขึ้นในการแยกวงจร

รู้จักกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสเบื้องต้น

คุณลักษณะหลักของเซอร์โวมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงคือการหมุนไปยังแผงอย่างราบรื่น การควบคุมแรงบิดทั้งหมดที่แผง และการชะลอตัวและการเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงมักใช้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส (รูปที่ 1) เครื่องจักรเหล่านี้เป็นทางเลือกของคุณที่จะใช้แทนที่มอเตอร์กระแสตรง เนื่องจากมีความเฉื่อยต่ำ อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักเอาต์พุตสูง มีโครงสร้างที่ทนทานและประสิทธิภาพการหมุนความเร็วสูงที่ดี

รูปที่ 1: มอเตอร์ AC แบบเหนี่ยวนำสามเฟสสำหรับอุตสาหกรรมที่มีเพลาหมุนเอาท์พุทอยู่ทางด้านซ้ายและกล่องขั้วไฟฟ้าอยู่ด้านบน (แหล่งรูปภาพ: Leroy-Somer)

หลักการของการควบคุมเวกเตอร์ หรือที่เรียกว่าการควบคุมเชิงภาคสนามใช้ในการจัดการมอเตอร์ AC เหล่านี้ ไดรฟ์ประสิทธิภาพสูงที่ทันสมัยส่วนใหญ่ใช้การควบคุมกระแส close loop แบบดิจิทัล ในระบบนี้แบนด์วิดท์ close loop ที่ทำได้จะขึ้นอยู่กับอัตราการดำเนินการของอัลกอริธึมการควบคุมเวกเตอร์ที่เข้มข้นในการคำนวณและการใช้งานแบบเรียลไทม์ของการหมุนเวกเตอร์ที่เกี่ยวข้อง ภาระในการคำนวณนี้ต้องใช้ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) เพื่อใช้ตัวกรองดิจิทัล sinc และโครงร่างควบคุมมอเตอร์และเวกเตอร์ในตัว พลังการคำนวณของ DSP อนุญาตให้มีรอบการทำงานที่รวดเร็วและแบนด์วิดท์ควบคุมกระแส close loop

รูปแบบการควบคุมกระแสไฟฟ้าที่สมบูรณ์สำหรับเครื่องเหล่านี้ยังต้องใช้โครงร่างการสร้างแรงดันไฟฟ้าสูงแบบ pulse-width modulation (PWM) และ ADC ความละเอียดสูงสำหรับการวัดกระแสมอเตอร์ การควบคุมแรงบิดอย่างราบรื่นถึงความเร็วที่ค่าเป็นศูนย์ การบำรุงรักษาตำแหน่งโรเตอร์ฟีดแบ็คเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับตัวควบคุมเวกเตอร์สมัยใหม่ ในที่นี้เราจะอธิบายหลักการพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังการใช้ ADC ประสิทธิภาพสูงสำหรับมอเตอร์ AC สามเฟสซึ่งรวมโมดูเลเตอร์อนาล็อกเป็นดิจิตอลแบบแยก 16 บิตและตัวควบคุม DSP ในตัวที่มีแกน DSP ที่ทรงพลังและการสร้างตัวกรองซิงก์ดิจิทัลที่ยืดหยุ่น

กลยุทธ์แบบแยก

คุณลักษณะหลักของมอเตอร์กระแสสลับประสิทธิภาพสูงคือการหมุนไปยังแผงอย่างราบรื่น การควบคุมแรงบิดทั้งหมดที่แผง และการชะลอตัวและการเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว การวัดความเร็วของมอเตอร์ด้วยทรานสดิวเซอร์ และแรงบิดด้วยกระแสเฟสควบคุมไดรเวอร์เกตแยกโดยตรง (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ระบบขับมอเตอร์สามเฟส (U V และ W) นี้มีทรานซิสเตอร์อินเวอร์เตอร์ FET เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ และตัวต้านทานที่ใช้ตรวจจับกระแสไฟฟ้า R_Sเพื่อรับรู้ปริมาณกระแส (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

ตัวต้านทานตรวจจับกระแสไฟฟ้า R_S ในรูปที่ 2 จับกระแสที่คดเคี้ยวของมอเตอร์ การแปลง 16 บิตใช้สัญญาณเหล่านี้เพื่อวัดแรงบิดของมอเตอร์แบบไดนามิก เซ็นเซอร์ Hall effect จับตำแหน่งของมอเตอร์ ระบบนี้จะจับทั้งแรงบิดและตำแหน่งเมื่อเวลาผ่านไป

มีประเด็นการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่สำคัญที่ต้องทำความเข้าใจเมื่อเปิดระบบควบคุมมอเตอร์สามเฟส การแยกวงจรเป็นความท้าทายที่สำคัญต่ออินเวอร์เตอร์บนแผงวงจรไฟฟ้าและโปรเซสเซอร์บนบอร์ดควบคุม การอ้างอิงภาคพื้นดินสำหรับบอร์ดทั้งสองนี้แตกต่างกันโดยต้องใช้ผลิตภัณฑ์แยก เพื่อปกป้องอุปกรณ์และผู้ใช้จากความเสียหายและอันตรายที่อาจเกิดขึ้น

แรงดันไฟฟ้าตัวขับเกตโหมดทั่วไปของมอเตอร์ AC สามเฟสอาจสูงถึง 600 โวลต์ หรือมากกว่าโดยที่การมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) สวิตชิ่งมากกว่า 20 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) และเวลาเพิ่มขึ้น 25 โวลต์ต่อนาโนวินาที (ns) สำหรับอินเวอร์เตอร์ IGBT ลักษณะของแรงดันไฟฟ้าและเวลาที่เพิ่มขึ้นเหล่านี้จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์แยกเพื่อป้องกันวงจรที่ละเอียดอ่อนในสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นมิตรนี้ การตรวจจับกระแสไปยังมอเตอร์เป็นสิ่งสำคัญ โดยต้องมีการรบกวนระบบน้อยที่สุด เซ็นเซอร์ที่เลือกใช้สำหรับมอเตอร์สามเฟสคือตัวต้านทานความสำหรับวัดค่ากระแสที่ตัวเล็กมาก (R_S) ระบบแยกยังช่วยเพิ่มการป้องกันสัญญาณรบกวนในระบบควบคุมมอเตอร์

ระบบที่แยกได้รองรับประเด็นสำคัญในการออกแบบสองประเด็น ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปของบริดจ์ที่สูงมากและการจับกระแสของมอเตอร์ (I_U, I_Vและ I_W) ในรูปที่ 3 อุปกรณ์อะนาล็อก ADuM7701 sigma-delta ที่แยกได้ ± 250 มิลลิโวลต์ (mV) อินพุทโมดูเลเตอร์ให้สัญญาณดิจิทัลจากด้านรองไปยังด้านหลัก

รูปที่ 3: วงจรมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสนี้ใช้โมดูเลเตอร์ sigma-delta แบบแยกแม่เหล็ก ADuM7701 เพื่อจับขนาดกระแสของมอเตอร์และ ADSP-CM408F DSP เพื่อใช้ตัวกรอง sinc และประเมินสภาพของมอเตอร์ (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

อุณหภูมิในการทำงานอยู่ระหว่าง -40°C ถึง 125°C โดยมีการป้องกันชั่วคราวในโหมดทั่วไปสูง 10 กิโลโวลต์ (kV) ต่อไมโครวินาที (มิลลิวินาที) ADuM7701 แยกกำลังออกเป็น 4.5 ถึง 5.5 โวลต์ในขณะที่ ADSP-CM408F ชิป DSP ทำงานที่ 3.3 โวลต์ ระบบนี้เอาชนะความยากลำบากในการแยกสัญญาณไฟฟ้าแรงสูงทั่วไปของอินเวอร์เตอร์สวิตชิ่งเพาเวอร์อะนาล็อกที่ปรากฏบนตัวต้านทาน current shunt (R_S)

การกำหนดค่าของ I_V และI_W shunt resistor (R_S) ค่าในรูปที่ 3 ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของแรงดันไฟฟ้ากระแสและการใช้พลังงาน ตัวต้านทานขนาดเล็กช่วยลดการกระจายพลังงานให้น้อยที่สุด แต่อาจใช้ช่วงอินพุต ADuM7701 ไม่เต็มที่ ตัวต้านทานที่มีค่าสูงกว่าจะให้ประสิทธิภาพอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (SNR) สูงสุดโดยใช้ช่วงอินพุตประสิทธิภาพ ADC เต็มรูปแบบ ค่าสุดท้ายที่เลือกได้จะค่าที่ดีที่สุดระหว่างความแม่นยำและการกระจายพลังงานต่ำ

แรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงสุดที่ระบุของโมดูเลเตอร์ ADuM7701 คือ ±250 mV R_S ต้องน้อยกว่า V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK} เพื่อตอบสนองข้อจำกัดเหล่านี้อย่างปลอดภัย ตัวอย่างเช่นในรูปที่ 3 หากพิกัดกระแสไฟฟ้าสูงสุดของสเตจคือ 8.5 แอมแปร์ (A) ความต้านทานการปัดสูงสุดคือ 29.4 มิลลิโอห์ม (mΩ)

การทำงานของโมดูเลเตอร์ Sigma-delta

ส่วนหน้าของ ADuM7701 เป็นโมดูเลเตอร์ลำดับที่สองที่มีช่วงอินพุตโหมดทั่วไป -0.2 โวลต์ถึง +0.8 โวลต์ วงจรมอดูเลเตอร์ sigma-delta ลำดับที่สองประกอบด้วยสเตจ sigma (integrator) แบบ delta อะนาล็อกสองสเตจ (subtractor) เอาต์พุตของชุดค่าผสมนี้เปรียบเทียบกับแรงดันไฟฟ้าอ้างอิง เช่น กราวด์เพื่อตั้งค่าclock ของเอาต์พุตดิจิตอลหนึ่งบิต (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ส่วนหน้าของ ADuM7701 ประกอบด้วยโมดูเลเตอร์ sigma-delta ลำดับที่สองที่รวมสองสเตจ sigma (integrator) แบบอะนาล็อกเข้ากับสเตจ delta (subtractor) แบบอะนาล็อกสองขั้น (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

สตรีม 1 บิตที่ตั้งค่า clock จะถูกนำเสนอไปยังตัวกรองดิจิทัล/เดซิเมเตอร์เช่นเดียวกับการป้อนกลับไปยังตัวแปลงดิจิทัลเป็นอะนาล็อกจากนั้นไปยังขั้นตอนการลบอะนาล็อก เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพ ADC โดยรวมที่ดีที่สุดสัญญาณจะรวมกับ ADSP-CM408F เพื่อสร้างตัวกรอง sinc ที่แปลงสัญญาณโมดูเลเตอร์เป็นคำ 16 บิตที่ใช้งานได้เต็มรูปแบบ ความฉับไวของโค้ด 1 บิตของโมดูเลเตอร์ทำให้เกิดเงื่อนไขการโอเวอร์เรนจ์ได้ทันที ระบบที่สมบูรณ์จะแปลงกระแสขามอเตอร์ที่ตรวจจับความต้านทานเพื่อให้ข้อมูลแรงบิดของมอเตอร์ที่เหมาะสม

ตัวกรองดิจิตอล

เอาต์พุตของโมดูเลเตอร์ ADuM7701 เชื่อมต่อกับอินพุตหลักรองและนาฬิกาของตัวกรองดิจิทัล ADSP-CM408F เส้นทางสัญญาณหลักไปยังโมดูลตัวกรอง sinc/decimation เส้นทางสัญญาณรองมีตัวเปรียบเทียบจำนวนมากเพื่อให้ตรวจจับสภาพความผิดปกติของระบบได้อย่างรวดเร็ว

ความถี่ของโมดูเลเตอร์ - 5 megahertz (MHz) ถึง 21 MHz clock (f_M) - และอัตราการแยกตัว (D) กำหนดประสิทธิภาพของตัวกรอง sinc ลำดับตัวกรอง sinc (O) เป็นหนึ่งคำสั่งที่สูงกว่าโมดูเลเตอร์ ดังนั้นด้วย ADuM7701 ตัวกรอง sinc จึงเป็นลำดับที่สาม สมการที่ 1 แสดงการตอบสนองความถี่ของตัวกรอง

สมการที่ 1

การจับคู่ความถี่การลดความถี่กับความถี่การเปลี่ยน PWM ของมอเตอร์จะช่วยลดฮาร์โมนิกการสลับ PWM ได้อย่างมาก การตอบสนองความถี่ในรูปที่ 5 มีค่าศูนย์ที่ความถี่ซึ่งเป็นค่าคูณจำนวนคู่ของความถี่การถอดรหัส (f_M/D)

รูปที่ 5: 3^rd- สั่งการตอบสนองความกว้างของตัวกรองดิจิตอล sinc (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

สรุป

มอเตอร์กระแสสลับประสิทธิภาพสูงต้องการการหมุนไปยังแผงอย่างราบรื่น การควบคุมแรงบิดทั้งหมดที่แผง และการชะลอตัวและการเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว การดำเนินงานควบคุมมอเตอร์นี้ให้สำเร็จจำเป็นต้องมีการวัดแรงบิด ตำแหน่ง และสภาวะความผิดปกติของมอเตอร์แบบเรียลไทม์ ความท้าทายของนักออกแบบคือการทำความเข้าใจความต้องการด้านความแม่นยำของมอเตอร์ AC เลือกกลยุทธ์การแยก เลือกเส้นทาง sigma-delta ที่เหมาะสม และใช้ตัวกรองดิจิตอลแบบ sinc

การใช้โมดูเลเตอร์แยกและโปรเซสเซอร์ควบคุมสัญญาณผสมเช่น ADuM7701 และ ADSP-CM408 จาก Analog Devices ทำให้นักออกแบบสามารถสร้างระบบควบคุมมอเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงและทนทานสำหรับปั๊มน้ำ ปั๊มหม้อต้ม เครื่องบด และคอมเพรสเซอร์ได้