Effektive Steuerung von Drehstrom-Asynchronmotoren mit zuverlässigen Trennwandlern (ADCs)

Drehstrom-Asynchronmotoren erzeugen mechanische Leistung für fast 80 % der industriellen Anwendungen, da sie über einen extrem hohen Wirkungsgrad und umweltfreundliche, robuste Eigenschaften verfügen. Eine effektive Steuerung dieser Motoren ist erforderlich, um Probleme mit schwereren Lasten wie Wasserpumpen, Kesselpumpen, Schleifmaschinen und Kompressoren zu bewältigen, die höhere Anlaufmomente, eine gute Drehzahlregelung und eine angemessene Überlastfähigkeit erfordern.

Diese Steuerung ist für Entwickler eine Herausforderung, da die dreiphasige Motorelektronik eine isolierte analoge Signalrückführung über die Stromshunts von den Hochspannungs- und Gleichtaktsignalen erfordert. Darüber hinaus müssen die hohen dynamischen Isolationsspannungen über einen weiten Umgebungstemperaturbereich aufrechterhalten werden.

Die Lösung für die präzise Steuerung von Drehstrom-Asynchronmotoren liegt für viele Anwendungen in der Strommessschaltung und den isolierten Analog/Digital-Wandlerfunktionen (ADC), wie z. B. einem Trennmodulator. Diese ADC-Funktion erzeugt einen Erfassungsmechanismus für das Hochspannungssignal des Schaltumrichters über einen Strom-Shunt-Widerstand für AC-Motorsteuerungsanwendungen.

In diesem Artikel werden die Probleme im Zusammenhang mit dem Erreichen einer präzisen AC-Motorsteuerung besprochen und warum eine isolierte analoge Rückkopplung eine gute Option für diese Art von Anwendung ist. Anschließend wird ein isolierter Sigma-Delta-Modulator von Analog Devices sowie ein sin(px)/px- oder sinc-Digitalfilter für das Modulator-Ausgangssignal eingesetzt, um ein 16-Bit-ADC-Wort zu erzeugen und dabei die Vorteile der Isolationsbarriere zu nutzen.

Einführung in den dreiphasigen Asynchron-Drehstrommotor

Die Haupteigenschaften des Hochleistungs-Servomotors sind eine gleichmäßige Rotation bis zum Stillstand, volle Kontrolle des Drehmoments im Stillstand und schnelle Verzögerungen und Beschleunigungen. Leistungsstarke Motorantriebssysteme verwenden in der Regel Drehstrommotoren (Abbildung 1). Diese Maschinen lösen den Gleichstrommotor als Maschine der Wahl ab, da sie ein geringes Trägheitsmoment, ein hohes Verhältnis von Ausgangsleistung zu Gewicht, eine robuste Konstruktion und eine gute Leistung bei hohen Drehzahlen aufweisen.

Abbildung 1: Industrieller Drehstrom-Asynchronmotor mit der Welle links und dem elektrischen Anschlusskasten oben. (Bildquelle: Leroy-Somer)

Die Prinzipien der Vektorregelung, auch feldorientierte Regelung genannt, steuern diese AC-Motoren. Die meisten modernen Hochleistungsantriebe verfügen über eine digital implementierte Stromregelung. In diesem System hängt die erreichbare Regelbandbreite von der Ausführungsrate der rechenintensiven Vektorregelungsalgorithmen und der Echtzeitimplementierung der zugehörigen Vektorrotationen ab. Dieser Rechenaufwand erfordert digitale Signalprozessoren (DSPs) zur Implementierung eines digitalen sinc-Filters und der eingebetteten Motor- und Vektorsteuerungsschemata. Die Rechenleistung des DSP ermöglicht schnelle Zykluszeiten und Bandbreiten für die Stromregelung.

Das komplette Stromregelungsschema für diese Maschinen erfordert auch eine pulsweitenmodulierte (PWM) Hochspannungserzeugung und einen hochauflösenden ADC zur Messung der Motorströme. Die reibungslose Regelung des Drehmoments bis zur Drehzahl Null und die Aufrechterhaltung der Rotorpositionsrückkopplung ist für moderne Vektorregler unerlässlich. Hier beschreiben wir die grundlegenden Prinzipien für die Implementierung eines Hochleistungs-ADCs für Drehstrommotoren - eine Kombination aus einem isolierten 16-Bit-Analog/Digital-Modulator und einem integrierten DSP-Controller mit einem leistungsstarken DSP-Kern und einer flexiblen digitalen sinc-Filter-Generierung.

Isolationsstrategie

Hochleistungs-Drehstrommotoren benötigen eine gleichmäßige Rotation bis zum Stillstand, volle Kontrolle über das Drehmoment im Stillstand und schnelle Beschleunigungen und Verzögerungen. Die Messung der Motordrehzahl mit Transducern und des Drehmoments mit Phasenströmen steuert isolierte Gate-Treiber direkt an (Bild 2).

Abbildung 2: Dieses dreiphasige Motortreibersystem (U, V und W) verfügt über FET-Invertertransistoren zur Ansteuerung des Motors und der Strommesswiderstände R_S zur Erfassung der Stromstärken. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Messwiderstände R_S in Abbildung 2 erfassen den Wicklungsstrom des Motors. Eine 16-Bit-Wandlung nutzt diese Signale, um das Drehmoment des Motors dynamisch zu messen. Der Hall-Effekt-Sensor erfasst die Position des Motors. Dieses System erfasst sowohl das Drehmoment als auch die Position über die Zeit.

Bei der Versorgung eines dreiphasigen Motorsteuerungssystems sind wichtige Aspekte der Spannungsreferenz zu beachten. Eine entscheidende Herausforderung ist die Isolation mit der Umrichterstufe auf dem Stromversorgungsboard und dem Prozessor auf dem Controllerboard. Die Massebezüge für diese beiden Boards sind unterschiedlich, so dass Isolationsprodukte erforderlich sind, um die Geräte und Benutzer vor möglichen Schäden zu schützen.

Die Gate-Treibergleichspannung eines Dreiphasen-Wechselstrommotors kann bis zu 600 Volt oder mehr betragen, wobei die Pulsweitenmodulation (PWM) mit mehr als 20 Kilohertz (kHz) und Anstiegszeiten von 25 Volt pro Nanosekunde (ns) für IGBT-Wechselrichter schaltet. Diese Spannungs- und Anstiegszeitcharakteristiken erfordern Isolationskomponenten, um empfindliche Schaltungen in dieser feindlichen Umgebung zu schützen. Die Erfassung der Ströme zum Motor bei minimalen Systemstörungen ist unerlässlich. Der Sensor der Wahl für den Drehstrommotor ist ein extrem kleiner Messwiderstand (R_S). Das isolierte System verbessert auch die Störsicherheit in der Motorsteuerung.

Isolierte Systeme erfüllen zwei Hauptanliegen der Konstruktion: extrem hohe Brücken-Gleichspannungen und die Erfassung der Motorströme (I_U, I_V und I_W). In Abbildung 3 liefert der isolierte Sigma-Delta-Eingangsmodulator ADuM7701 für ±250 Millivolt (mV) von Analog Devices das digitale Signal von der Sekundärseite zur Primärseite.

Abbildung 3: Diese Schaltung für einen dreiphasigen Wechselstrommotor verwendet den magnetisch isolierten Sigma-Delta-Modulator ADuM7701 zur Erfassung der Motorstromstärken und den DSP ADSP-CM408F zur Implementierung von sinc-Filtern und zur Auswertung des Motorzustands. (Bildquelle: Analog Devices)

Seine Betriebstemperatur reicht von -40 °C bis 125 °C, mit einer hohen Gleichtakt-Transientenfestigkeit von 10 Kilovolt (kV) pro Mikrosekunde (ms) über die Isolationsbarriere. Die isolierte Seite des ADuM7701 wird mit 4,5 bis 5,5 Volt versorgt, während der DSP-Chip ADSP-CM408F mit 3,3 Volt arbeitet. Dieses System überwindet die Schwierigkeit, das Hochspannungs-Gleichstromsignal des analogen Schaltnetzteils zu isolieren, das über den Stromnebenschlusswiderständen (R_S) erscheint.

Die Bestimmung der Werte für den I_V- und I_W-Nebenschlusswiderstand (R_S) in Abbildung 3 hängt von den spezifischen Spannungs-, Strom- und Leistungsanforderungen der Anwendung ab. Kleine Widerstände minimieren die Verlustleistung, nutzen aber möglicherweise nicht den vollen Eingangsbereich des ADuM7701 aus. Widerstände mit höheren Werten erzielen ein maximales Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) durch Nutzung des vollen ADC-Leistungseingangsbereichs. Die endgültig gewählten Werte sind ein Kompromiss zwischen Genauigkeit und geringer Verlustleistung.

Die spezifizierte maximale Eingangsspannung des Modulators ADuM7701 beträgt ±250 mV. R_S muss kleiner als V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK} sein, um diese Bedingungen zu erfüllen. Für das Beispiel in Abbildung 3 gilt: Wenn der Spitzenstrom der Endstufe 8,5 Ampere (A) beträgt, ist der maximale Nebenschlusswiderstand 29,4 Milliohm (mΩ).

Betrieb des Sigma-Delta-Modulators

Das Frontend des ADuM7701 ist ein Modulator zweiter Ordnung mit einem Eingangs-Gleichspannungsbereich von -0,2 Volt bis +0,8 Volt. Die Schaltung des Sigma-Delta-Modulators zweiter Ordnung enthält zwei analoge Sigma-Stufen (Integrationsstufen) mit zwei analogen Delta-Stufen (Subtraktionsstufen). Der Ausgang dieser Kombination wird mit einer Referenzspannung, z. B. Masse, verglichen, um einen digitalen Ein-Bit-Ausgang zu takten (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das Frontend des ADuM7701 besteht aus einem Sigma-Delta-Modulator zweiter Ordnung, der zwei analoge Sigma-Stufen (Integrationsstufen) mit zwei analogen Delta-Stufen (Subtraktionsstufen) kombiniert. (Bildquelle: Analog Devices)

Der getaktete 1-Bit-Strom wird einem Digital-/Dezimator-Filter zugeführt und auf den Digital/Analog-Wandler und dann den analogen Subtraktionsstufen zurückgeführt. Um die beste ADC-Gesamtleistung zu erreichen, wird das Signal mit dem ADSP-CM408F zu einem sinc-Filter kombiniert, der das Modulatorsignal in ein voll funktionsfähiges 16-Bit-Wort umwandelt. Die Unmittelbarkeit des 1-Bit-Codes des Modulators sorgt für sofortige Übersteuerungsbedingungen. Das komplette System wandelt die resistiv erfassten Motorschenkelströme um, um die entsprechenden Motordrehmomentinformationen zu liefern.

Digitale Filter

Der Ausgang des Modulators ADuM7701 ist mit den Primär-, Sekundär- und Takteingängen des digitalen Filters ADSP-CM408F verbunden. Der primäre Signalweg führt weiter zum sinc/Dezimations-Filtermodul. Der sekundäre Signalpfad verfügt über Bereichskomparatoren zur schnellen Erkennung eines Systemfehlerzustands.

Die Frequenz des Modulators (5 Megahertz (MHz) bis 21 MHz Takt (f_M)) und die Dezimationsrate (D) bestimmen die Leistung des sinc-Filters. Die Ordnung des sinc-Filters (O) ist eine Ordnung höher als die des Modulators. Daher ist der sinc-Filter mit dem ADuM7701 ein Filter dritter Ordnung. Gleichung 1 zeigt den Frequenzgang des Filters.

 Gleichung 1

Durch die Anpassung der Dezimierungsfrequenz an die Motor-PWM-Schaltfrequenz werden PWM-Schaltoberschwingungen deutlich reduziert. Der Frequenzgang in Abbildung 5 hat Nullen bei Frequenzen, die gerade Vielfache der Dezimierungsfrequenz (f_M/D) sind.

Abbildung 5: Amplitudengang eines digitalen sinc-Filters 3. Ordnung (Bildquelle: Analog Devices)

Fazit

Hochleistungs-Drehstrommotoren erfordern eine gleichmäßige Rotation bis zum Stillstand, volle Kontrolle des Drehmoments im Stillstand und schnelle Verzögerungen und Beschleunigungen. Um diese Aufgabe der Motorsteuerung zu erfüllen, sind Echtzeitmessungen des Drehmoments, der Position und der Fehlerbedingungen des Motors erforderlich. Die Herausforderung für den Entwickler besteht darin, die Präzisionsanforderungen des AC-Motors zu verstehen, eine Isolationsstrategie auszuwählen, einen geeigneten Sigma-Delta-Pfad zu wählen und einen digitalen sinc-Filter zu implementieren.

Mit einem isolierten Modulator und einem Mischsignal-Steuerungsprozessor wie dem ADuM7701 und dem ADSP-CM408 von Analog Devices können Entwickler ein hochpräzises, robustes Motorsteuerungssystem für Wasserpumpen, Kesselpumpen, Schleifmaschinen und Kompressoren erstellen.