Интеллектуальный токовый датчик для управления драйвером электродвигателей

   
Патрик Салливан, Денис КобасевичИнтеллектуальный токовый датчик для управления драйвером электродвигателей

Для работы замкнутых систем управления электродвигателями и защитыот перегрузок необходимо точное измерение фазовых токов драйверов двигателей. Традиционный метод получениятаких сигналов — использование схем на дискретных элементах с датчиками на эффекте Холла. Недорогойальтернативой является новый оптрон, обеспечивающий также повышение степени интеграции и точности измерений.
    Измерение тока с помощью резистивных шунтов дает такие преимущества, как высокая точность, дешевизна и малые размеры. Однако, этот метод имеетнедостатки при наличии больших напряжений синфазного сигнала, что наблюдается при измерении фазовыхтоков драйверов электродвигателей. Для устранения влияния сильных синфазных помех необходимоэлектрически изолировать цепь измерительного шунта от микроконтроллера. Эта задача может бытьрешена просто и эффективно при использовании изолирующего усилителя. Помимо гальванической развязки,такой усилитель обеспечивает электробезопасность, что также является важным требованием для многихприменений.
    Новейшей разработкой компании HEWLETT PACKARD в этой области является датчик тока на основе усилителя соптической развязкой HCPL-788J (рис. 1). Основным назначением прибора является измерение параметров токовыхсигналов в инверторах приводов электродвигателей. HCPL-788J вырабатывает сигнал обратной связи по току исигнал обнаружения токовой перегрузки, для чего используется комбинация аналоговой и цифровой обработки сигнала.

Рис. 1 Новый оптрон выполняет целый ряд функций, необходимых для измерения токов при управлении электродвигателем

Высокая степень интеграции

Прибор HCPL-788J выполнен с использованием оптической развязки и включает в себя две КМОП ИС размером 0,8 мми высокоэффективный AlGaAs СИД. Низкопрофильный корпус SO-16 позволяет получить высокую степень интеграции ивесьма компактную конструкцию. Применение поверхностного монтажа обеспечивает высокую производительность и низкиезатраты при сборке, что особенно важно при изготовлении модулей интеллектуального управления питанием (IPM) наизолированных металлических подложках, когда монтаж в отверстия просто невозможен.
    Для исключения влияния возможных изменений характеристик оптического канала передачи на смещение и коэффициентусиления, сигнал низкого напряжения с шунта (от -200 до +200 мВ) преобразуется с использованием сигма-дельта(SD) модулятора, кодируется и передается в цифровом виде по оптическому каналу в ИС детектора, где он преобразуетсяобратно в аналоговую форму с помощью ЦАП.

Высокая точность измерений

Подавляющее большинство систем управления электродвигателями выполнено на основе цифровой технологии.По определению, точность измерения датчика тока — это количество значащих бит на выходе АЦП системы.На практике некоторые ошибки измерения,влияющие на итоговую точность, менее значимы для характеристиквсей системы, так как их можно исключить при калибровке. Примером могут служить статическое смещение иотклонение коэффициента усиления. К параметрам, которые труднее поддаются калибровке, относятся дрейфкоэффициента усиления, дрейф напряжения смещения и нелинейность. Требуемая точность может быть обеспеченатолько при минимизации этих погрешностей в схеме датчика тока, что и было одной из важнейших целей приразработке прибора HCPL-788J. Пример этого — исключительно низкая величина дрейфа напряжения смещения —(5х10-6)/oC и малое значение дрейфа коэффициента усиления — (50х10-6)/oC (таблица).
Таблица. Характеристики HPCL-788J Параметр Типичное значение Ширина полосы частот по уровню -3дБ, кГц 30 Время обнаружения перегрузки, мкс 3,4 Ослабление синфазного сигнала, кВ/мкс 25 Дрейф напряжения смещения, 1/°C 5 x 10(-6) Дрейф коэффициента усиления, 1/°C 50 x 10(-6) Нелинейность, % 0,06

Рассматривая суммарную точность измерений для традиционных схемных решений датчиков тока, следует учесть,что на эту величину значительное влияние могут оказывать цепи прохождения сигнала от датчика тока до АЦП (рис. 2).
    Как правило, выходной сигнал датчика тока является биполярным: как в случае дискретных схемна основе токовыхизмерительных преобразователей на эффекте Холла, так и при использовании усилителей с оптической развязкой.Однако, вход большинства АЦП, в частности, встроенных в микроконтроллеры, обычно униполярный по своей природе.Для преобразования биполярного сигнала в униполярный требуется использовать схему сдвига уровня на операционном усилителе, которая вносит свой вклад в общую погрешность в виде напряжения смещения и отклонения коэффициента прибор HCPL-788J, результатом чего явилось общее повышение точности и снижение необходимого количества дискретных компонентов. Выходной сигнал ЦАП пропорционален величине опорного напряжения АЦП системы VREF, что исключает зависимость точности от величины VREF. По постоянному напряжению выходной сигнал смещен на уровень 0,5 VREF.
    Для снижения потерь мощности желательно уменьшать время переключения биполярного транзистора с изолированнымзатвором (IGBT), что приводит к росту значения производной dv/dt напряжения синфазного сигнала при переходномпроцессе. Все изолирующие управляющие схемы, такие как драйверы затвора и датчики тока, должны быть устойчивык этому уровню dv/dt, независимо от того, какая среда используется для передачи сигнала. Причиной сбоев привоздействии высоких значений dv/dt является протекание тока по паразитной емкости на границе изолирующей области.Особенно чувствительны к синфазным переходным процессам датчики тока магнитного типа вследствие относительно высокойпаразитной емкости между первичными и вторичными обмотками и датчиком.
    Для оптронов наиболее важным фактором, влияющим на устойчивость к синфазным помехам, является паразитная емкостьмежду входными цепями и ИС детектора. Величина этой емкости представляет собой лишь малую долю суммарной емкостимежду входной и выходной цепями, однако, вследствие высокого коэффициента усиления в схеме детектора она являетсяважнейшим фактором, который может ограничить способность оптрона противостоять воздействию синфазных помех.
    Для устранения этого недостатка в оптронах для систем управления и контроля двигателей применяют патентованнуютехнологию экранирования ИС, которая позволяет резко повысить эффективность ослабления синфазного сигнала.Для HCPL-788J получено типовое значение показателя эффективности подавления синфазного сигнала 25 кВ/мкс.

Рис. 2 Типичная схема использования HCPL-788J

Обнаружение неисправностей

Одним из главных требований к схеме обнаружения неисправностей является высокое быстродействие, однако, важно также и отсутствие ложных срабатываний.Они могут возникать вследствие наложения шумовых помех на измеряемый токовый сигнал, в частности, из-забольшой величины производной тока di/dt в момент переключения.
    Наличие паразитной емкости между обмоткой двигателя и землей и емкости соединительного кабеля вызывает протеканиебольшого зарядного тока (di/dt) при переходных процессах нарастания и спада сигнала во время каждого переключения.При использовании длинных кабелей между инвертором и двигателем либо экранированных кабелей для подавлениярадиопомех суммарная емкость относительно земли становится еще больше. Обычно высокие значения производнойзарядного тока di/dt не вызывают проблем в измерительных схемах, так как эти всплески могут быть легкоотфильтрованы, однако, они могут нарушать нормальную работу схем обнаружения неисправностей. По этой причинево многих случаях на входе схемы обнаружения неисправностей необходима фильтрация, которая, к сожалению,увеличивает время задержки срабатывания схемы. Альтернативой фильтрации является использование схемы импульсногодискриминатора, эффективно подавляющей влияние всплесков di/dt.
    Преимущество этого метода состоит в том, что подавление не зависит от амплитуды помех. Именно этот подходиспользован во встроенной схеме обнаружения неисправностей прибора HCPL-788J. Для повышения быстодействияэта схема функционирует параллельно с измерительной. Превышение положительного или отрицательного пороговопределяется двумя компараторами, с выхода которых сигнал поступает на запирающие фильтры. В случае обнаружениясбоя передача данных по оптическому каналу прерывается на 2 мкс, и поток битов заменяется последовательностьюкодов ошибки.
    Декодер детектора немедленно распознает такой сигнал как ошибку кодирования и выдает выходной сигнал неисправности.Суммарное время реакции на неисправность, измеряемое от момента превышения порога до выдачи выходного сигналанеисправности, составляет 3,4 мкс, из которых 2 мкс относятся к внутренней схеме импульсного дискриминатора.

Обнаружение перегрузки

Состояние перегрузки возникает в том случае, когда ток двигателя превышает номинальный ток драйвера, но ненастолько, чтобы инвертор или двигатель подвергались опасности мгновенного повреждения. Кроме номинальныхзначений токов инвертора задаются также значения при перегрузке, которые допускаются в течение короткогопромежутка времени — до наступления перегрева. Прибор HCPL-788J вырабатывает вспомогательный выходной сигналABSVAL (абсолютное значение), использование которого упрощает обнаружение состояния перегрузки.



Рис. 3 Синусоидальный отклик HCPL-788J

Рис. 4 Сравнение показателей для различных схем датчиков тока

Сигнал ABSVAL пропорционален абсолютной величине входного сигнала (рис. 3). Выходы ABSVAL несколькихприборов могут быть соединены вместе по схеме “проводного ИЛИ”. При объединении трех синусоидальныхсигналов от трех фаз выпрямленный выходной сигнал представляет собой напряжение, близкое к постоянному ипропорциональное эффективному значению (RMS) суммарного тока электродвигателя. С помощью компаратора этотсигнал может быть легко использован для сигнализации возникновения состояния перегрузки. На рис. 4представлены результаты сравнения показателей традиционных схем датчиков тока и схемы с использованием оптрона.

«Хьюлетт-Паккард»,
Бёблинген, Германия






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.