Sự cô lập của người dùng và các thành phần điện tử nhạy cảm là một cân nhắc quan trọng cho các hệ thống điều khiển động cơ. Sự cô lập an toàn được sử dụng để bảo vệ người dùng khỏi các điện áp có hại, trong khi sự cô lập chức năng được thiết kế đặc biệt để bảo vệ thiết bị và thiết bị. Các hệ thống điều khiển động cơ có thể chứa nhiều loại thiết bị cách ly, chẳng hạn như trình điều khiển cổng bị cô lập trong các mạch truyền động; ADC bị cô lập, bộ khuếch đại và cảm biến trong các mạch phát hiện; và SPI bị cô lập, RS -485 và các bộ cách ly kỹ thuật số tiêu chuẩn trong các mạch truyền thông. Lựa chọn cẩn thận của các thiết bị này là bắt buộc, cả vì lý do an toàn và để tối ưu hóa hiệu suất.
Mặc dù sự cô lập là một sự xem xét hệ thống quan trọng, nhưng nó có nhược điểm: nó có thể làm tăng mức tiêu thụ điện năng, truyền dữ liệu qua các rào cản cô lập tạo ra sự chậm trễ và nó có thể làm tăng chi phí hệ thống. Các nhà thiết kế hệ thống theo truyền thống đã chuyển sang các giải pháp cách ly quang học, trong nhiều năm là lựa chọn tốt nhất cho sự cô lập hệ thống.
Trong thập kỷ qua, các bộ cách ly kỹ thuật số dựa trên các phương pháp từ tính (chuyển máy biến áp) đã cung cấp một sự thay thế khả thi và trong nhiều trường hợp thay thế vượt trội; Từ góc độ hệ thống, họ cũng cung cấp những lợi thế mà các nhà thiết kế hệ thống có thể không được công nhận. Hai giải pháp cách ly được mô tả tiếp theo, tập trung vào các cải tiến về hiệu suất thời gian trì hoãn mà sự cô lập từ tính mang lại và lợi ích thu được cho các ứng dụng điều khiển động cơ ở cấp hệ thống.
Phương pháp cách ly
OPTOCOUDERS sử dụng ánh sáng làm phương pháp truyền chính, như trong Hình 1. Phía truyền bao gồm một đèn LED với tín hiệu mức cao bật đèn LED và tín hiệu mức thấp sẽ tắt đèn LED. Bên nhận sử dụng bộ quang điện tử để chuyển đổi tín hiệu ánh sáng nhận được thành tín hiệu điện. Sự cô lập được cung cấp bởi một vật liệu dẻo giữa đèn LED và bộ quang điện tử, nhưng cũng có thể được tăng cường bằng cách sử dụng một lớp cách ly bổ sung (thường là dựa trên polymer).
Hình 1. Cấu trúc OptoCoupler
Một trong những nhược điểm lớn nhất của OptoCoupler là LED Lão hóa, có thể làm trôi các đặc tính truyền tải; Các nhà thiết kế phải xem xét vấn đề bổ sung này. Lão hóa làm cho hiệu suất thời gian trôi theo thời gian và nhiệt độ. Do đó, thời gian báo hiệu và tăng/giảm bị ảnh hưởng, làm phức tạp thiết kế, đặc biệt là do các vấn đề sẽ được giải quyết sau này trong bài viết này.
Việc mở rộng hiệu suất của OptoCouplers cũng bị hạn chế. Để tăng tốc độ dữ liệu, vấn đề điện dung ký sinh vốn có trong bộ lọc optoCals phải được khắc phục, dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng cao hơn. Điện dung ký sinh cũng cung cấp một cơ chế khớp nối khiến các thiết bị cách ly dựa trên optocoupler có hiệu suất CMTI (miễn dịch thoáng qua chế độ chung) kém hơn đối với các giải pháp cạnh tranh.
Các bộ cách ly từ tính (dựa trên máy biến áp) đã được sử dụng quy mô lớn trong hơn một thập kỷ và là một giải pháp thay thế hợp lệ cho OptoCoupler. Các bộ cách ly này dựa trên công nghệ CMOS tiêu chuẩn và sử dụng nguyên tắc truyền từ tính, với lớp phân lập bao gồm polyimide hoặc silicon dioxide, như trong Hình 2. Dòng điện ở mức độ thấp được truyền qua các xung thông qua một bên. Do việc sử dụng cấu trúc CMOS tiêu chuẩn, nó mang lại những lợi thế đáng kể về mức tiêu thụ và tốc độ năng lượng và không gặp phải các vấn đề về độ lệch suốt đời liên quan đến OptoCouplers. Ngoài ra, hiệu suất CMTI của bộ cách ly dựa trên máy biến áp vượt trội hơn so với bộ cách ly dựa trên OptoCoupler.
Hình 2. Cấu trúc máy biến áp từ tính
Các bộ cách ly dựa trên máy biến áp cũng cho phép sử dụng các mô-đun xử lý tín hiệu thông thường (để ngăn chặn việc truyền các đầu vào giả) và các cơ chế codec truyền tải tiên tiến. Điều này cho phép truyền dữ liệu hai chiều, việc sử dụng các sơ đồ mã hóa khác nhau để tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng so với tốc độ truyền, cũng như truyền tín hiệu tới hạn nhanh hơn và nhất quán hơn đến đầu kia của rào cản.
So sánh các đặc điểm chậm trễ
Một đặc điểm quan trọng nhưng thường bị bỏ qua của tất cả các bộ cách ly là độ trễ truyền của họ. Đặc tính này đo thời gian cần thiết cho tín hiệu, có thể là tín hiệu ổ đĩa hoặc tín hiệu phát hiện lỗi, để vượt qua hàng rào theo một trong hai hướng. Độ trễ truyền tải thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào công nghệ. Các giá trị độ trễ điển hình thường được cung cấp, nhưng các nhà thiết kế hệ thống đặc biệt quan tâm đến độ trễ tối đa, đây là một đặc điểm quan trọng cần xem xét khi thiết kế một hệ thống điều khiển động cơ. Ví dụ về độ trễ truyền và các giá trị độ lệch trì hoãn đối với các trình điều khiển optoCouples và trình điều khiển cổng bị cô lập từ tính được đưa ra trong Bảng 1.
Bảng 1: Đặc điểm độ trễ điển hình của OptoCoupler và bộ cách ly từ tính
Như thể hiện trong Bảng 1, sự cô lập từ tính có những ưu điểm đáng kể về độ trễ tối đa và độ lặp lại độ trễ (độ lệch). Do đó, các nhà thiết kế điều khiển động cơ sẽ tự tin hơn vào thiết kế của họ và sẽ không cần thêm tỷ suất lợi nhuận thời gian để đáp ứng các đặc điểm của người lái xe. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với hiệu suất và sự an toàn của các hệ thống điều khiển động cơ.
Ý nghĩa hệ thống cho các hệ thống điều khiển động cơ
Hình 3 cho thấy một biến tần ba pha điển hình được sử dụng trong một ứng dụng điều khiển động cơ AC. Biến tần này được cung cấp từ xe buýt DC, trong đó nguồn cung cấp DC thường được tạo trực tiếp từ nguồn cung cấp AC thông qua bộ chỉnh lưu cầu diode và bộ lọc điện dung/điện dung. Trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp, điện áp xe buýt DC nằm trong phạm vi 300
V đến 1000 v Phạm vi. Sơ đồ điều chế chiều rộng xung (PWM) được sử dụng để chuyển đổi các bóng bán dẫn điện ở tần số điển hình là 5 kHz đến 10
Tần số điển hình kHz để chuyển các bóng bán dẫn công suất T1 sang T6 để tạo ra một điện áp thay đổi, tần số thay đổi, điện áp AC hình sin ba pha tại các đầu của động cơ.
Hình 3. Biến tần ba pha cho các ứng dụng điều khiển động cơ
Tín hiệu PWM (ví dụ: PWMAH và PWMAL) được tạo trong bộ điều khiển động cơ (thường được triển khai với bộ xử lý và/hoặc PPGA). Những tín hiệu này thường là tín hiệu điện áp thấp là mặt đất chung với bộ xử lý. Để bật và tắt các bóng bán dẫn điện, mức điện áp và khả năng truyền động hiện tại của tín hiệu mức logic phải được khuếch đại và mức độ thay đổi ngoài ra để tham chiếu mặt đất ở cực phát ra của bóng bán dẫn điện. Tùy thuộc vào vị trí của bộ xử lý trong hệ thống, các tín hiệu này cũng có thể yêu cầu cách điện an toàn.
Trình điều khiển cổng (như gdrval và gdrvah trong Hình 3) thực hiện chức năng này. Mỗi IC Trình điều khiển cổng yêu cầu điện áp cung cấp phía chính được tham chiếu đến mặt đất xử lý và nguồn cung cấp phía phụ được tham chiếu đến bộ phát bóng bán dẫn. Mức điện áp của nguồn cung cấp phải có khả năng bật các bóng bán dẫn điện (thường là 15
V) và có đủ khả năng ổ đĩa hiện tại để sạc và xả các cổng bóng bán dẫn.
Thời gian chết biến tần
Các bóng bán dẫn điện có thời gian chuyển đổi hữu hạn, do đó, thời gian chết phải được chèn vào dạng sóng điều chế độ rộng xung giữa các bóng bán dẫn cầu trên và dưới, như trong Hình 4. Độ dài của thời gian chết được xác định bởi hai yếu tố: thời gian chuyển đổi bóng bán dẫn và độ trễ truyền tải trình điều khiển cổng không phù hợp (bao gồm bất kỳ sự trôi dạt nào từ sự không phù hợp). Nói cách khác, thời gian chết phải giải thích cho bất kỳ sự khác biệt nào về thời gian truyền của tín hiệu PWM từ bộ xử lý đến cổng bóng bán dẫn giữa trình điều khiển cổng cầu trên và dưới.
Hình 4. Nội suy thời gian chết
Thời gian chết ảnh hưởng đến điện áp trung bình được áp dụng cho động cơ, đặc biệt là ở tốc độ thấp. Trên thực tế, thời gian chết giới thiệu các điện áp lỗi sau có độ lớn không đổi:
Trong trường hợp Verror là điện áp lỗi, TDEAD là thời gian chết, tấn và toff là thời gian thay đổi bóng bán dẫn và thời gian trễ tắt, TS là thời gian chuyển đổi PWM, VDC là điện áp xe buýt DC, VSAT là điện áp trên trạng thái của bóng bán dẫn và VD là điện áp diode.
Khi dòng điện thay đổi hướng, điện áp lỗi sẽ thay đổi độ phân cực, do đó khi dòng điện vượt qua 0, điện áp xen kẽ động cơ trải qua thay đổi bước. Điều này gây ra sự hài hòa trong điện áp cơ bản hình sin, từ đó tạo ra các dòng sóng hài trong động cơ. Đây là một vấn đề đặc biệt quan trọng đối với các động cơ lớn hơn, áp dụng thấp được sử dụng trong các ổ đĩa mở, trong đó các dòng sóng hài có thể có ý nghĩa, dẫn đến rung động tốc độ thấp, gợn mô-men xoắn và sưởi ấm sóng hài.
Thời gian chết có ảnh hưởng nghiêm trọng nhất đến biến dạng điện áp đầu ra của động cơ trong các điều kiện sau:
Điện áp xe buýt cao DC
Thời gian chết lâu
Tần số chuyển đổi cao
Hoạt động tốc độ thấp, đặc biệt là trong các ổ đĩa vòng mở trong đó không có bù nào được thêm vào thuật toán điều khiển
Hoạt động tốc độ thấp rất quan trọng vì ở chế độ này, điện áp động cơ được áp dụng trong mọi trường hợp rất thấp và điện áp lỗi do thời gian chết có thể là một phần đáng kể của điện áp động cơ được áp dụng. Ngoài ra, ảnh hưởng của jitter biến dạng do điện áp lỗi thậm chí còn gây bất lợi hơn vì việc lọc quán tính hệ thống chỉ có sẵn ở tốc độ cao hơn.
Trong tất cả các tham số này, độ dài thời gian chết là loại duy nhất bị ảnh hưởng bởi công nghệ điều khiển cổng bị cô lập. Một phần của độ dài thời gian chết được xác định bởi thời gian trễ chuyển đổi của bóng bán dẫn điện, nhưng phần còn lại có liên quan đến sự không phù hợp độ trễ lan truyền. Về mặt này, các bộ cách ly quang rõ ràng là kém hơn so với công nghệ cách ly từ tính.
Ví dụ ứng dụng
Để minh họa ảnh hưởng của thời gian chết đối với biến dạng điện động cơ, kết quả được đưa ra dưới đây cho ổ đĩa động cơ vòng mở dựa trên biến tần ba pha.
Trình điều khiển cổng biến tần sử dụng bộ cách ly từ tính từ ADI Corporation
. Điện áp đường dây và dòng pha được đo riêng biệt bằng cách sử dụng bộ chia điện áp điện trở và điện trở shunt kết hợp với bộ điều biến ∑-∆ bị cô lập (cũng từ AD7403 của ADI). Đơn vị dữ liệu phát ra đầu ra từ mỗi bộ điều biến được gửi đến bộ xử lý điều khiển
.
Đầu ra điện áp đường đo từ bộ lọc kỹ thuật số SINC được hiển thị trong Hình 5. Điện áp đường thực tế là dạng sóng tần số chuyển đổi cao ở 10kHz, nhưng nó được lọc ra bởi bộ lọc kỹ thuật số để hiển thị phần tần số thấp mà chúng tôi quan tâm. Các dòng pha động cơ tương ứng được hiển thị trong Hình 6
Hiển thị.
Hình. (phải) 1 thời gian chết
Hình 6. Động cơ đo được: (trái) 500 ns Thời gian chết; (phải) 1 giờ chết
Trình điều khiển cổng ADUM4223 có sự không phù hợp độ trễ truyền tải là 12ns, do đó có thể sử dụng thời gian chết tối thiểu tuyệt đối cho chuyển đổi IGBT. Đối với IRIGBTS, thời gian chết tối thiểu có thể được đặt thành 500 ns. Như có thể thấy trong hình bên trái, độ méo điện áp trong trường hợp này là tối thiểu. Tương tự như vậy, các dòng pha là hình sin tốt, vì vậy gợn mô -men xoắn là tối thiểu. Biểu đồ bên phải hiển thị điện áp dòng và dòng pha khi giờ chết tăng lên 1. Giá trị này là đại diện hơn cho nhu cầu của một trình điều khiển cổng kết hợp quang học với độ trễ lan truyền lớn hơn và trôi dạt. Có một sự gia tăng đáng kể về cả điện áp và biến dạng hiện tại. Các động cơ cảm ứng được sử dụng trong trường hợp này tương đối nhỏ, động cơ trở kháng cao.
Trong các ứng dụng sử dụng cuối công suất cao hơn, trở kháng động cơ cảm ứng thường thấp hơn nhiều, dẫn đến tăng biến dạng dòng động cơ và gợn mô-men xoắn. Mô -men xoắn gợn có thể có tác động bất lợi trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như giảm sự thoải mái khi đi thang máy hoặc hao mòn/khớp nối trong các hệ thống cơ học.
Đóng cửa quá dòng
Một vấn đề quan trọng khác đối với các trình điều khiển cổng hiện đại là lệnh tắt máy từ bộ xử lý có thể được thực hiện nhanh như thế nào trên IGBT. Điều này rất quan trọng để tắt máy quá dòng trong các tình huống trong đó phát hiện quá dòng không phải là một phần của chính trình điều khiển cổng, mà được thực hiện như một phần của mạch phát hiện và lọc. Một áp lực khác trong khu vực này là việc rút ngắn mạch ngắn chịu được thời gian của các IGBT hiệu quả hơn. Về vấn đề này, xu hướng trong công nghệ IGBT là giảm thời gian ngắn mạch từ tiêu chuẩn công nghiệp từ 10 tuổi xuống còn 5 hoặc thậm chí ít hơn. Như được hiển thị trong Hình 7, các mạch phát hiện quá dòng thường yêu cầu một vài micro giây để gắn vào một lỗi; Các bước phải được thực hiện để giảm thời gian phát hiện này để theo kịp xu hướng tổng thể. Một yếu tố chính khác trong đường dẫn này là độ trễ lan truyền từ đầu ra bộ xử lý/FPGA đến IGBT GATE (Trình điều khiển cổng).
Một lần nữa, các bộ cách ly từ tính có lợi thế rõ ràng so với các thiết bị quang học do thực tế là các giá trị độ trễ lan truyền của trước đây là rất nhỏ, thường là khoảng 50ns và không còn là yếu tố ảnh hưởng. Ngược lại, độ trễ lan truyền của OptoCoupler theo thứ tự 500ns và chiếm một phần đáng kể của tổng ngân sách thời gian.
Hình 7. Thời gian tắt lỗi
Thời gian tắt máy điều khiển cổng cho một ứng dụng điều khiển động cơ được hiển thị trong Hình 8, trong đó lệnh Shutdown của bộ xử lý tuân theo tín hiệu bộ phát cổng IGBT. Tổng độ trễ từ khi bắt đầu tín hiệu tắt cho đến khi tín hiệu trình điều khiển cổng IGBT tiếp cận 0 chỉ là 72 ns.
Hình 8. Thời gian điều khiển cổng tắt quá dòng
Bản tóm tắt
Với sự tập trung ngày càng tăng vào hiệu suất hệ thống, hiệu quả và an toàn, các kiến trúc sư điều khiển động cơ phải đối mặt với những thách thức ngày càng phức tạp trong việc thiết kế các hệ thống mạnh mẽ. Mặc dù các trình điều khiển cổng dựa trên Optocoupler là lựa chọn truyền thống, các giải pháp dựa trên máy biến áp không chỉ có lợi hơn về mức tiêu thụ năng lượng, tốc độ và độ ổn định thời gian, mà còn, như được thảo luận trong bài viết này, về hiệu suất và an toàn của hệ thống do độ trễ tín hiệu ngắn hơn. Điều này cho phép các nhà thiết kế tự tin giảm thời gian chết và cải thiện hiệu suất hệ thống đồng thời ngăn chặn các công tắc cầu trên và dưới bật cùng một lúc.
Ngoài ra, nó hỗ trợ phản hồi nhanh hơn đối với các lệnh và lỗi của hệ thống, một lần nữa giúp tăng cường độ tin cậy của hệ thống và cải thiện sự an toàn. Với những lợi thế này, trình điều khiển cổng bị cô lập dựa trên máy biến áp đã trở thành một lựa chọn chính cho thiết kế hệ thống điều khiển động cơ; Các nhà thiết kế hệ thống được khuyên nên làm cho độ trễ của thiết bị trở thành một yêu cầu quan trọng khi thiết kế dự án tiếp theo của họ.