השתמשו בממירי ADC לבידוד אמין עבור בקרה יעילה במנועי אינדוקציה תלת-פאזיים

מנועי אינדוקציה AC‏ תלת-פאזיים מייצרים את הכוח המכני עבור כמעט 80% מהיישומים התעשייתיים הודות להענקת נצילות גבוהה ביותר ולמאפיינים החסונים לסביבה. בקרה אפקטיבית של מנועים אלו נחוצה כדי להתמודד עם בעיות עומסים כבדים יותר כגון משאבות מים, משאבות דוודים, מכונות כרסום ומדחסים הדורשים מומנטי התנעה גבוהים יותר, ייצוב מהירות טוב ויכולת מעבר-לתחום סבירה.

בקרה זו היא מאתגרת עבור המתכננים מכיוון שאלקטרוניקת מנועים תלת-פאזיים דורשת משוב של אותות אנלוגיים מבודדים על פני מצדי זרם מתוך אותות אופן-משותף במתח גבוה. בנוסף, את מתח הבידוד הדינמי הגבוה יש לשמור בתוך תחום טמפרטורות סביבה רחב.

הפיתרון לבקרת מנועי אינדוקציה AC תלת-פאזיים מדויקת עבור יישומים רבים טמון במעגלי חישת זרם ובפונקציות הממיר האנלוגי-לדיגיטלי (ADC) המבודד, כגון מודולטור מבודד. פונקציית ADC זו יוצרת מנגנון מדידה עבור אותות המתח הגבוה של ממיר ההספק הממותג על פני נגד מצד זרם ליישומי בקרת מנועי AC‏.

מאמר זה דן בנושאים הקשורים להשגת בקרת מנועי AC מדויקת ומדוע משוב אנלוגי מבודד הוא אפשרות טובה עבור סוג זה של יישום. לאחר מכן המאמר יציג מודולטור סיגמא-דלתא מבודד מבית Analog Devices, כמו גם מסנן דיגיטלי sin px/px‏, או Sinc‏, עבור אות יציאת מודולטור ליצירת מילת ADC של Bit‏-16‏ תוך ניצול מחסום הבידוד שלו.

מבוא למנועי אינדוקציה AC‏ תלת-פאזיים

המאפיינים העיקריים של מנועי סרוו עם ביצועים עיליים הם סיבוב חלק עד עצירה, בקרה מלאה של המומנט בעצירה, והאטה והאצה מהירות. מערכות דחיפת מנועים עם ביצועים עיליים משתמשות בדרך כלל במנועי AC‏ תלת-פאזיים (איור 1‏). מכונות אלו מחליפות את מנוע ה- DC כמכונה הנבחרת הודות לאינרציה הנמוכה, יחסי ההספק-למשקל הגבוהים, המבנה החסון וביצועי הסיבוב במהירות גבוהה שלהם.

איור 1: מנוע אינדוקציה AC‏ תלת-פאזי תעשייתי עם ציר היציאה המסתובב בצד שמאל ותיבת ההדקים החשמליים למעלה. (מקור התמונה: Leroy-Somer‏)

עקרונות הבקרה הווקטורית, הנקראים גם בקרה מוכוונת-שדה, מנהלים מנועי AC אלו. מרבית הדוחפים המודרניים עם ביצועים עיליים מימשו בקרת זרם בחוג-סגור. במערכת זו, רוחב-הפס בחוג-סגור הניתן-להשגה תלוי בקצב הביצוע של אלגוריתמי הבקרה הווקטוריים האינטנסיביים מבחינה חישובית ומימושי זמן-אמת של סיבובי הווקטור הקשורים. נטל חישובי זה מחייב את מעבדי האותות הדיגיטליים (DSP) לממש מסנן דיגיטלי Sinc‏ ואת תוכניות בקרת המנוע והווקטור המשובצים. כוח החישוב של ה- DSP מאפשר זמני מחזור מהירים ורוחבי-פס בקרת זרם בחוג-סגור.

תוכנית בקרת הזרם השלמה למכונות אלה דורשת גם תכנית יצירת אפנון רוחב-פולס (PWM) במתח גבוה וממיר ADC ברזולוציה גבוהה עבור מדידת זרמי המנוע. שמירת משוב מיקום הרוטור היא חיונית עבור בקרי וקטור מודרניים לבקרה חלקה של המומנט עד למהירות אפס. כאן אנו מתארים את העקרונות הבסיסיים מאחורי מימוש ADC עם ביצועים עיליים עבור מנועי AC‏ תלת-פאזיים - שילוב של מודולטור אנלוגי-לדיגיטלי מבודד Bit‏-16‏ ובקר DSP משולב עם ליבת DSP רבת-עוצמה ויצירת מסנן Sinc‏ דיגיטלי גמיש.

אסטרטגיית הבידוד

מנועי AC‏ תלת-פאזיים עם ביצועים עיליים זקוקים לסיבוב חלק עד עצירה, בקרה מלאה של המומנט בעצירה, והאטה והאצה מהירות. מדידת מהירות המנוע באמצעות מתמרים, ביחד עם מדידת המומנט באמצעות זרמי הפאזות, מבקרים ישירות את דוחפי השער המבודדים (איור 2).

איור 2‏: למערכת דחיפת מנוע תלת-פאזית זו (U‏, V‏ ו- W‏) יש טרנזיסטורי מהפך FET לדחיפת המנוע, ונגדי מדידת זרם _S‏R לחישת גודלי הזרם. (מקור התמונה: Analog Devices)

נגדי החישה _S‏R באיור 2‏ מאפשרים את מדידת הזרם בליפופי המנוע. המרה של Bit‏-16‏ משתמשת באותות אלו למדידה דינמית של מומנט המנוע.  חיישן אפקט Hall מודד את מיקום המנוע. מערכת זו מספקת את המומנט ואת המיקום לאורך זמן.

יש להבין את נושאי ייחוס המתח המשמעותיים כאשר מזינים מערכת בקרת מנוע תלת-פאזי. הבידוד הוא אתגר קריטי בדרגת המהפך בלוח הספקת-הכוח ובמעבד שבלוח הבקר. ייחוסי ההארקה עבור שני לוחות אלו הם שונים, ודורשים מוצרי בידוד להגנת ההתקנים והמשתמשים מפני פגיעות ונזקים אפשריים.

המתח של דוחף שער אופן-משותף (CM) של מנוע AC תלת-פאזי יכול להיות גבוה עד כדי 600 וולט או יותר, עם מיתוג אפנון רוחב-פולס (PWM) בתדר הגבוה מ- 20 קילו-הרץ (kHz‏) וזמני עלייה של 25 וולט לננו-שנייה (ns‏) עבור מהפכי IGBT‏. מאפייני מתח וזמן עלייה אלו דורשים התקני בידוד כדי להגן על מעגלים רגישים בסביבה עוינת זו. חישת הזרמים למנוע היא חיונית וצריכה להיות עם הפרעות מערכת מינימליות. החיישן הנבחר עבור המנוע התלת-פאזי הוא נגד חישה קטן ביותר (_S‏R‏). המערכת המבודדת גם משפרת את החסינות לרעש במערכת בקרת המנוע.

מערכות מבודדות נותנות מענה לשני היבטים עיקריים של שיקולי התכנון: מתחי אופן-משותף (CM) גשר גבוהים ביותר, ומדידת זרמי המנוע (_U‏I‏, _V‏I‏ ו- _W‏I‏). באיור 3, מודולטור כניסת ±250 מילי-וולט (mV‏) מבודד סיגמא-דלתא ADuM7701‏ מבית Analog Devices מספק את האות הדיגיטלי מהצד השניוני לצד הראשוני.

איור 3‏: מעגל מנוע AC תלת-פאזי זה משתמש במודולטור סיגמא-דלתא מבודד מגנטית ADuM7701 כדי למדוד את גודלי זרם המנוע וב- ADSP-CM408F DSP‏ כדי לממש מסנני Sinc‏ ולהעריך את מצב המנוע. (מקור התמונה: Analog Devices)

טמפרטורות הפעולה שלו הן מ- 40°C-‏ עד 125°C+‏, עם חסינות טרנזיינטי אופן-משותף (CM) גבוהה של 10 קילו-וולט (kV‏) למיקרו-שנייה (ms‏) על פני מחסום הבידוד. מתח הצד המבודד של ה- ADuM7701‏ הוא 4.5 עד 5.5 וולט, בעוד ששבב ה- DSP‏ ADSP-CM408F‏ פועל ב- 3.3 וולט. מערכת זו מתגברת על הקושי לבודד את האות המשותף של המתח הגבוה של מהפך ההספק הממותג האנלוגי המופיע על פני נגדי המצד (Shunt‏) (_S‏R‏).

קביעת ערכי נגדי המצד (Shunt‏) (_S‏R‏) _V‏I‏ ו- _W‏I‏ באיור 3‏ תלויה בדרישות המתח, זרם, והספק הספציפיות של היישום. נגדים קטנים מקטינים למינימום את פיזור ההספק אך עשויים שלא לנצל את תחום הכניסה המלא של ה- ADuM7701‏. נגדים בעלי ערך גבוה יותר משיגים ביצועי יחס אות-לרעש (SNR) מקסימליים הודות לשימוש בתחום הכניסה המלא של ממיר ה- ADC‏. הערכים הסופיים הנבחרים הם פשרה בין הדיוק לבין פיזור הספק נמוך.

מתח הכניסה המקסימלי המוגדר של ה- ADuM7701‏ הוא mV‏ 250‏±. ה- _S‏R‏ חייב להיות פחות מ- _{CC_PEAK‏}I‏/_{MOD_PEAK‏}V‏ כדי לעמוד במגבלות אלו. עבור הדוגמה באיור 3, אם דירוג זרם השיא של דרגת ההספק הוא 8.5 אמפר (A), ההתנגדות המצד (Shunt‏) המקסימלית היא 29.4 מילי-אוהם (mΩ‏).

פעולת מודולטור סיגמא-דלתא

הקצה הקדמי של ה- ADuM7701 הוא מודולטור מסדר-שני עם תחום כניסת אופן-משותף (CM) של 0.2- וולט עד 0.8+ וולט. מעגלי מודולטור סיגמא-דלתא מסדר-שני כוללים שתי דרגות סיגמא (אינטגרטור) אנלוגי עם שתי דרגות דלתא (מחסר (Subtractor)) אנלוגי. היציאה של שילוב זה מושווית למתח ייחוס, כגון הארקה, לשעון עם יציאה דיגיטלית Bit‏-1‏ (איור 4).

איור 4‏: הקצה הקדמי של ה- ADuM7701 מורכב ממודולטור סיגמא-דלתא מסדר-שני הכולל שתי דרגות סיגמא (אינטגרטור) אנלוגי עם שתי דרגות דלתא (מחסר (Subtractor)) אנלוגי. (מקור התמונה: Analog Devices)

הזרם של Bit‏-1‏ מהשעון מוצג למסנן דיגיטלי ו- Decimator‏ וכמו כן מוזן חזרה לממיר הדיגיטלי-לאנלוגי ובהמשך לדרגות המחסר (Subtractor) האנלוגי. כדי להשיג את ביצועי ה- ADC הכוללים הטובים ביותר, האות משולב עם ה- ADSP-CM408F ליצירת מסנן Sinc‏ הממיר את אות המודולטור למילת Bit‏-16‏ פעילה במלואה. המיידיות של קוד ה- Bit‏-1‏ של מודולטור מספקת תנאי מעבר-לתחום מיידית. המערכת השלמה ממירה את זרמי פאזות המנוע דרך נגדי החישה כדי לספק את נתוני מומנט המנוע המתאים.

מסנן דיגיטלי

היציאה של מודולטור ADuM7701‏ מתחברת אל כניסות הראשוני, השניוני והשעון של המסנן הדיגיטלי של ה- ADSP-CM408F‏. נתיב האות הראשוני ממשיך למודול מסנן Sinc‏/Decimator‏. בנתיב האות השניוני יש משווני מעבר-לתחום על מנת לגלות במהירות מצב של תקלת מערכת.

תדר המודולטור - שעון של 5 מגה-הרץ (MHz) עד 21 מגה-הרץ (_M‏f‏) - וקצב ה- Decimation‏ (D) מגדירים את ביצועי מסנן Sinc‏. הסדר של מסנן Sinc‏ (O‏) הוא סדר אחד גבוה יותר מאשר המודולטור. לכן, עם ה- ADuM7701 מסנן Sinc‏ הוא מסדר-שלישי. משוואה 1 מראה את היענות התדר של המסנן.

משוואה 1

התאמת תדר ה- Decimation‏ לתדר מיתוג ה- PWM של המנוע מפחיתה משמעותית את ההרמוניות של מיתוג ה- PWM. בהיענות התדר באיור 5‏ יש אפסים בתדרים שהם כפולות זוגיות של תדר ה- Decimation‏ (D‏/_M‏f‏).

(מקור התמונה: Analog Devices)

סיכום

מנועי AC‏ תלת-פאזיים עם ביצועים עיליים דורשים סיבוב חלק עד עצירה, בקרה מלאה של המומנט בעצירה, והאטה והאצה מהירות. עמידה במטלת בקרת מנוע זו מחייבת מדידות בזמן-אמת של תנאי המומנט, המיקום והתקלה של המנוע. האתגר של המתכננים הוא להבין את דרישות הדיוק של מנוע ה- AC, לבחור אסטרטגיית בידוד, לבחור נתיב סיגמא-דלתא מתאים ולממש מסנן דיגיטלי Sinc‏.

באמצעות מודולטור מבודד ומעבד בקרת אותות-מעורבים כדוגמת ה- ADuM7701 וה- ADSP-CM408 מבית Analog Devices, המתכננים יכולים ליצור מערכת בקרת מנוע חסונה עם דיוק גבוה עבור משאבות מים, משאבות דוודים, מכונות כרסום ומדחסים.