Isolatie van gebruikers en gevoelige elektronische componenten is een belangrijke overweging voor motorbesturingssystemen. Veiligheidsisolatie wordt gebruikt om gebruikers te beschermen tegen schadelijke spanningen, terwijl functionele isolatie specifiek is ontworpen om apparatuur en apparaten te beschermen. Motorbesturingssystemen kunnen een breed scala aan isolatie -apparaten bevatten, zoals geïsoleerde poortdrivers in aandrijfcircuits; geïsoleerde ADC's, versterkers en sensoren in detectiecircuits; en geïsoleerde SPI, RS -485 en standaard digitale isolatoren in communicatiecircuits. Zorgvuldige selectie van deze apparaten is vereist, zowel om veiligheidsredenen als om de prestaties te optimaliseren.
Hoewel isolatie een belangrijke overweging van het systeem is, heeft het nadelen: het kan het stroomverbruik verhogen, gegevens over isolatiebarrières verzenden, creëert vertragingen en het kan de systeemkosten verhogen. Systeemontwerpers wenden zich traditioneel tot optische isolatieoplossingen, die vele jaren de beste keuze waren voor systeemisolatie.
In het laatste decennium hebben digitale isolatoren op basis van magnetische (transformatoroverdracht) methoden een levensvatbaar en in veel gevallen superieur alternatief opgeleverd; Vanuit een systeemperspectief bieden ze ook voordelen die systeemontwerpers mogelijk niet hebben herkend. Twee isolatieoplossingen worden vervolgens beschreven, gericht op de verbeteringen in vertragingstimingprestaties die magnetische isolatie biedt, en de resulterende voordelen voor motorbeheersingstoepassingen op systeemniveau.
Isolatiemethoden
Optocouplers gebruiken licht als de primaire transmissiemethode, zoals weergegeven in figuur 1. De zendzijde bestaat uit een LED met een signaal op hoog niveau die de LED inschakelt en een laag niveau -signaal dat de LED uitschakelt. De ontvangende zijde gebruikt een fotodetector om het ontvangen lichtsignaal terug in een elektrisch signaal om te zetten in een elektrisch signaal. Isolatie wordt geleverd door een kunststof materiaal tussen de LED en de fotodetector, maar kan ook worden verbeterd met behulp van een extra isolatielaag (meestal gebaseerd op polymeer).
Figuur 1. Optocoupler -structuur
Een van de grootste nadelen van optocouplers is dat LED -veroudering, die de transmissiekarakteristieken kan afdrijven; Ontwerpers moeten rekening houden met dit extra probleem. Gedekte veroudering veroorzaakt de timingprestaties om na verloop van tijd en temperatuur af te dringen. Als gevolg hiervan worden signalering en stijging/valtijden beïnvloed, waardoor het ontwerp compliceert, vooral gezien de problemen die later in dit artikel zullen worden aangepakt.
De prestatieschaling van optocouplers is ook beperkt. Om de gegevenssnelheden te verhogen, moet het parasitaire capaciteitsprobleem dat inherent is aan optocouplers worden overwonnen, wat leidt tot een hoger stroomverbruik. Parasitaire capaciteit biedt ook een koppelingsmechanisme dat ervoor zorgt dat OptoCoupler-gebaseerde isolatie-apparaten inferieure CMTI (Common-Mode transient immuniteit) prestaties hebben voor concurrerende oplossingen.
Magnetische isolatoren (gebaseerd op transformator) zijn al meer dan een decennium in grootschalig gebruik en zijn een geldig alternatief voor optocouplers. These isolators are based on standard CMOS technology and utilize the magnetic transmission principle, with the isolation layer consisting of polyimide or silicon dioxide, as shown in Figure 2. A low-level current is transmitted in pulses through a coil, generating a magnetic field, which passes through the isolation barrier and induces a current in a second coil on the other side of the barrier. Vanwege het gebruik van een standaard CMOS -structuur biedt het aanzienlijke voordelen in termen van stroomverbruik en snelheid, en heeft het geen last van de levenslange afwijkingsproblemen die verband houden met optocouplers. Bovendien zijn de CMTI-prestaties van de op transformator gebaseerde isolator superieur aan die van de op Optocoupler gebaseerde isolator.
Figuur 2. Magnetische transformatorstructuur
Op transformator gebaseerde isolatoren staan ook het gebruik van conventionele signaalverwerkingsmodules mogelijk (om overdracht van valse ingangen te voorkomen) en geavanceerde transmissiecodecmechanismen. Dit zorgt voor bidirectionele gegevensoverdracht, het gebruik van verschillende coderingsschema's om het stroomverbruik versus transmissiesnelheid te optimaliseren, evenals snellere en meer consistente overdracht van kritieke signalen naar het andere uiteinde van de barrière.
Vergelijking van vertragingskenmerken
Een belangrijk maar vaak over het hoofd gezien kenmerk van alle isolatoren is hun transmissievertraging. Dit kenmerk meet de tijd die nodig is voor een signaal, dat een aandrijfsignaal of een foutdetectiesignaal kan zijn, om de barrière in beide richtingen over te steken. De vertraging van de transmissie varieert sterk, afhankelijk van de technologie. Typische vertragingswaarden worden meestal verstrekt, maar systeemontwerpers zijn vooral geïnteresseerd in de maximale vertraging, wat een belangrijk kenmerk is om te overwegen bij het ontwerpen van een motorbesturingssysteem. Voorbeelden van transmissievertraging en vertragingsafwijkingswaarden voor optocouplers en magnetisch geïsoleerde poortdriers worden gegeven in tabel 1.
Tabel 1: Typische vertragingskenmerken van optocouplers en magnetische isolatoren
Zoals getoond in tabel 1, heeft magnetische isolatie aanzienlijke voordelen in termen van maximale vertraging en vertragingsherhaalbaarheid (afwijking). Als gevolg hiervan zullen motorbesturingsontwerpers meer vertrouwen hebben in hun ontwerpen en hoeven ze geen timingmarges toe te voegen om te voldoen aan de kenmerken van de poortdriver. Dit heeft zeer belangrijke implicaties voor de prestaties en veiligheid van motorcontrolesystemen.
Systeemimplicaties voor motorcontrolesystemen
Figuur 3 toont een typische driefasige omvormer die wordt gebruikt in een AC-motorbesturingstoepassing. Deze omvormer wordt gevoed vanuit een DC-bus, waarbij de DC-voeding meestal rechtstreeks van de AC-voeding wordt gegenereerd via een diode bruggelijkrichter en capacitief/inductief-capacitief filter. In de meeste industriële toepassingen ligt de DC -busspanning in het bereik van 300
V tot 1000 V bereik. Een pulsbreedtemodulatie (PWM) -schema wordt gebruikt om de stroomtransistoren te schakelen met een typische frequentie van 5 kHz tot 10
KHz typische frequentie om stroomtransistors T1 naar T6 te schakelen om een variabele spanning, variabele frequentie, driefasige sinusoïdale AC-spanning bij de motorterminals te genereren.
Fig. 3. Driefasige omvormer voor motorbesturingstoepassingen
PWM -signalen (bijv. PWMAH en PWMAL) worden gegenereerd in de motorcontroller (meestal geïmplementeerd met een processor en/of FPGA). Deze signalen zijn meestal lage spanningssignalen die gemeenschappelijk zijn bij de processor. Om de stroomtransistoren goed in en uit te zetten, moeten het spanningsniveau en de huidige aandrijfmogelijkheden van de logische niveau signalen worden versterkt, en bovendien verschoven niveaus zodat de grondreferentie op de emitterende pool van de betreffende vermogenstransistor is. Afhankelijk van de locatie van de processor in het systeem, kunnen deze signalen ook veiligheidsisolatie vereisen.
Gate -stuurprogramma's (zoals GDRval en GDRVAH in figuur 3) voeren deze functie uit. Elke Gate Driver IC vereist een voedingsspanning in de primaire zijde waarnaar wordt verwezen naar de processorgrond en een voorraad aan de secundaire kant waarnaar wordt verwezen naar de transistor-emitter. Het spanningsniveau van de secundaire voeding moet de stroomtransistoren kunnen inschakelen (meestal 15
V) en hebben voldoende huidige aandrijfmogelijkheden om de transistorpoorten op te laden en te ontladen.
Omvormer dode tijd
De stroomtransistoren hebben een eindige schakeltijd, dus een dode tijd moet worden ingevoegd in de pulsbreedte modulatie golfvorm tussen de bovenste en onderste brug -transistoren, zoals weergegeven in figuur 4. Dit is om te voorkomen dat beide transistoren per ongeluk tegelijkertijd worden ingeschakeld, waardoor een kortsluiting in de hoogspannings -DC -bus wordt veroorzaakt, die op zijn beurt een risico op systeemfout en/of schade creëert. De lengte van de dode tijd wordt bepaald door twee factoren: de transistoromschakelingstijd en de Gate Driver Transmission Delay Mismatch (inclusief elke afwijking van de mismatch). Met andere woorden, de dode tijd moet rekening houden met elk verschil in transmissietijd van het PWM -signaal van de processor naar de transistorpoorten tussen de bovenste en onderste brugpoortstuurprogramma's.
Figuur 4. Dode tijd interpolatie
Dode tijd beïnvloedt de gemiddelde spanning die op de motor wordt toegepast, vooral bij lage snelheden. Dode tijd introduceert zelfs de volgende foutspanningen van ongeveer constante grootte:
Waar Verror de foutspanning is, is TDead de dode tijd, ton en toff zijn de transistor-inzet- en afwijzingsvertragingstijden, TS is de PWM-schakelperiode, VDC is de DC-busspanning, VSAT is de on-state spanningsval van de vermogenstransistor, en VD is de diode conductie-voling.
Wanneer een fasestroom van richting verandert, verandert de foutspanning de polariteit, zodat wanneer de lijnstroom nul kruist, de motorinterline -spanning een stapverandering ondergaat. Dit veroorzaakt harmonischen in de sinusvormige fundamentele spanning, die op zijn beurt harmonische stromen in de motor genereert. Dit is een bijzonder belangrijke kwestie voor de grotere motoren met lage impedantie die worden gebruikt in open-loop-schijven, waar harmonische stromen aanzienlijk kunnen zijn, wat leidt tot lage snelheid trillingen, koppelripple en harmonische verwarming.
Dode tijd heeft het meest ernstige effect op de vervorming van de motoruitgangsspanningsspanning onder de volgende voorwaarden:
Hoge DC -busspanning
Lange dode tijd
Hoge schakelfrequentie
Lage snelheidsbewerking, vooral in open-loop-schijven waar geen compensatie wordt toegevoegd aan het besturingsalgoritme
Lage snelheidsbewerking is belangrijk omdat het in deze modus is dat de toegepaste motorspanning in elk geval zeer laag is, en de foutspanning als gevolg van dode tijd kan een significante fractie van de toegepaste motorspanning zijn. Bovendien is het effect van vervormingsjitter als gevolg van de foutspanning nog schadelijker omdat het filteren van de systeembevestiging alleen beschikbaar is bij hogere snelheden.
Van al deze parameters is de dode tijdlengte de enige die wordt getroffen door de geïsoleerde gate -chauffeurstechnologie. Een deel van de dode tijdlengte wordt bepaald door de schakelvertragingstijd van de vermogenstransistor, maar de rest is gerelateerd aan de mismatch van de propagatievertraging. In dit opzicht zijn optische isolatoren duidelijk inferieur aan magnetische isolatietechnologie.
Toepassingsvoorbeelden
Om het effect van dode tijd op motor-elektrische vervorming te illustreren, worden de resultaten hieronder gegeven voor een open-loop motortorte op basis van een driefasige omvormer.
De inverterpoort -chauffeur gebruikt een magnetische isolator van Adi Corporation
(ADUM4223ADUM4223) om IRS IRG7Ph4PH46UDPBF1200VIGBT met een DC-busspanning van 700 V rechtstreeks te stimuleren. De lijnspanning en fasestromen worden afzonderlijk gemeten met behulp van een resistieve spanningsdeler en shuntweerstand in combinatie met een geïsoleerde ∑-∆-modulator (ook van ADI's AD7403). De uitvoer van de unit -gegevensstromen van elke modulator worden naar een besturingsprocessor verzonden
(ADI's ADSP-CM408) waarbij de gegevens worden gefilterd en geëxtraheerd om nauwkeurige representaties van de spanning- en stroomsignalen te produceren.
De gemeten lijnspanningsuitgang van het SINC -digitale filter wordt weergegeven in figuur 5. De werkelijke lijnspanning is een hoge schakelfrequentiegolfvorm bij 10 kHz, maar wordt uitgefilterd door het digitale filter om het lage frequentiegedeelte van onze interesse weer te geven. De bijbehorende motorfase -stromen worden getoond in figuur 6
Getoond.
Fig. 5. Gemeten interline motorspanning: (links) 500 ns dode tijd; (rechts) 1 µs dode tijd
Figuur 6. Gemeten motorstromen: (links) 500 ns dode tijd; (rechts) 1 µs dode tijd
De ADUM4223 Gate Driver heeft een transmissievertragingsmismatch van 12N's, zodat de absolute minimale dode tijd die nodig is voor IGBT -schakelen kan worden gebruikt. Voor irigbts kan de minimale dode tijd worden ingesteld op 500 ns. Zoals te zien is in de figuur links, is de spanningsvervorming in dit geval minimaal. Evenzo zijn de fasestromen goed sinusvormig, dus de koppelripple is minimaal. De rechtergrafiek toont de lijnspanning en fasestroom wanneer de dode tijd wordt verhoogd tot 1 µs. Deze waarde is representatiever voor de behoeften van een optisch gekoppelde poortdriver met een grotere propagatievertragingsmismatch en drift. Er is een significante toename van zowel spanning als stroomvervorming. De inductiemotoren die in dit geval worden gebruikt, zijn relatief kleine, hoge impedantiemotoren.
Bij toepassingen voor eindgebruik met hogere vermogen is de inductiemotorimpedantie typisch veel lager, wat resulteert in verhoogde motorstroomvervorming en koppelripple. Koppelripple kan nadelige effecten hebben in veel toepassingen, zoals verminderde lift -ritcomfort of lager/koppelingsslijtage in mechanische systemen.
Overstroomafsluiting
Een ander belangrijk probleem voor moderne poortdrivers is hoe snel de afsluitopdracht van de processor kan worden gerealiseerd op de IGBT. Dit is belangrijk voor overstroomafsluiting in situaties waarin de overstroomdetectie geen deel uitmaakt van de poortdriver zelf, maar wordt geïmplementeerd als onderdeel van het detectie- en filtercircuit. Een andere druk in dit gebied is het verkorten van de kortsluiting die bestand is tegen de tijd van efficiëntere IGBT's. In dit opzicht is de trend in IGBT-technologie om de kortsluiting te verminderen die is om de tijd te weerstaan van de industriestandaard van 10 µs tot 5 µs of zelfs minder. Zoals getoond in figuur 7, vereisen overstroomdetectiecircuits doorgaans enkele microseconden om aan een fout aan te sluiten; Er moeten stappen worden ondernomen om deze detectietijd te verkorten om de algehele trend bij te houden. Een andere belangrijke factor in dit pad is de voortplantingsvertraging van de processor/FPGA -uitgang naar de IGBT -poort (Gate Driver).
Nogmaals, magnetische isolatoren hebben een duidelijk voordeel ten opzichte van optische apparaten vanwege het feit dat de propagatievertragingswaarden van de eerste erg klein zijn, meestal ongeveer 50 ns, en niet langer een beïnvloedende factor zijn. De voortplantingsvertraging van een optocoupler is daarentegen in de orde van 500N's en is goed voor een aanzienlijk deel van het totale timingbudget.
Figuur 7. Timing van de foutafsluiting
De afsluitingstiming van de poortdriver voor een motorbesturingstoepassing wordt weergegeven in Afbeelding 8, waar de opdracht Processor Sluiting volgt op het IGBT -poort -emittersignaal. De totale vertraging vanaf het begin van het afsluitingssignaal totdat het Signaal van het IGBT -poortstuurprogramma's nadert 0 is slechts 72 ns.
Afbeelding 8. Overstroomafschakelingspoortstuurprogramma's Timing
Samenvatting
Met een verhoogde focus op systeemprestaties, efficiëntie en veiligheid staan motorbesturingsarchitecten voor steeds complexere uitdagingen bij het ontwerpen van robuuste systemen. Hoewel optocoupler-gebaseerde poortdrivers de traditionele keuze zijn, zijn op transformator gebaseerde oplossingen niet alleen voordeliger in termen van stroomverbruik, snelheid en tijdstabiliteit, maar ook, zoals besproken in dit artikel, in termen van systeemprestaties en veiligheid vanwege kortere signaalvertragingen. Hierdoor kunnen ontwerpers vol vertrouwen de dode tijd verminderen en de systeemprestaties verbeteren, terwijl de bovenste en onderste brugschakelaars tegelijkertijd worden ingeschakeld.
Bovendien ondersteunt het snellere reactie op systeemopdrachten en fouten, wat opnieuw de betrouwbaarheid van het systeem verbetert en de veiligheid verbetert. Gezien deze voordelen zijn op transformator gebaseerde geïsoleerde poortdrivers een belangrijke optie geworden voor het ontwerp van het motorbesturingssysteem; Systeemontwerpers worden ten zeerste geadviseerd om apparaatlatentie een belangrijke vereiste te maken bij het ontwerpen van hun volgende project.