Utilizzare affidabili ADC di isolamento per controllare efficacemente i motori a induzione trifase

I motori a induzione trifase in c.a. producono potenza meccanica per quasi l'80% delle applicazioni industriali, con un'efficienza e caratteristiche di resistenza ambientale estremamente elevate. Il controllo efficace di questi motori è necessario per affrontare i problemi di carico più pesanti come le pompe dell'acqua, le caldaie, le rettificatrici e i compressori che richiedono coppie di avviamento più elevate, una buona regolazione della velocità e una ragionevole capacità di protezione da sovracorrente.

Questo controllo è una sfida per i progettisti, poiché l'elettronica di un motore trifase richiede una retroazione del segnale analogico isolato attraverso shunt di corrente dai segnali ad alta tensione in modo comune. Inoltre, le elevate tensioni di isolamento dinamico devono essere sostenute entro un ampio intervallo di temperatura ambiente.

La soluzione per il controllo di precisione dei motori a induzione trifase in c.a. per molte applicazioni è data dai circuiti di rilevamento della corrente e dalle funzioni di un convertitore analogico/digitale (ADC) isolato, ad esempio un modulatore isolato. Questa funzione ADC crea un meccanismo che acquisisce il segnale ad alta tensione dell'inverter ad alta tensione di commutazione attraverso un resistore di shunt di corrente per applicazioni di controllo di motori in c.a.

In questo articolo vengono discussi i problemi associati al controllo preciso di un motore in c.a. e il motivo per cui la retroazione analogica isolata è una buona opzione per questo tipo di applicazione. Presenta poi un modulatore sigma-delta isolato di Analog Devices, così come un filtro digitale sin px/px, o sinc, per il segnale di uscita del modulatore per creare una termine ADC a 16 bit sfruttando la barriera di isolamento.

Introduzione al motore a induzione trifase in c.a.

Le caratteristiche principali di un servomotore ad alte prestazioni sono la rotazione regolare fino allo stallo, il totale controllo del momento torcente allo stallo e le decelerazioni e accelerazioni rapide. I sistemi di comando motore ad alte prestazioni utilizzano di solito motori trifase in c.a. (Figura 1). Queste macchine sostituiscono il motore in c.c. per via della loro bassa inerzia, dell'elevato rapporto potenza-peso, della robusta costruzione e delle buone prestazioni rotazionali ad alta velocità.

Figura 1: Motore a induzione trifase in c.a. industriale con albero rotante di uscita a sinistra e morsettiera elettrica in alto. (Immagine per gentile concessione di Leroy-Somer)

I principi del controllo vettoriale, anche detto controllo a orientamento di campo, gestiscono questi motori in c.a. La maggior parte dei moderni azionamenti ad alte prestazioni è dotata di un controllo digitale della corrente ad anello chiuso. In questo sistema, la larghezza di banda di anello chiuso ottenibile dipende dalla velocità di esecuzione degli algoritmi di controllo vettoriale ad alta intensità di calcolo e dall'implementazione in tempo reale delle rotazioni vettoriali associate. Questo carico computazionale richiede processori di segnali digitali (DSP) per implementare un filtro digitale sinc e gli schemi embedded di controllo del motore e del vettore. La potenza di calcolo del DSP consente tempi di ciclo rapidi e larghezze di banda di controllo della corrente ad anello chiuso.

Lo schema completo di controllo della corrente per queste macchine richiede anche uno schema di generazione ad alta tensione a modulazione della larghezza di impulso (PWM) e un ADC ad alta risoluzione per la misurazione delle correnti del motore. Il controllo regolare del momento torcente a velocità zero, il mantenimento della retroazione della posizione del rotore è essenziale per i moderni controller vettoriali. Descriviamo qui i principi fondamentali per l'implementazione di un ADC ad alte prestazioni per motori trifase in c.a., combinando un modulatore analogico/digitale isolato a 16 bit e un controller DSP integrato con un potente core DSP e una generazione di filtri sinc digitali flessibili.

Strategia di isolamento

I motori trifase in c.a. ad alte prestazioni necessitano di una rotazione regolare fino allo stallo, di un totale controllo del momento torcente allo stallo e di accelerazioni e decelerazioni rapide. La misurazione della velocità del motore con i trasduttori, e il momento torcente con le correnti di fase, controllano direttamente i gate driver isolati (Figura 2).

Figura 2: Questo sistema di comando motore trifase (U, V e W) è dotato di transistor inverter FET per azionare il motore e di resistori per la misurazione della corrente, R_S, per rilevare le grandezze della corrente. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I resistori di rilevamento, R_S, in Figura 2 acquisiscono la corrente di avvolgimento del motore. Una conversione a 16 bit utilizza questi segnali per misurare dinamicamente il momento torcente del motore. Il sensore a effetto Hall acquisice la posizione del motore. Questo sistema acquisice sia il momento torcente che la posizione nel tempo.

Bisogna capire i problemi del riferimento di tensione quando si alimenta un sistema di controllo motore trifase. L'isolamento è un grosso problema con lo stadio dell'inverter sulla scheda di alimentazione e il processore sulla scheda di controllo. I riferimenti di massa di queste due schede differiscono tra loro, richiedendo prodotti di isolamento per proteggere i dispositivi e gli utenti da potenziali danni e pericoli.

La tensione del gate driver di modo comune di un motore trifase in c.a. può raggiungere i 600 V o più, con la modulazione della larghezza di impulso (PWM) che commuta oltre 20 kHz e tempi di salita di 25 V/ns per gli inverter IGBT. Queste caratteristiche di tensione e tempo di salita richiedono dispositivi di isolamento per proteggere i circuiti sensibili in ambienti ostili. Il rilevamento delle correnti al motore è essenziale con la minima interferenza del sistema. Il sensore scelto per il motore trifase è una resistore di rilevamento estremamente piccolo (R_S). Il sistema isolato migliora anche l'immunità al rumore nel sistema di controllo del motore.

I sistemi isolati si rivolgono a due grandi aree della progettazione: tensioni di modo comune a ponte estremamente elevate e l'acquisizione delle correnti del motore (I_U, I_V e I_W). Nella Figura 3, il modulatore di ingresso sigma-delta isolato a ±250 mV ADuM7701 di Analog Devices fornisce il segnale digitale dal lato secondario al lato primario.

Figura 3: Questo circuito di motore trifase in c.a. utilizza il modulatore sigma-delta isolato magneticamente ADuM7701 per acquisire le grandezze di corrente del motore e il DSP ADSP-CM408F per implementare i filtri sinc e valutare le condizioni del motore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La sua temperatura di funzionamento è compresa tra -40 e +125 °C, con un'elevata immunità ai transitori di modo comune di 10 kV/ms attraverso la barriera di isolamento. La potenza del lato isolato di ADuM7701 va da 4,5 a 5,5 V, mentre il chip DSP ADSP-CM408F funziona a 3,3 V. Questo sistema supera la difficoltà di isolare il segnale comune ad alta tensione dell'inverter analogico ad alta tensione che emerge attraverso i resistori di shunt di corrente (R_S).

La determinazione dei valori I_V e I_W del resistore di shunt (R_S) in Figura 3 dipende dai requisiti specifici di tensione, corrente e potenza dell'applicazione. I piccoli resistori riducono al minimo la dissipazione di potenza ma potrebbero non utilizzare l'intero intervallo di ingresso ADuM7701. I resistori di valore più elevato raggiungono un rapporto segnale/rumore (SNR) delle massime prestazioni utilizzando l'intero intervallo di prestazioni dell'ingresso ADC. I valori finali scelti sono un compromesso tra precisione e bassa dissipazione di potenza.

La massima tensione di ingresso specificata del modulatore ADuM7701 è di ±250 mV. Per soddisfare questi vincoli R_S deve essere inferiore a V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK}. Per l'esempio in Figura 3, se la corrente nominale di picco dello stadio di potenza è di 8,5 A, la resistenza di shunt massima è di 29,4 mΩ.

Funzionamento del modulatore sigma-delta

Il front-end di ADuM7701 è un modulatore di secondo ordine con un intervallo di modo comune in ingresso da -0,2 a +0,8 V. Il circuito del modulatore sigma-delta di secondo ordine contiene due stadi analogici sigma (integratore) con due stadi analogici delta (sottrattore). L'uscita di questa combinazione viene confrontata con una tensione di riferimento, ad esempio la terra, per cronometrare un'uscita digitale a un bit (Figura 4).

Figura 4: Il front-end di ADuM7701 comprende un modulatore sigma-delta di secondo ordine che combina due stadi analogici sigma (integratore) con due stadi analogici delta (sottrattore). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il flusso i 1 bit cronometrato viene presentato a un filtro digitale/decimatore, oltre ad essere ricondotto a un convertitore digitale-analogico e quindi agli stadi analogici del sottrattore. Per le migliori prestazioni complessive dell'ADC, il segnale si combina con ADSP-CM408F per creare un filtro sinc che converte il segnale del modulatore in un termine a 16 bit. L'immediatezza del codice a 1 bit del modulatore fornisce condizioni di overrange istantanee. Il sistema completo converte le correnti della fase motore resistive rilevate per fornire le informazioni appropriate sul momento torcente del motore.

Filtro digitale

L'uscita del modulatore ADuM7701 si collega agli ingressi primario, secondario e di clock del filtro digitale ADSP-CM408F. Il percorso del segnale primario procede verso il modulo del filtro sinc/decimazione. Il percorso del segnale secondario è dotato di comparatori di overrange per rilevare rapidamente una condizione di guasto del sistema.

La frequenza del modulatore - clock da 5 a 21 MHz (f_M) - e la velocità di decimazione (D) definiscono le prestazioni del filtro sinc. L'ordine del filtro sinc (O) è di un ordine superiore a quello del modulatore. Pertanto, con ADuM7701 il filtro sinc è del terzo ordine. L'equazione 1 mostra la risposta in frequenza del filtro.

 Equazione 1

La concordanza della frequenza di decimazione e della frequenza di commutazione PWM del motore riduce significativamente le armoniche di commutazione PWM. La risposta in frequenza nella Figura 5 ha vari zeri a frequenze che sono anche multipli della frequenza di decimazione (f_M/D).

Figura 5: Risposta in ampiezza del filtro digitale sinc del 3^o ordine. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

I motori trifase in c.a. ad alte prestazioni richiedono una rotazione regolare fino allo stallo, il totale controllo del momento torcente allo stallo e decelerazioni e accelerazioni rapide. L'esecuzione di questo compito di controllo del motore richiede misurazioni in tempo reale del momento torcente, della posizione e delle condizioni di guasto del motore. La sfida per il progettista è di comprendere i requisiti di precisione del motore in c.a., selezionare una strategia di isolamento, scegliere un percorso sigma-delta appropriato e implementare un filtro sinc digitale.

Utilizzando un modulatore isolato e un processore di controllo a segnali misti come ADuM7701 e ADSP-CM408 di Analog Devices, i progettisti possono creare un sistema di controllo motore robusto e ad alta precisione per pompe dell'acqua, caldaie, rettificatrici e compressori.