Izolasyon nan itilizatè yo ak eleman elektwonik sansib se yon konsiderasyon enpòtan pou sistèm kontwòl motè. Izolasyon sekirite yo itilize pou pwoteje itilizatè yo kont tension danjere, pandan y ap izolasyon fonksyonèl ki fèt espesyalman pou pwoteje ekipman ak aparèy. Sistèm kontwòl motè yo ka gen yon gran varyete aparèy izolasyon, tankou chofè pòtay izole nan sikui kondwi; ADC izole, anplifikatè, ak detèktè nan sikwi deteksyon; ak izole SPI, RS -485, ak estanda izolatè dijital nan sikwi kominikasyon. Se seleksyon atansyon nan aparèy sa yo obligatwa, tou de pou rezon sekirite ak optimize pèfòmans.
Pandan ke izolasyon se yon konsiderasyon sistèm enpòtan, li gen dezavantaj: li ka ogmante konsomasyon pouvwa, transmèt done nan tout baryè izolasyon kreye reta, epi li ka ogmante pri sistèm lan. Konsèpteur sistèm yo te tradisyonèlman tounen vin jwenn solisyon izolasyon optik, ki pou anpil ane yo te pi bon chwa a pou izolasyon sistèm.
Nan dènye dekad la, izolatè dijital ki baze sou mayetik (transfòmatè transfè) metòd yo te bay yon solid ak nan anpil ka altènatif siperyè; Soti nan yon pèspektiv sistèm yo, yo ofri tou avantaj ke konsèpteur sistèm ka pa te rekonèt. De solisyon izolasyon yo dekri pwochen, konsantre sou amelyorasyon yo nan pèfòmans reta distribisyon ki izolasyon mayetik ofri, ak benefis yo ki kapab lakòz nan aplikasyon pou kontwòl motè nan nivo sistèm lan.
Metòd izolasyon
Optocouplers itilize limyè kòm metòd la transmisyon prensipal, jan yo montre nan Figi 1. bò transmèt la konsiste de yon ki ap dirije ak yon siyal wo nivo vire dirije a sou yo ak yon siyal nivo ki ba vire ki ap dirije a. Izolasyon se yon materyèl plastifye ant ki ap dirije a ak photodetector a, men yo kapab tou ogmante lè l sèvi avèk yon kouch izolasyon adisyonèl (anjeneral polymère ki baze sou).
Figi 1. Estrikti optocoupler
Youn nan pi gwo dezavantaj nan optocouplers se ki te dirije aje, ki ka flote karakteristik sa yo transmisyon; Konsèpteur yo dwe konsidere sa a pwoblèm adisyonèl.led aje ki lakòz pèfòmans distribisyon flote sou tan ak tanperati. Kòm yon rezilta, siyal ak monte/tonbe fwa yo afekte, compliquer konsepsyon an, espesyalman bay pwoblèm yo ki pral fè fas ak pita nan papye sa a.
Pèfòmans dekale nan optocouplers se tou limite. Yo nan lòd yo ogmante pousantaj done, pwoblèm nan kapasite parazit nannan nan optocouplers yo dwe simonte, ki mennen nan pi wo konsomasyon pouvwa. Kapasite parazit tou bay yon mekanis kouti ki lakòz optocoupler ki baze sou aparèy izolasyon gen enferyè CMTI (komen-mòd pasajè iminite) pèfòmans nan solisyon konpetisyon.
Izolatè mayetik (ki baze sou transfòmatè) yo te nan gwo-echèl itilize pou plis pase yon dekad ak yo se yon altènatif ki valab nan optocouplers. Izolatè sa yo baze sou teknoloji estanda CMOS epi itilize prensip transmisyon mayetik la, avèk kouch izolasyon ki gen poliimid oswa gaz silisyòm, jan yo montre nan Figi 2. Yon aktyèl nivo ki ba nan pulsasyon nan yon bobin, ki te génération yon jaden mayetik ki pase nan baryè izolasyon an epi ankouraje yon aktyèl nan yon dezyèm lane sou bò kote yo. Akòz itilize nan yon estrikti CMOS estanda, li ofri avantaj siyifikatif an tèm de konsomasyon pouvwa ak vitès, epi yo pa soufri soti nan pwoblèm yo devyasyon pou tout lavi ki asosye ak optocouplers. Anplis de sa, pèfòmans nan CMTI nan izolatè a transfòmatè ki baze sou se siperyè a sa yo ki an izolatè a optocoupler ki baze sou.
Figi 2. Estrikti transfòmatè mayetik
Izolatè ki baze sou transfòmatè tou pèmèt itilize nan modil pwosesis konvansyonèl siyal (yo anpeche transmisyon nan entrain fo) ak avanse transmisyon mekanism codec. Sa a pèmèt pou bi-direksyon transmisyon done, itilize nan diferan rapid kodaj optimize konsomasyon pouvwa kont pousantaj transmisyon, kòm byen ke pi vit ak pi konsistan transmisyon nan siyal kritik nan fen a lòt nan baryè a.
Konparezon nan karakteristik reta
Yon karakteristik enpòtan men souvan neglije nan tout izolatè se reta transmisyon yo. Sa a karakteristik mezire tan an li pran pou yon siyal, ki kapab yon siyal kondwi oswa yon siyal deteksyon fay, travèse baryè a nan nenpòt direksyon. Reta nan transmisyon varye anpil depann sou teknoloji a. Valè reta tipik yo anjeneral bay, men konsèpteur sistèm yo patikilyèman enterese nan reta a maksimòm, ki se yon karakteristik enpòtan yo konsidere lè konsepsyon yon sistèm kontwòl motè. Egzanp de reta transmisyon ak reta devyasyon valè pou optocouplers ak mayetik izole chofè pòtay yo bay nan tablo 1.
Tablo 1: Karakteristik tipik reta nan optocouplers ak izolatè mayetik
Jan yo montre nan tablo 1, izolasyon mayetik gen avantaj enpòtan an tèm de reta maksimòm ak reta repetabilite (devyasyon). Kòm yon rezilta, konsèpteur kontwòl motè ap gen plis konfyans nan desen yo epi yo pa pral bezwen ajoute marges distribisyon satisfè karakteristik chofè pòtay. Sa a gen enplikasyon trè enpòtan pou pèfòmans ak sekirite nan sistèm kontwòl motè.
Enplikasyon sistèm pou sistèm kontwòl motè
Figi 3 montre yon tipik twa-faz varyateur yo itilize nan yon aplikasyon AC kontwòl motè. Sa a se varyateur manje soti nan yon otobis DC, kote se ekipman pou la DC tipikman pwodwi ki sòti dirèkteman nan ekipman pou AC a atravè yon redresman pon dyòd ak kapasitif/endiktif-kapasite filtè. Nan pifò aplikasyon endistriyèl, vòltaj otobis DC a se nan ranje 300
V a 1000 V ranje. Yon batman kè lajè (PWM) konplo itilize pou chanje tranzistò pouvwa yo nan yon frekans tipik nan 5 kHz a 10
KHz tipik frekans chanje pouvwa tranzistò T1 a T6 jenere yon vòltaj varyab, frekans varyab, twa-faz sinusoid AC vòltaj nan tèminal yo motè.
Fig. 3. Twa-faz varyateur pou aplikasyon pou kontwòl motè
Siyal PWM (egzanp, PWMAH ak PWMAL) yo pwodwi nan kontwolè a motè (tipikman aplike ak yon processeur ak/oswa FPGA). Siyal sa yo tipikman ba siyal vòltaj ki tè komen ak processeur a. Yo nan lòd yo byen vire tranzistò yo pouvwa sou yo ak sou, nivo a vòltaj ak kapasite kondwi aktyèl nan siyal yo nivo lojik yo dwe anplifye, ak Anplis de sa nivo deplase pou referans a tè se nan poto a émettant nan tranzistò a pouvwa nan kesyon an. Tou depan de ki kote processeur a nan sistèm lan, siyal sa yo ka mande tou pou izolasyon sekirite.
Chofè pòtay (tankou GDRVAL ak GDRVAH nan Figi 3) fè fonksyon sa a. Chak chofè pòtay IC mande pou yon vòltaj ekipman pou bò primè referans nan tè a processeur ak yon ekipman pou segondè-bò referans a emeteur a tranzistò. Nivo vòltaj la nan ekipman pou segondè a dwe kapab vire sou tranzistò yo pouvwa (tipikman 15
V) epi yo gen ase kapasite kondwi aktyèl yo chaje ak egzeyat pòtay yo tranzistò.
Varyateur tan mouri
Tranzistò yo pouvwa gen yon tan chanje fini, se konsa yon tan mouri yo dwe eleman nan ond lan batman lajè batman kè ant tranzistò yo anwo ak pi ba pon, jan yo montre nan Figi 4. Sa a se anpeche tou de tranzistò soti nan aksidantèlman vire sou nan menm tan an, sa ki lakòz yon sikwi kout nan otobis la segondè vòltaj, ki nan vire kreye yon risk nan echèk sistèm ak/domaj. Se longè a nan tan an mouri detèmine pa de faktè: tan an tranzistò oblije chanje ak transmisyon chofè a pòtay dezekilib (ki gen ladan nenpòt ki flote soti nan dezekilib la). Nan lòt mo, deadtime a dwe kont pou nenpòt ki diferans nan tan transmisyon nan siyal la PWM soti nan processeur a nan pòtay yo tranzistò ant anwo ak pi ba chofè yo pòtay pon.
Figi 1. entèpolasyon tan mouri
Tan mouri afekte vòltaj an mwayèn aplike nan motè a, espesyalman nan vitès ki ba. An reyalite, tan mouri entwodui sa yo tension erè sa yo nan apeprè konstan grandè:
Ki kote Verror se vòltaj la erè, tdead se tan an mouri, tòn ak toff yo se tranzistò a vire-sou ak vire-off fwa reta, TS se peryòd la oblije chanje PWM, VDC se vòltaj la otobis DC, VSAT se gout nan sou-eta vòltaj nan tranzistò a pouvwa, ak VD se vòltaj la dyod.
Lè yon faz aktyèl chanje direksyon, vòltaj la erè chanje polarite, se konsa ke lè aktyèl la liy kwaze zewo, vòltaj la motè entèraksyon sibi yon chanjman etap. Sa lakòz Harmony nan vòltaj fondamantal sinusoidal la, ki vire jenere kouran Harmony nan motè a. Sa a se yon pwoblèm patikilyèman enpòtan pou pi gwo, motè yo ki ba-enpedans travay nan ouvè-bouk kondui, kote kouran Harmony ka enpòtan, ki mennen ale nan ba-vitès Vibration, koupl koupl, ak chofaj Harmony.
Tan ki mouri a gen efè ki pi grav sou distòsyon motè pwodiksyon vòltaj anba kondisyon sa yo:
Segondè vòltaj otobis DC
Long tan mouri
Segondè frekans oblije chanje
Operasyon ba-vitès, espesyalman nan ouvè-bouk kondui kote pa gen okenn konpansasyon ajoute nan algorithm nan kontwòl
Operasyon ba-vitès enpòtan paske li se nan mòd sa a ki vòltaj la motè aplike se nan nenpòt ka trè ba, ak vòltaj la erè akòz tan mouri kapab yon fraksyon siyifikatif nan vòltaj la motè aplike. Anplis de sa, efè a nan jitter deformation akòz vòltaj la erè se menm plis prejidis paske filtraj la nan inèsi sistèm lan se sèlman ki disponib nan pi wo vitès.
Nan tout paramèt sa yo, longè tan ki mouri a se sèl moun ki afekte nan teknoloji izole chofè pòtay la. Se yon pati nan longè a tan mouri detèmine pa tan an reta oblije chanje nan tranzistò a pouvwa, men se rès la ki gen rapò ak reta nan reta pwopagasyon. Nan respè sa a, izolatè optik yo klèman enferyè a teknoloji izolasyon mayetik.
Egzanp Aplikasyon
Pou ilistre efè tan ki mouri sou deformation motè-elektrik, rezilta yo bay anba a pou yon kondwi motè louvri-bouk ki baze sou yon varyateur twa-faz.
Chofè a pòtay varyateur sèvi ak yon izolatè mayetik soti nan Adi Corporation
(ADUM4223ADUM4223) dirèkteman kondwi IRG7PH46UDPBF1200VIGBT IR a ak yon vòltaj otobis DC nan 700 V. varyateur a kondwi yon motè endiksyon twa-faz nan louvri-bouk V/F mòd kontwòl. Vòltaj liy lan ak kouran faz yo mezire separeman lè l sèvi avèk yon divizeur vòltaj rezistans ak rezistans chent nan konbinezon ak yon izole ∑-∆ modulateur (tou soti nan AD7403 ADI a). Done inite yo koule soti nan chak modulateur yo voye nan yon processeur kontwòl
(ADSP-CM408 ADI a) kote done yo filtre ak extrait yo pwodwi reprezantasyon egzat nan vòltaj la ak siyal aktyèl la.
Se pwodiksyon an liy vòltaj mezire soti nan filtè a SINC dijital yo montre nan Figi 5. Vòltaj liy aktyèl la se yon ond segondè frekans oblije chanje nan 10kHz, men li se filtre soti nan filtre a dijital yo nan lòd yo montre pòsyon nan frekans ki ba nan enterè nou yo. Kouran yo ki koresponn faz motè yo montre nan Figi 6
Montre.
Fig. 5. Mezire entwodiksyon motè vòltaj: (agòch) 500 ns tan mouri; (adwat) 1 µs tan mouri
Figi 6. Mezire kouran motè: (agòch) 500 ns tan mouri; (adwat) 1µs tan mouri
Chofè a ADUM4223 GATE gen yon reta transmisyon dezekilib nan 12ns, se konsa ke absoli minimòm deadtime a egzije pou IGBT oblije chanje ka itilize. Pou IRIGBTS, minimòm deadtime a ka mete nan 500 ns. Kòm ou ka wè nan figi a sou bò gòch la, deformation a vòltaj nan ka sa a se minim. Menm jan an tou, kouran yo faz yo byen sinusoid, se konsa tranch nan koupl se minim. Graf dwat la montre vòltaj liy lan ak faz aktyèl la lè se mouri a ogmante a 1µs. Valè sa a se plis reprezantan nan bezwen yo nan yon chofè pòtay optik makonnen ak pi gwo pwopagasyon reta dezekilib ak flote. Gen yon ogmantasyon siyifikatif nan tou de vòltaj ak aktyèl distòsyon. Motè yo endiksyon yo itilize nan ka sa a yo se relativman ti, motè gwo enpedans.
Nan pi wo aplikasyon pou itilize pouvwa fen, endiksyon motè endiksyon an se tipikman pi ba anpil, sa ki lakòz ogmante motè deformation aktyèl ak koupl tranch. Torque tranch rid ka gen efè prejidis nan aplikasyon pou anpil, tankou redwi konfò woulib asansè oswa pote/kouti mete nan sistèm mekanik.
Arebranchman are
Yon lòt pwoblèm enpòtan pou chofè pòtay modèn se ki jan vit lòd la are soti nan processeur a ka reyalize sou IGBT la. Sa a enpòtan pou are surkutan nan sitiyasyon kote deteksyon an kouran se pa yon pati nan chofè a pòtay tèt li, men se aplike kòm yon pati nan deteksyon an ak sikwi filtraj. Yon lòt presyon nan zòn sa a se rakousi nan sikwi a kout-reziste tan nan IGBT pi efikas. Nan sans sa a, tandans nan teknoloji IGBT se diminye kout-sikwi a reziste tan soti nan estanda a endistri nan 10µs a 5µs oswa menm mwens. Jan yo montre nan Figi 7, sikwi deteksyon survirent tipikman mande pou yon microseconds kèk pou latch sou yon fay; Etap yo dwe pran pou diminye tan deteksyon sa a pou yo ka kenbe ak tandans jeneral la. Yon lòt faktè enpòtan nan chemen sa a se reta nan pwopagasyon soti nan pwodiksyon an processeur/FPGA nan pòtay lavil la IGBT (chofè pòtay).
Ankò, izolatè mayetik gen yon avantaj klè sou aparèy optik akòz lefèt ke valè yo reta pwopagasyon nan ansyen an yo piti anpil, tipikman alantou 50ns, epi yo pa gen okenn ankò yon faktè enfliyanman. Nan contrast, reta nan pwopagasyon nan yon optocoupler se nan lòd la nan 500ns ak kont pou yon pòsyon enpòtan nan bidjè a distribisyon total.
Figi 7. Distribisyon fay are
Distribisyon an chofè pòtay pou yon aplikasyon kontwòl motè yo montre nan Figi 8, kote lòd la are processeur swiv siyal la IGBT pòtay emeteur. Reta nan total depi nan kòmansman siyal la are jouk IGBT pòtay chofè siyal la apwòch 0 se sèlman 72 ns.
Figi 8. Overcurrent are pòtay chofè distribisyon
Rezime
Avèk ogmante konsantre sou pèfòmans sistèm, efikasite, ak sekirite, achitèk kontwòl motè fè fas a de pli zan pli defi konplèks nan konsepsyon sistèm gaya. Pandan ke chofè pòtay optocoupler ki baze sou yo se chwa a tradisyonèl yo, solisyon transfòmatè ki baze sou yo se pa sèlman plis avantaje an tèm de konsomasyon pouvwa, vitès, ak estabilite tan, men tou, kòm diskite nan papye sa a, an tèm de pèfòmans sistèm ak sekirite akòz pi kout reta siyal. Sa a pèmèt konsèpteur konfyans diminye tan mouri ak amelyore pèfòmans sistèm pandan y ap anpeche switch yo pon anwo ak pi ba soti nan vire sou nan menm tan an.
Anplis de sa, li sipòte pi vit repons a kòmandman sistèm ak erè, ki ankò amelyore fyab sistèm ak amelyore sekirite. Bay avantaj sa yo, transfòmatè ki baze sou chofè pòtay izole yo te vin yon gwo opsyon pou konsepsyon sistèm kontwòl motè; Konsèpteur sistèm yo fòtman konseye fè latansi aparèy yon kondisyon enpòtan lè konsepsyon pwojè pwochen yo.