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如何增强工业电机控制性能?这有两款隔离解决

所属分类:和记h88娱乐 发表日期:2019-10-02 文章来源:和记娱乐

  ✔阻隔用户及敏锐电子部件是电机限定体系的要紧商酌事项。安定阻隔用于掩护用户免受无益电压影响,效力阻隔则特意用来掩护摆设和器件。电机限定体系不妨包蕴百般各样的阻隔器件,比方:驱动电道中的阻隔式栅极驱动器;检测电道中的阻隔式ADC、放大器和传感器;以及通讯电道中的阻隔式SPI、RS-485、模范数字阻隔器。无论是出于安定出处,依然为了优化本能,都央浼谨慎选取这些器件。

  固然阻隔是很要紧的体系商酌,但它也存正在缺陷:会降低功耗,跨过阻隔栅传输数据会形成延迟,并且会推广体系本钱。体系打算师古板上求帮于光阻隔计划,多年来,它是体系阻隔的最佳选取。

  比来十年来,基于磁性(变压器传输)格式的数字阻隔器供应了一种可行且正在许多光阴更卓着的替换计划;从体系角度商酌,它还具备体系打算师不妨尚未了解到的长处。接下来先容两种阻隔处理计划,重心阐发磁阻隔对延迟时序本能的革新,以及由此给电机限定运用正在体系层面带来的好处。

  光耦应用光举动重要传输格式,如图1所示。发送侧包含一个LED,高电平信号开启LED,低电平信号合上LED。领受侧应用光电检测器将领受到的光信号转换回电信号。阻隔由LED与光电检测器之间的塑封原料供应,但也可应用非常的阻隔层(大凡基于齐集物)予以巩固。

  光耦的最大缺陷之一是:LED老化,会使传输个性漂移;打算职员必需商酌这一非常题目。LED老化导致时序本能跟着时期和温度而漂移。于是,信号传输和上升/低落时期会受影响,使打算纷乱化,更加是商酌到本文后面要处置的题目。

  光耦的本能扩展也是受限的。为了降低数据速度,必需驯服光耦固有的寄生电容题目,该题目会导致功耗升高。寄生电容还会供应耦合机造,导致基于光耦的阻隔器件的CMTI(共模瞬变抗扰度)本能劣于角逐计划。

  磁阻隔器(基于变压器)已大范围运用十多年,是光耦合器的有用替换计划。这类阻隔器基于模范CMOS手艺,采用磁传输道理,阻隔层由聚酰亚胺或二氧化硅组成,如图2所示。低电平电流以脉冲格式通过线圈传输,形成一个磁场,磁场穿过阻隔栅,正在阻隔栅另一侧的第二线圈中感生一个电流。因为采用模范CMOS组织,其正在功耗和速率方面拥有明明上风,并且不存正在光耦合器合系的寿命差错题目。别的,基于变压器的阻隔器的CMTI本能优于基于光耦合器的阻隔器。

  基于变压器的阻隔器还答允利用通例的信号处置模块(抗御传输杂散输入)和高级传输编解码机造。云云就可能实行双向数据传输,利用分歧编码计划来优化功耗与传输速度的干系,以及将要紧信号更敏捷、更划一地传输到阻隔栅另一端。

  全数阻隔器的一个要紧但时时被漠视的个性是其传输延迟。此个性权衡信号(可能是驱动信号或毛病检测信号)沿任一宗旨跨过阻隔栅所需的时期。手艺分歧,传输延迟不同很大。大凡供应的是类型延迟值,但体系打算师极端合怀最大延迟,它是打算电机限定体系需求商酌的要紧个性。表1给出了光耦合器和磁阻隔栅极驱动器的传输延迟和延迟差错值示例。

  如表1所示,磁阻隔正在最大延迟和延迟可反复性(差错)方面上风明明。云云,电机限定打算职员对打算将更有决心,无需推广时序裕量以满意栅极驱动器个性。对待电机限定体系的本能和安定,这都有着特殊要紧的意旨。

  图3显示了换取电机限定运用中采用的类型三相逆变器。该逆变器由直流母线供电,直流电源大凡是通过二极管桥式整流器和容性/感性-容性滤波器直接从换取电源形成。正在大局部工业运用中,直流母线 V范畴内。采用脉宽调造(PWM)计划,以5 kHz至10 kHz的类型频率切换功率晶体管T1至T6,从而正在电机端子上形成可变电压、可变频率的三相正弦换取电压。

  PWM信号(如PWMaH和PWMaL)正在电机限定器(日常用途理器和/或FPGA实行)中形成。这些信号日常是低压信号,与处置器共地。为了确切开启和合上功率晶体管,逻辑电平信号的电压电和蔼电流驱动才能必需被放大,其余还必需举行电平转换,从而以合系功率晶体管发射极为接地基准。凭据处置器正在体系中的地点,这些信号不妨还需求安定绝缘。

  栅极驱动器(如图3中的GDRVaL和GDRVaH)奉行这种效力。每个栅极驱动器IC都需求一个以处置器地为基准的原边电源电压和一个以晶体管发射极为基准的副边电源。副边电源的电压电平必需不妨开启功率晶体管(大凡为15 V),并有足够的电流驱动才能来给晶体管栅极充电和放电。

  功率晶体管有一个有限的开合时期,于是,上桥和下桥晶体管之间的脉宽调造波形中必需插入一个死区时期,如图4所示。这是为了抗御两个晶体管不料同时接通,惹起高压直流母线短道,进而酿成体系毛病和/或损坏危害。死区时期的长度由两个要素决意:晶体管开合时期和栅极驱动器传输延迟失配(包含失配的任何漂移)。换言之,死区时期必需商酌PWM信号从处置器到上桥和下桥栅极驱动器之间的晶体管栅极的任何传输时期区别。

  死区时期会影响施加到电机的均匀电压,更加是正在低速运行时。现实上,死区时期会带来以下近似恒定幅度的偏差电压:

  个中,VERROR为偏差电压,tDEAD为死区时期,tON和tOFF为晶体管开启和合上延迟时期,TS为PWM开合周期,VDC为直流母线电压,VSAT为功率晶体管的导通形态压降,VD为二极管导通电压。

  当一个相电流更正宗旨时,偏差电压更正极性,于是,当线道电流过零时,电机线间电压爆发阶跃变更。这会惹起正弦基波电压的谐波,进而正在电机中形成谐波电流。对待开环驱动采用的较大低阻抗电机,这是一个极端要紧的题目,由于谐波电流不妨很大,导致低速振动、扭矩纹波和睦波加热。

  低速管事很要紧,由于恰是正在这种形式下,施加的电机电压正在任何景况下都特殊低,死区时期导致的偏差电压不妨是所施加电机电压的很大一局部。别的,偏差电压导致的扭曲发抖的影响更无益,由于对体系惯性的滤波只要正在较高速率下才可用。

  正在全数这些参数中,死区时期长度是独一受阻隔式栅极驱动器手艺影响的参数。死区时期长度的一局部是由功率晶体管的开合延迟时期决意的,但其余局部与撒布延迟失配相合。正在这方面,光阻隔器分明不如磁阻隔手艺。

  为了证据死区时期对电机电流失真的影响,下面给出了基于三相逆变的开环电机驱动的结果。

  逆变器栅极驱动器采用ADI公司的磁阻隔器 (ADuM4223ADuM4223),直接驱动IR的IRG7PH46UDPBF1200VIGBT,直流母线V,逆变器驱动开环V/f限定形式下的三相感到电机。应用阻性分压器和分流电阻,并连合阻隔式∑–∆调造器(同样是来自ADI公司的AD7403),阔别丈量线电压和相电流。各调造器输出的单元数据流被送至限定处置器 (ADI公司的ADSP-CM408) 的sinc滤波器,数据正在个中举行滤波和抽取后,形成电压和电流信号的准确显示。

  sinc数字滤波器输出的线所示。现实线kHz的高开合频率波形,但它被数字滤波器滤除,以便显示咱们感风趣的低频局部。相应的电机相电流如图6 所示。

  ADuM4223栅极驱动器的传输延迟失配为12ns,于是可能利用IGBT开合所需的绝对最短死区时期。对待IRIGBT,最短死区时期可配置为500ns。从左图可看出,这种景况下的电压失真极幼。同样,相电流也是很好的正弦波,于是扭矩纹波极幼。右图显示死区时期降低到1µs时的线电压和相电流。此值更能代表光耦合栅极驱动器的需求,由于其撒布延迟失配和漂移更大。电压和电流的失真均有明明推广。这种景况利用的感到电机是相对较幼的高阻抗电机。

  正在更高功率的终端运用中,感到电机阻抗大凡要低得多,导致电机电流失真和扭矩纹波推广。扭矩纹波正在许多运用中城市形成无益影响,比方:电梯乘坐适意度低落或呆板体系中的轴承/联轴器磨损。

  新颖栅极驱动器的另一个要紧题目是处置器发出的合断夂箢能以多速的速率正在IGBT上实行。这对待以下景况中的过流合断很要紧:过流检测不是栅极驱动器自身的一局部,而是举动检测与滤波电道的一局部加以实行。这方面的另一个压力是更高功效IGBT的短道耐受时期缩短。对此,IGBT手艺的趋向是从业界模范10µs缩短到5µs乃至更短。如图7所示,过流检测电道大凡需求数微秒时期来锁存毛病;为了适应总体生长趋向,必需选用门径来缩短这一检测时期。该道途中的另一重要要素是从处置器/FPGA输出到IGBT栅极(栅极驱动器)的撒布延迟。

  同样,磁阻隔器相对待光学器件有明明上风,出处是前者的撒布延迟值特殊幼,大凡正在50ns足下,不再是影响要素。比拟之下,光耦合器的撒布延迟正在500ns足下,占到总时序预算的很大一局部。

  电机限定运用的栅极驱动器合断时序如图8所示,个中处置器的合断夂箢跟正在IGBT栅极发射极信号之后。从合断信号下手到IGBT栅极驱动信号亲昵0的总延迟仅有72 ns。

  跟着人们愈加合怀体系本能、功效和安定,电机限定架构师正在打算稳妥体系时面对着日益纷乱的挑拨。基于光耦合器的栅极驱动器是古板选取,但基于变压器的处理计划不光正在功耗、速率、时期安靖性上更具上风,并且如本文所述,因为信号延迟缩短,其正在体系本能和安定方面也有明明上风。这使得打算职员可能正在抗御上桥和下桥开合同时接通的同时,有驾御地缩短死区时期,革新体系本能。

  别的,它还援帮对体系夂箢和舛讹作出更敏捷的反应,这同样能巩固体系牢靠性并降低安定性。鉴于这些上风,基于变压器的阻隔式栅极驱动器已成为电机限定体系打算的一个重要选取;激烈倡导体系打算职员正在打算下一个项目时,把器件延迟举动一项要紧央浼。

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