Lietotāju un jutīgu elektronisko komponentu izolēšana ir svarīgs apsvērums motora vadības sistēmām. Drošības izolēšana tiek izmantota, lai aizsargātu lietotājus no kaitīga sprieguma, savukārt funkcionālā izolācija ir īpaši izstrādāta, lai aizsargātu aprīkojumu un ierīces. Motora vadības sistēmās var būt ļoti dažādas izolācijas ierīces, piemēram, izolēti vārtu vadītāji piedziņas ķēdēs; izolēti ADC, pastiprinātāji un sensori noteikšanas ķēdēs; un izolēts SPI, RS -485 un standarta digitālie izolatori sakaru shēmās. Lai optimizētu veiktspēju, ir nepieciešama rūpīga šo ierīču izvēle gan drošības apsvērumu dēļ.
Kaut arī izolācija ir svarīgs sistēmas apsvērums, tam ir trūkumi: tā var palielināt enerģijas patēriņu, datu pārsūtīšana dažādās izolācijas barjerās rada kavēšanos, un tā var palielināt sistēmas izmaksas. Sistēmas dizaineri tradicionāli ir pievērsušies optiskajiem izolācijas risinājumiem, kas daudzus gadus bija labākā izvēle sistēmas izolēšanai.
Pēdējā desmitgadē digitālie izolatori, kas balstīti uz magnētisko (transformatoru pārnešanas) metodēm, ir nodrošinājuši dzīvotspējīgu un daudzos gadījumos labāku alternatīvu; Raugoties no sistēmas viedokļa, viņi piedāvā arī priekšrocības, kuras sistēmas dizaineri, iespējams, nav atzinuši. Tālāk ir aprakstīti divi izolācijas risinājumi, koncentrējoties uz kavēšanās laika veiktspējas uzlabojumiem, ko piedāvā magnētiskā izolācija, un no tā izrietošajiem ieguvumiem motora vadības lietojumprogrammām sistēmas līmenī.
Izolācijas metodes
Optocouplers izmanto gaismu kā primāro pārraides metodi, kā parādīts 1. attēlā. Pārraides puse sastāv no gaismas diodes ar augsta līmeņa signālu ieslēdzam gaismas diodi un zema līmeņa signāla izslēdziet gaismas diodi. Saņemtā puse izmanto fotodetektoru, lai saņemtu gaismas signālu atpakaļ elektriskā signālā. Izolāciju nodrošina plastificēts materiāls starp LED un fotodetektoru, bet to var arī uzlabot, izmantojot papildu izolācijas slāni (parasti uz polimēru).
1. attēls. Optocoupler struktūra
Viens no lielākajiem optokoutu trūkumiem ir tas, ka LED novecošana, kas var novirzīt pārraides īpašības; Dizaineriem ir jāņem vērā šī papildu problēma. Veltīta novecošanās izraisa laika veiktspēju laika gaitā un temperatūrā. Rezultātā tiek ietekmēta signalizācija un pieaugums/kritiena laiki, sarežģot dizainu, īpaši ņemot vērā jautājumus, kas tiks risināti vēlāk šajā dokumentā.
Arī optokoutu veiktspējas mērogošana ir ierobežota. Lai palielinātu datu pārraides ātrumu, ir jāpārvar parazītu kapacitātes problēma, kas raksturīga optokoutuvētājiem, kas noved pie lielāka enerģijas patēriņa. Parazītu kapacitāte nodrošina arī savienošanas mehānismu, kas izraisa optokouplera izolācijas ierīču zemāku CMTI (parastā režīma pārejoša imunitātes) veiktspēju konkurējošiem risinājumiem.
Magnētiskie izolatori (uz transformatoru) ir izmantoti plaša mēroga lietošanā vairāk nekā desmit gadus un ir derīga alternatīva optokoutuvētājiem. Šie izolatori ir balstīti uz standarta CMOS tehnoloģiju un izmanto magnētiskās transmisijas principu, izolācijas slānim, kas sastāv no poliimīda vai silīcija dioksīda, kā parādīts 2. attēlā. Zema līmeņa strāva tiek pārraidīta impulsos caur spoli, veidojot magnētisko lauku, kas caurlaišanas barjerā izraisa strāvu otrajā sparā otrā sparā. Sakarā ar standarta CMOS struktūras izmantošanu, tā piedāvā ievērojamas priekšrocības enerģijas patēriņa un ātruma ziņā, un tas necieš no dzīves novirzes problēmām, kas saistītas ar optokouteriem. Turklāt transformatorā balstīta izolatora CMTI veiktspēja ir pārāka par optokouplera bāzes izolatoru.
2. attēls. Magnētiskā transformatora struktūra
Uz transformatoru balstīti izolatori arī ļauj izmantot parastos signālu apstrādes moduļus (lai novērstu nepatiesu ieeju pārnešanu) un uzlabotus transmisijas kodeka mehānismus. Tas ļauj veikt divvirzienu datu pārraidi, dažādu kodēšanas shēmu izmantošanu, lai optimizētu enerģijas patēriņu salīdzinājumā ar pārraides ātrumu, kā arī ātrāku un konsekventāku kritisko signālu pārraidi uz barjeras otro galu.
Kavēšanās īpašību salīdzinājums
Svarīga, bet bieži vien aizmirsta īpašība visiem izolatoriem ir to pārraides kavēšanās. Šis raksturlielums mēra laiku, kas nepieciešams signālam, kas var būt piedziņas signāls vai bojājuma noteikšanas signāls, lai šķērsotu barjeru abos virzienos. Pārraides kavēšanās ievērojami mainās atkarībā no tehnoloģijas. Parasti tiek nodrošinātas tipiskas kavēšanās vērtības, bet sistēmas dizainerus īpaši interesē maksimālā kavēšanās, kas ir svarīga īpašība, kas jāņem vērā, izstrādājot motora vadības sistēmu. Optocouplers un magnētiski izolēto vārtu vadītāju pārraides kavēšanās un aizkaves novirzes vērtību piemēri ir sniegti 1. tabulā.
1. tabula: Tipiski optokoutu un magnētisko izolatoru kavēšanās raksturlielumi
Kā parādīts 1. tabulā, magnētiskajai izolācijai ir ievērojamas priekšrocības attiecībā uz maksimālo kavēšanos un atkārtojamību aizkavēšanā (novirze). Rezultātā motora vadības dizaineriem būs lielāka pārliecība par saviem dizainparaugiem, un viņiem nevajadzēs pievienot laika robežas, lai atbilstu vārtu vadītāja īpašībām. Tam ir ļoti svarīga ietekme uz motora vadības sistēmu veiktspēju un drošību.
Sistēmas ietekme uz motora vadības sistēmām
3. attēlā parādīts tipisks trīsfāzu invertors, ko izmanto maiņstrāvas motora vadības lietojumprogrammā. Šis invertors tiek barots no līdzstrāvas kopnes, kur līdzstrāvas padeve parasti tiek ģenerēta tieši no maiņstrāvas padeves, izmantojot diodes tilta taisngriežu un kapacititīvo/induktīvo kapitālu filtru. Lielākajā daļā rūpniecisko pielietojumu līdzstrāvas kopnes spriegums ir diapazonā no 300
No no 1000 V diapazonā. Lai mainītu jaudas tranzistorus ar tipisku frekvenci no 5 kHz līdz 10, tiek izmantota impulsa platuma modulācijas (PWM) shēma ar tipisku frekvenci no 5 kHz līdz 10
KHz tipiska frekvence, lai mainītu jaudas tranzistorus T1 uz T6, lai ģenerētu mainīgu spriegumu, mainīgu frekvenci, trīsfāzu sinusoidālo maiņstrāvas spriegumu motora spailēs.
3. attēls. Trīsfāžu invertors motora vadības lietojumiem
PWM signāli (piemēram, PWMAH un PWMAL) tiek ģenerēti motora kontrollerī (parasti tiek ieviesti ar procesoru un/vai FPGA). Šie signāli parasti ir zemsprieguma signāli, kas ir kopīgi pamatoti ar procesoru. Lai pareizi ieslēgtu un izslēgtu strāvas tranzistorus, ir jāpaslāza loģiskā līmeņa signālu sprieguma līmenis un strāvas piedziņas spēja, papildus jānosina tā, lai zemes atsauce būtu attiecīgā strāvas tranzistora izstarojošajā polā. Atkarībā no procesora atrašanās vietas sistēmā šiem signāliem var būt nepieciešama arī drošības izolācija.
Vārtu vadītāji (piemēram, Gdrval un Gdrvah 3. attēlā) veic šo funkciju. Katram vārtu vadītājam IC ir nepieciešams primārās puses barošanas spriegums, kas norādīts uz procesora zemi, un sekundārās puses padeve, kas atsaucas uz tranzistora emitētāju. Sekundārās padeves sprieguma līmenim jāspēj ieslēgt strāvas tranzistorus (parasti 15
V) un ir pietiekami daudz strāvas piedziņas spējas, lai uzlādētu un izlādētos tranzistora vārtus.
Invertora miris laiks
Jaudas tranzistoriem ir ierobežots pārslēgšanas laiks, tāpēc impulsa platuma modulācijas viļņu formas laikā starp augšējo un apakšējo tiltu tranzistoriem ir jāievieto miris laiks, kā parādīts 4. attēlā. Tas ir paredzēts, lai abi tranzistori vienlaikus nejauši ieslēdzas, izraisot īslaicīgu ķēdi augstsprieguma DC autobusā, kas savukārt rada sistēmas kļūmes un///vai bojājumu risku. Mirušā laika ilgumu nosaka divi faktori: tranzistora pārslēgšanās laiks un vārtu draivera pārraides kavēšanās neatbilstība (ieskaitot jebkuru novirzi no neatbilstības). Citiem vārdiem sakot, strupceļam ir jāņem vērā visas atšķirības PWM signāla pārraides laikā no procesora uz tranzistora vārtiem starp augšējo un apakšējo tilta vārtu vadītājiem.
4. attēls. Mirušās laika interpolācija
Mirušais laiks ietekmē vidējo spriegumu, kas tiek piemērots motoram, īpaši ar nelielu ātrumu. Faktiski mirušais laiks ievieš šādus aptuveni nemainīga lieluma kļūdas spriegumus:
Ja Verror ir kļūdas spriegums, tdead ir miris laiks, tonna un tofs ir tranzistora ieslēgšanas un izslēgšanas kavēšanās laiks, TS ir PWM komutācijas periods, VDC ir līdzstrāvas kopnes spriegums, VSAT ir stāvokļa sprieguma piliens strāvas tranzistorā, un VD ir diodes vadīšanas spriegums.
Kad fāzes strāva maina virzienu, kļūdas spriegums maina polaritāti tā, ka tad, kad līnijas strāva šķērso nulli, motora starplīnijas spriegums tiek mainīts. Tas izraisa harmoniku sinusoidālā pamatpriegumā, kas savukārt rada harmoniskas strāvas motorā. Tas ir īpaši svarīgs jautājums lielākiem, zemas nepilnības motoriem, kas tiek izmantoti atvērtā cilpas braucienos, kur harmoniskās strāvas var būt nozīmīgas, izraisot vibrāciju ar zemu ātrumu, griezes momentu pulsāciju un harmonisku apkuri.
Mirušajam laikam ir visnopietnākā ietekme uz motora izejas sprieguma kropļojumiem šādos apstākļos:
Augsts DC kopnes spriegums
Ilgs miris laiks
Augsta pārslēgšanās frekvence
Darbība ar zemu ātrumu, it īpaši atvērtā cilpas piedziņā, kur kontroles algoritmam netiek pievienota kompensācija
Darbība ar zemu ātrumu ir svarīga, jo šajā režīmā pielietotais motora spriegums katrā ziņā ir ļoti zems, un kļūdas spriegums, kas saistīts ar mirušo laiku, var būt nozīmīga pielietotā motora sprieguma daļa. Turklāt izkropļojuma nervozitātes ietekme kļūdas sprieguma dēļ ir vēl kaitīgāka, jo sistēmas inerces filtrēšana ir pieejama tikai ar lielāku ātrumu.
No visiem šiem parametriem mirušā laika garums ir vienīgais, kuru ietekmē izolētās vārtu vadītāja tehnoloģija. Daļu no mirušā laika garuma nosaka enerģijas tranzistora pārslēgšanās kavēšanās laiks, bet pārējais ir saistīts ar izplatīšanās kavēšanos neatbilstību. Šajā ziņā optiskie izolatori ir skaidri zemāki par magnētiskās izolācijas tehnoloģiju.
Lietojumprogrammu piemēri
Lai ilustrētu mirušā laika ietekmi uz motorelektriskiem izkropļojumiem, zemāk ir sniegti rezultāti atvērtas cilpas motora piedziņai, pamatojoties uz trīsfāzu invertoru.
Invertora vārtu draiveris izmanto magnētisko izolatoru no ADI Corporation
(ADUM4223ADUM4223) Lai tieši vadītu IRG7PH46UDPBF1200VIGBT, ar līdzstrāvas kopnes spriegumu 700 V. Invertors vada trīsfāžu indukcijas motoru atvērtā cilpas V/F vadības režīmā. Līnijas sprieguma un fāzes strāvas mēra atsevišķi, izmantojot pretestības sprieguma dalītāju un šunta rezistoru kombinācijā ar izolētu modulatoru ∑-∆ (arī no ADI AD7403). Vienības datu plūsmas izeja no katra modulatora tiek nosūtīta uz vadības procesoru
(ADI ADSP-CM408), kur dati tiek filtrēti un iegūti, lai iegūtu precīzus sprieguma un strāvas signālu attēlojumus.
Izmērītā līnijas sprieguma izeja no SINC digitālā filtra ir parādīta 5. attēlā. Faktiskais līnijas spriegums ir augsta komutācijas frekvences viļņu forma pie 10 kHz, bet to filtrē digitālais filtrs, lai parādītu mūsu intereses zemas frekvences daļu. Atbilstošās motora fāzes strāvas ir parādītas 6. attēlā
Parādīts.
5. attēls. Izmērīts starplīnijas motora spriegums: (pa kreisi) 500 ns miris laiks; (pa labi) 1 µs miris laiks
6. attēls. Izmērītās motora strāvas: (pa kreisi) 500 ns miris laiks; (pa labi) 1 µs miris laiks
Adum4223 vārtu draivera pārraides kavēšanās neatbilstība ir 12NS, tāpēc varētu izmantot absolūto minimālo strupceļu, kas nepieciešams IGBT pārslēgšanai. IRIGBTS minimālo strupceļu var iestatīt uz 500 ns. Kā redzams attēlā kreisajā pusē, sprieguma kropļojums šajā gadījumā ir minimāls. Tāpat fāzes strāvas ir labi sinusoidālas, tāpēc griezes momenta pulsācija ir minimāla. Labajā diagrammā parādīta līnijas spriegums un fāzes strāva, kad strupceļš tiek palielināts līdz 1 µs. Šī vērtība ir vairāk reprezentatīva optiski savienotā vārtu draivera vajadzībām ar lielāku izplatīšanās kavēšanos neatbilstību un dreifu. Ievērojami palielinās gan spriegums, gan strāvas kropļojumi. Šajā gadījumā izmantotie indukcijas motori ir salīdzinoši mazi, augstas pretestības motori.
Lielākas jaudas lietošanas lietojumos indukcijas motora pretestība parasti ir daudz zemāka, kā rezultātā palielinās motora strāvas kropļojums un griezes momenta pulsācija. Griezes momenta pulsācijai var būt kaitīga ietekme daudzās lietojumprogrammās, piemēram, samazināts lifta braukšanas komforts vai mehānisko sistēmu gultņa/sakabes nodilums.
Pārslodze
Vēl viens svarīgs jautājums mūsdienu vārtu draiveriem ir tas, cik ātru procesora izslēgšanas komandu var realizēt IGBT. Tas ir svarīgi, lai pārsložu izslēgšana situācijās, kad pārslodzes noteikšana nav paša vārtu vadītāja daļa, bet tiek ieviesta kā daļa no noteikšanas un filtrēšanas shēmas. Vēl viens spiediens šajā apgabalā ir īssavienojuma saīsināšana, kas iztur vairāk efektīvāku IgBT. Šajā sakarā IGBT tehnoloģijas tendence ir samazināt īssavienojuma izturību no nozares standarta 10 µs līdz 5 µs vai pat mazāk. Kā parādīts 7. attēlā, pārmērīgu strāvas noteikšanas ķēdēm parasti ir vajadzīgas dažas mikrosekundas, lai pieķertu kļūdu; Lai samazinātu šo noteikšanas laiku, ir jāveic pasākumi, lai neatpaliktu no kopējās tendences. Vēl viens galvenais faktors šajā ceļā ir procesora/FPGA izejas izplatīšanās kavēšanās uz IGBT vārtiem (vārtu draiveris).
Atkal magnētiskajiem izolatoriem ir skaidra priekšrocība salīdzinājumā ar optiskajām ierīcēm, jo iepriekšējās izplatīšanās kavēšanās vērtības ir ļoti mazas, parasti ap 50Niem un vairs nav ietekmējošas koeficients. Turpretī optokoutu izplatīšanās kavēšanās ir 500NS un veido ievērojamu daļu no kopējā laika budžeta.
7. attēls. Kļūdas izslēgšanas laiks
Vārtu vadītāja izslēgšanas laiks motora vadības lietojumprogrammai ir parādīts 8. attēlā, kur procesora izslēgšanas komanda seko IGBT vārtu emitētāja signālam. Kopējā kavēšanās no izslēgšanas signāla sākuma, līdz tuvojas IGBT vārtu draivera signāls 0, ir tikai 72 ns.
8. attēls. Pārmērīgas strāvas izslēgšanas vārtu draivera laiks
Kopsavilkums
Ar lielāku uzmanību pievēršot sistēmas veiktspējai, efektivitātei un drošībai, motora vadības arhitekti saskaras ar arvien sarežģītākām izaicinājumiem robustu sistēmu izstrādē. Kaut arī uz optokouts balstītiem vārtu vadītājiem ir tradicionālā izvēle, transformatoru balstīti risinājumi ir ne tikai izdevīgāki enerģijas patēriņa, ātruma un laika stabilitātes ziņā, bet arī, kā aprakstīts šajā dokumentā, attiecībā uz sistēmas veiktspēju un drošību īsāka signāla kavēšanās dēļ. Tas ļauj dizaineriem pārliecinoši samazināt mirušo laiku un uzlabot sistēmas veiktspēju, vienlaikus neļaujot augšējā un apakšējā tilta ieslēgšanai vienlaikus ieslēgties.
Turklāt tas atbalsta ātrāku reakciju uz sistēmas komandām un kļūdām, kas atkal uzlabo sistēmas uzticamību un uzlabo drošību. Ņemot vērā šīs priekšrocības, uz transformatoru balstīti izolētie vārtu vadītāji ir kļuvuši par galveno motoru vadības sistēmas projektēšanas iespēju; Sistēmas dizaineriem ir ļoti ieteicams padarīt ierīces latentumu par svarīgu prasību, izstrādājot savu nākamo projektu.