要在眾多應(yīng)用中達(dá)到精密的三相感應(yīng)AC馬達(dá)控制，解決方法就是利用電流感測(cè)電路以及隔離式類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器 (ADC) 功能，例如隔離式調(diào)變器。本文探討在達(dá)到精密AC馬達(dá)控制時(shí)所衍生的相關(guān)問題，並說明為何隔離式類比回授是這種應(yīng)用的良好選擇。

三相感應(yīng)AC馬達(dá)能以極高效率及環(huán)境耐用特性，在幾乎80%的工業(yè)應(yīng)用中產(chǎn)生機(jī)械力。要克服較高負(fù)載的相關(guān)問題，有效控制這些馬達(dá)有其必要性，例如水泵、鍋爐泵、研磨機(jī)、壓縮機(jī)等都需要較高的起動(dòng)扭力、良好的速度調(diào)節(jié)以及合理的超範(fàn)圍能力。

要達(dá)到控制對(duì)設(shè)計(jì)人員來說並不容易，因?yàn)槿囫R達(dá)電子需要在電流分流間，取得來自高電壓共模訊號(hào)的隔離式類比訊號(hào)回授。除此之外，高動(dòng)態(tài)隔離電壓必須在寬廣的環(huán)境溫度範(fàn)圍內(nèi)維持一致。

要在眾多應(yīng)用中達(dá)到精密的三相感應(yīng)AC馬達(dá)控制，解決方法就是利用電流感測(cè)電路以及隔離式類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器 (ADC) 功能，例如隔離式調(diào)變器。此ADC功能可在AC馬達(dá)控制應(yīng)用的電流分流電阻之間，針對(duì)切換式功率逆變器的高電壓訊號(hào)提供擷取機(jī)制。

本文將探討在達(dá)到精密AC馬達(dá)控制時(shí)所衍生的相關(guān)問題，並說明為何隔離式類比回授是這種應(yīng)用的良好選擇。接著會(huì)介紹來自Analog Devices的隔離式三角積分調(diào)變器，以及適用於調(diào)變器輸出訊號(hào)的sin px/px或 sinc數(shù)位濾波器，藉此產(chǎn)生16位元 ADC 字組並運(yùn)用其隔離式屏障的優(yōu)勢(shì)。

三相感應(yīng)AC馬達(dá)介紹

高效能伺服馬達(dá)的主要特性在於能順暢地從轉(zhuǎn)動(dòng)到失速、完全控制失速時(shí)的扭力，以及迅速的加速與減速。高效能馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常會(huì)使用三相AC馬達(dá)(圖1)。這些機(jī)器會(huì)取代DC馬達(dá)的首選地位，因?yàn)榫哂械蛻T性、高輸出功率對(duì)重量比、堅(jiān)固結(jié)構(gòu)，以及良好的高轉(zhuǎn)速效能。

圖1 : 工業(yè)用三相感應(yīng) AC 馬達(dá)的左邊有輸出轉(zhuǎn)動(dòng)軸，頂端有電氣接線盒。(source：Leroy-Somer)

可利用向量控制原理(亦稱為磁場(chǎng)導(dǎo)向控制)，來控管這些AC馬達(dá)。絕大多數(shù)現(xiàn)代化高效能驅(qū)動(dòng)器都以數(shù)位方式實(shí)作閉迴路電流控制。在此系統(tǒng)中，可達(dá)到的閉迴路頻寬需視運(yùn)算密集的向量控制演算法執(zhí)行率，以及相關(guān)向量旋轉(zhuǎn)的即時(shí)運(yùn)作而定。此運(yùn)算負(fù)擔(dān)需要數(shù)位訊號(hào)處理器(DSP)來實(shí)作sinc數(shù)位濾波器以及嵌入式馬達(dá)及向量控制機(jī)制。DSP的運(yùn)算能力可達(dá)到快速的週期時(shí)間以及閉迴路電流控制頻寬。

這些機(jī)器的完整電流控制機(jī)制也需要脈寬調(diào)變(PWM)高電壓產(chǎn)生機(jī)制，以及高解析度ADC來測(cè)量馬達(dá)電流。順暢的控制扭力歸零速度，以及轉(zhuǎn)子位置回授的維持對(duì)於現(xiàn)代化向量控制器來說不可或缺。在此我們將說明針對(duì)三相AC馬達(dá)實(shí)作高效能ADC時(shí)背後的基本原理，就是將16位元隔離式類比數(shù)位調(diào)變器及整合式DSP控制器結(jié)合強(qiáng)大的DSP核心及靈活的數(shù)位sinc濾波器生成。

隔離策略

高效能三相AC馬達(dá)需要順暢地從轉(zhuǎn)動(dòng)到失速、完全控制失速時(shí)的扭力，以及迅速的加速與減速。馬達(dá)速度能以傳感器測(cè)量，扭力則透過相位電流測(cè)量，會(huì)直接控制隔離式閘極驅(qū)動(dòng)器(圖2)。

圖2 : 此三相馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng) (U、V、W) 具有 FET 逆變器電晶體可驅(qū)動(dòng)馬達(dá)及電流感測(cè)電阻 RS，以便感測(cè)電流強(qiáng)度。(source：Analog Devices)

圖2中的感測(cè)電阻RS會(huì)擷取馬達(dá)的繞組電流。16位元轉(zhuǎn)換會(huì)採(cǎi)用這些訊號(hào)來動(dòng)態(tài)測(cè)量馬達(dá)的扭力。霍爾效應(yīng)感測(cè)器會(huì)擷取馬達(dá)的位置。此系統(tǒng)會(huì)隨著時(shí)間同時(shí)擷取扭力與位置。

要供電給三相馬達(dá)控制系統(tǒng)前，要瞭解一個(gè)重大的參考電壓?jiǎn)栴}。電源板上有逆變器級(jí)且控制板上有處理器時(shí)，隔離會(huì)是關(guān)鍵難題。這兩個(gè)板件的接地參考有所不同，因此需要隔離產(chǎn)品來保護(hù)裝置以及使用者，以免受到潛在破壞與傷害。

三相AC馬達(dá)共模閘極驅(qū)動(dòng)器電壓可高達(dá)600 V以上，而IGBT逆變器的脈寬調(diào)變(PWM)切換頻率大於 20 kHz，上升時(shí)間則為每奈秒(ns) 25 V。這些電壓與上升時(shí)間特性都需要隔離裝置來保護(hù)惡劣環(huán)境中的敏感電路。馬達(dá)電流的感測(cè)相當(dāng)重要且僅可對(duì)系統(tǒng)造成最低干擾。針對(duì)三相馬達(dá)選用的感測(cè)器是極小型的感測(cè)電阻(RS)。隔離式系統(tǒng)亦可提升馬達(dá)控制系統(tǒng)的雜訊耐受度。

隔離式系統(tǒng)可因應(yīng)兩大設(shè)計(jì)疑慮：極高的橋接共模電壓以及馬達(dá)電流 (IU、IV、IW) 的擷取。在圖3中，Analog Devices的ADuM7701三角積分隔離式±250 mV輸入調(diào)變器可將來自二次側(cè)的數(shù)位訊號(hào)提供到一次側(cè)。

圖3 : 此三相AC馬達(dá)電路採(cǎi)用ADuM7701磁性隔離式三角積分調(diào)變器來擷取馬達(dá)電流強(qiáng)度，並使用ADSP-CM408F DSP來實(shí)作sinc濾波器並評(píng)估馬達(dá)的狀態(tài)。(source：Analog Devices)

工作溫度介於攝氏-40度至125度，在隔離屏障間具有每毫秒(ms)10 kV的高共模暫態(tài)耐受能力。ADuM7701隔離側(cè)電力介於4.5至5.5 V，而ADSP-CM408F DSP晶片能以3.3 V工作。此系統(tǒng)可克服將電流分流電阻(RS)間出現(xiàn)的類比切換式功率逆變器高電壓共模訊號(hào)隔離的難題。

要判定圖3中的IV與IW分流電阻(RS)值，需視指定的電壓、電流與電源應(yīng)用需求而定。小電阻可將功率耗散降至最低，但可能無法運(yùn)用ADuM7701的完整輸入範(fàn)圍。更高值的電阻可運(yùn)用完整的ADC輸入範(fàn)圍效能，因此能達(dá)到最大的訊噪比(SNR)效能。選定的最終值其實(shí)是在準(zhǔn)確度與低功率耗散之間折衷的結(jié)果。

ADuM7701調(diào)變器指定的最大輸入電壓為±250 mV。RS必須低於VMOD_PEAK/ICC_PEAK ，以符合這些限制。以圖 3為例，若功率級(jí)的峰值電流額定值為8.5 A，最大分流電阻則為29.4微歐姆。

三角積分調(diào)變器的運(yùn)作

ADuM7701的前端為二階調(diào)變器，具有-0.2 V至+0.8 V的輸入共模範(fàn)圍。二階三角積分調(diào)變器電路含有兩個(gè)類比積分(積分器)級(jí)搭配兩個(gè)類比三角(減法器)級(jí)。此組合的輸出會(huì)跟參考電壓(如接地)進(jìn)行比對(duì)，以產(chǎn)生1位元數(shù)位輸出的時(shí)脈(圖4)。

圖4 : ADuM7701的前端由一個(gè)二階三角積分調(diào)變器組成，其結(jié)合兩個(gè)類比積分 (積分器) 級(jí)搭配兩個(gè)類比三角 (減法器) 級(jí)。(source：Analog Devices)

產(chǎn)生的1位元串流時(shí)脈會(huì)傳送到數(shù)位／降頻器濾波器，也會(huì)回饋到數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器，然後再到類比減法器級(jí)。為了達(dá)到最佳的ADC整體效能，訊號(hào)會(huì)結(jié)合ADSP-CM408F以產(chǎn)生sinc濾波器，將調(diào)變器的訊號(hào)轉(zhuǎn)換成可完整運(yùn)作的16位元字組。調(diào)變器的1位元代碼具有立即性，因此可提供即時(shí)的超限狀態(tài)。完整系統(tǒng)可轉(zhuǎn)換電阻感測(cè)的馬達(dá)電橋臂電流，以提供適當(dāng)?shù)鸟R達(dá)扭力資訊。

數(shù)位濾波器

ADuM7701調(diào)變器的輸出連接到ADSP-CM408F數(shù)位濾波器的一次、二次與時(shí)脈輸出。一次訊號(hào)路徑會(huì)接續(xù)到sinc／降頻濾波器模組。二次訊號(hào)路徑有超限比較器，可快速偵測(cè)系統(tǒng)故障情況。

調(diào)變器的頻率(5 MHz至21MHz)(fM)，以及降頻率(D)會(huì)決定sinc濾波器的效能。sinc濾波器的階層 (O)比調(diào)變器更高一階。因此，若有ADuM7701，sinc濾波器則為第三階。

將降頻頻率與馬達(dá)的 PWM 切換頻率匹配，即可大幅降低 PWM 切換諧波。圖 5 的頻率響應(yīng)指出，即便頻率是降頻頻率 (fM/D) 數(shù)倍的情況下也有歸零情況。

圖5 : 三階 sinc 數(shù)位濾波器振幅反應(yīng)。(source：Analog Devices)

結(jié)論

高效能的三相AC馬達(dá)需要順暢地從轉(zhuǎn)動(dòng)到失速、完全控制失速時(shí)的扭力，以及迅速的加速與減速。要達(dá)到此馬達(dá)控制任務(wù)，就需要即時(shí)測(cè)量馬達(dá)的扭力、位置及故障前況。設(shè)計(jì)人員的難題在於，要瞭解 AC 馬達(dá)的精細(xì)要求、選擇隔離策略、選擇適當(dāng)?shù)娜欠e分負(fù)竟，並實(shí)作sinc數(shù)位濾波器。

使用隔離式調(diào)變器與混合式訊號(hào)控制處理器，如Analog Devices的ADuM7701與ADSP-CM408，設(shè)計(jì)人員就可打造高精密、完備的馬達(dá)控制系統(tǒng)，適用於水泵、鍋爐泵、研磨機(jī)與壓縮機(jī)。

（本文作者Rich Miron任職於Digi-Key公司）