El aislamiento de usuarios y componentes electrónicos confidenciales es una consideración importante para los sistemas de control de motores. El aislamiento de seguridad se utiliza para proteger a los usuarios de voltajes dañinos, mientras que el aislamiento funcional está específicamente diseñado para proteger equipos y dispositivos. Los sistemas de control de motor pueden contener una amplia variedad de dispositivos de aislamiento, como los controladores de puerta aislados en los circuitos de transmisión; ADC, amplificadores y sensores aislados en los circuitos de detección; y SPI aislado, RS -485 y aisladores digitales estándar en circuitos de comunicación. Se requiere una selección cuidadosa de estos dispositivos, tanto por razones de seguridad como para optimizar el rendimiento.
Si bien el aislamiento es una consideración importante del sistema, tiene inconvenientes: puede aumentar el consumo de energía, la transmisión de datos a través de las barreras de aislamiento crea retrasos y puede aumentar el costo del sistema. Los diseñadores de sistemas han recurrido tradicionalmente a soluciones de aislamiento óptico, que durante muchos años fueron la mejor opción para el aislamiento del sistema.
En la última década, los aisladores digitales basados en métodos magnéticos (transferencia de transformadores) han proporcionado una alternativa viable y en muchos casos superior; Desde una perspectiva del sistema, también ofrecen ventajas que los diseñadores de sistemas pueden no haber reconocido. A continuación se describen dos soluciones de aislamiento, centrándose en las mejoras en el rendimiento del tiempo de retraso que ofrece el aislamiento magnético y los beneficios resultantes para las aplicaciones de control motor a nivel del sistema.
Métodos de aislamiento
Los optoacopladores utilizan la luz como el método de transmisión primario, como se muestra en la Figura 1. El lado de transmisión consiste en un LED con una señal de alto nivel que enciende el LED y una señal de bajo nivel que apaga el LED. El lado receptor utiliza un fotodetector para convertir la señal de luz recibida nuevamente en una señal eléctrica. El aislamiento es proporcionado por un material plastificado entre el LED y el fotodetector, pero también se puede mejorar utilizando una capa de aislamiento adicional (generalmente a base de polímero).
Figura 1. Estructura de optoacoplador
Uno de los mayores inconvenientes de los optoacopladores es el que lideró el envejecimiento, lo que puede derivar las características de transmisión; Los diseñadores deben considerar este problema adicional. El envejecimiento liderado hace que el rendimiento de la sincronización se deriva con el tiempo y la temperatura. Como resultado, los tiempos de señalización y aumento/caída se ven afectados, lo que complica el diseño, especialmente dados los problemas que se abordarán más adelante en este documento.
La escala de rendimiento de los optoacopladores también es limitada. Para aumentar las velocidades de datos, el problema de la capacitancia parásita inherente a los optocopladores debe superarse, lo que conduce a un mayor consumo de energía. La capacitancia parasitaria también proporciona un mecanismo de acoplamiento que hace que los dispositivos de aislamiento basados en optocoupler tengan un rendimiento inferior de CMTI (inmunidad transitoria de modo común) a las soluciones competidoras.
Los aisladores magnéticos (basados en transformadores) han estado en uso a gran escala durante más de una década y son una alternativa válida a los optoacopladores. Estos aisladores se basan en la tecnología CMOS estándar y utilizan el principio de transmisión magnética, con la capa de aislamiento que consiste en poliimida o dióxido de silicio, como se muestra en la Figura 2. Una corriente de bajo nivel se transmite en pulsos a través de una bobina, generando un campo magnético, que pasa a través del barrera de aislamiento e induce una corriente en una segunda coil en la otra lado de la barrera. Debido al uso de una estructura CMOS estándar, ofrece ventajas significativas en términos de consumo de energía y velocidad, y no sufre los problemas de desviación de por vida asociados con optoacopladores. Además, el rendimiento CMTI del aislador basado en transformadores es superior al del aislador basado en optoCoupler.
Figura 2. Estructura del transformador magnético
Los aisladores basados en transformadores también permiten el uso de módulos de procesamiento de señal convencionales (para evitar la transmisión de entradas espurias) y mecanismos avanzados de códec de transmisión. Esto permite la transmisión de datos bidireccionales, el uso de diferentes esquemas de codificación para optimizar el consumo de energía versus la velocidad de transmisión, así como la transmisión más rápida y consistente de señales críticas al otro extremo de la barrera.
Comparación de características de retraso
Una característica importante pero a menudo pasada por alto de todos los aisladores es su retraso de transmisión. Esta característica mide el tiempo que lleva una señal, que puede ser una señal de accionamiento o una señal de detección de fallas, para cruzar la barrera en cualquier dirección. El retraso de la transmisión varía mucho según la tecnología. Por lo general, se proporcionan valores de retraso típicos, pero los diseñadores de sistemas están particularmente interesados en el retraso máximo, lo cual es una característica importante a considerar al diseñar un sistema de control de motor. En la Tabla 1 se dan ejemplos de retraso de transmisión y valores de desviación de retraso para optoacopladores y controladores de puerta magnéticamente aislados.
Tabla 1: Características de retraso típicas de optoacopladores y aisladores magnéticos
Como se muestra en la Tabla 1, el aislamiento magnético tiene ventajas significativas en términos de retraso máximo y repetibilidad de retraso (desviación). Como resultado, los diseñadores de control de motores tendrán más confianza en sus diseños y no necesitarán agregar márgenes de tiempo para cumplir con las características del conductor de la puerta. Esto tiene implicaciones muy importantes para el rendimiento y la seguridad de los sistemas de control motor.
Implicaciones del sistema para los sistemas de control de motor
La Figura 3 muestra un inversor trifásico típico utilizado en una aplicación de control de motor de CA. Este inversor se alimenta desde un bus de CC, donde el suministro de CC generalmente se genera directamente desde el suministro de CA a través de un rectificador de puente de diodo y un filtro capacitivo/inductivo. En la mayoría de las aplicaciones industriales, el voltaje del bus de CC está en el rango de 300
V a un rango de 1000 V. Se utiliza un esquema de modulación de ancho de pulso (PWM) para cambiar los transistores de potencia a una frecuencia típica de 5 kHz a 10
KHz frecuencia típica para cambiar los transistores de potencia T1 a T6 para generar un voltaje variable, frecuencia variable, voltaje de CA sinusoidal trifásico en los terminales del motor.
Fig. 3. Inverter trifásico para aplicaciones de control de motor
Las señales PWM (p. Ej., PWMAH y PWMAL) se generan en el controlador del motor (generalmente implementado con un procesador y/o FPGA). Estas señales son típicamente señales de bajo voltaje que son comunes en tierra con el procesador. Para activar correctamente los transistores de potencia, el nivel de voltaje y la capacidad de accionamiento de corriente de las señales de nivel lógico deben amplificarse, y además se desplaza el nivel para que la referencia de tierra esté en el polo emisor del transistor de potencia en cuestión. Dependiendo de la ubicación del procesador en el sistema, estas señales también pueden requerir aislamiento de seguridad.
Los controladores de la puerta (como GDRVAL y GDRVAH en la Figura 3) realizan esta función. Cada IC del controlador de la puerta requiere un voltaje de suministro del lado primario a la que se hace referencia a la tierra del procesador y un suministro del lado secundario mencionado al emisor del transistor. El nivel de voltaje del suministro secundario debe poder encender los transistores de energía (típicamente 15
V) y tener suficiente capacidad de accionamiento de corriente para cargar y descargar las puertas del transistor.
Inverter Hora muerta
Los transistores de potencia tienen un tiempo de conmutación finito, por lo que se debe insertar un tiempo muerto en la forma de onda de la modulación de ancho de pulso entre los transistores de puentes superior e inferior, como se muestra en la Figura 4. Esto es para evitar que ambos transistores se activen accidentalmente al mismo tiempo, causando un cortocircuito en el bus de DC de alto voltaje, que a su vez crea un riesgo de falla del sistema y/o daño. La longitud del tiempo muerto está determinada por dos factores: el tiempo de conmutación del transistor y el desajuste de retraso de la transmisión del controlador de la puerta (incluida la deriva del desajuste). En otras palabras, el tiempo muerto debe tener en cuenta cualquier diferencia en el tiempo de transmisión de la señal PWM desde el procesador hasta las puertas del transistor entre los controladores de la puerta superior e inferior del puente.
Figura 4. Interpolación de tiempo muerto
El tiempo muerto afecta el voltaje promedio aplicado al motor, especialmente a bajas velocidades. De hecho, Dead Time presenta los siguientes voltajes de error de una magnitud aproximadamente constante:
Donde verror es el voltaje de error, TDead es el tiempo muerto, TON y TOFF son los tiempos de activación del transistor y retraso de apagado, TS es el período de conmutación PWM, VDC es el voltaje del bus de CC, VSAT es la caída de voltaje en el estado del transistor de potencia y VD es el voltaje de conducción de diodo.
Cuando una corriente de fase cambia de dirección, el voltaje de error cambia de polaridad, de modo que cuando la corriente de línea cruza cero, el voltaje interlínea del motor sufre un cambio de paso. Esto causa armónicos en el voltaje fundamental sinusoidal, que a su vez genera corrientes armónicas en el motor. Este es un tema particularmente importante para los motores más grandes y de baja impedancia empleados en unidades de circuito abierto, donde las corrientes armónicas pueden ser significativas, lo que lleva a vibraciones de baja velocidad, ondulación de torque y calentamiento armónico.
El tiempo muerto tiene el efecto más grave en la distorsión del voltaje de salida del motor en las siguientes condiciones:
Voltaje de bus de DC alto
Tiempo muerto largo
Alta frecuencia de conmutación
Operación de baja velocidad, especialmente en unidades de circuito abierto donde no se agrega compensación al algoritmo de control
La operación de baja velocidad es importante porque es en este modo que el voltaje del motor aplicado es en cualquier caso muy bajo, y el voltaje de error debido al tiempo muerto puede ser una fracción significativa del voltaje del motor aplicado. Además, el efecto de la fase de distorsión debido al voltaje de error es aún más perjudicial porque el filtrado de la inercia del sistema solo está disponible a velocidades más altas.
De todos estos parámetros, la duración del tiempo muerto es el único afectado por la tecnología de controlador de puerta aislada. Parte de la longitud del tiempo muerto está determinada por el tiempo de retraso de conmutación del transistor de potencia, pero el resto está relacionado con el desajuste de retraso de propagación. A este respecto, los aisladores ópticos son claramente inferiores a la tecnología de aislamiento magnético.
Ejemplos de aplicaciones
Para ilustrar el efecto del tiempo muerto en la distorsión eléctrica motor, los resultados se dan a continuación para una unidad de motor de circuito abierto basado en un inversor trifásico.
El controlador de la puerta del inversor utiliza un aislador magnético de ADI Corporation
(ADUM4223Adum4223) para impulsar directamente el IRG7PH46UDPBF1200VIGBT de IR con un voltaje de bus CC de 700 V. El inversor impulsa un motor de inducción trifásico en el modo de control V/F de circuito abierto. El voltaje de línea y las corrientes de fase se miden por separado utilizando un divisor de voltaje resistivo y una resistencia de derivación en combinación con un modulador ∑-∆ aislado (también del ADI AD7403). La salida de flujos de datos de la unidad de cada modulador se envía a un procesador de control
(ADSP-CM408 de ADI) donde los datos se filtran y extraen para producir representaciones precisas de las señales de voltaje y corriente.
La salida de voltaje de línea medida del filtro digital SINC se muestra en la Figura 5. El voltaje de línea real es una forma de onda de frecuencia de conmutación alta a 10 kHz, pero el filtro digital se filtra para mostrar la parte de baja frecuencia de nuestro interés. Las corrientes de fase motora correspondientes se muestran en la Figura 6
Mostrado.
Fig. 5. Voltaje del motor interlínea medido: (izquierda) 500 ns tiempo muerto; (derecha) 1 µs tiempo muerto
Figura 6. Corrientes de motor medidas: (izquierda) 500 ns tiempo muerto; (derecha) 1 µs tiempo muerto
El controlador de la puerta ADUM4223 tiene un desajuste de retraso de transmisión de 12ns, de modo que se pueda usar el tiempo mínimo absoluto requerido para la conmutación IGBT. Para IRIGBTS, el mínimo de Deathtime se puede establecer en 500 ns. Como se puede ver en la figura a la izquierda, la distorsión de voltaje en este caso es mínima. Del mismo modo, las corrientes de fase son bien sinusoidales, por lo que la ondulación de torque es mínima. El gráfico correcto muestra el voltaje de línea y la corriente de fase cuando el tiempo muerto aumenta a 1 µs. Este valor es más representativo de las necesidades de un controlador de puerta ópticamente acoplado con un mayor desajuste de retraso de propagación y deriva. Hay un aumento significativo en la distorsión de voltaje y corriente. Los motores de inducción utilizados en este caso son motores relativamente pequeños y de alta impedancia.
En aplicaciones de uso final de mayor potencia, la impedancia del motor de inducción es típicamente mucho menor, lo que resulta en una mayor distorsión de la corriente del motor y la ondulación de torque. La ondulación de torque puede tener efectos perjudiciales en muchas aplicaciones, como la comodidad reducida de la conducción del elevador o el uso de rodamiento/acoplamiento en sistemas mecánicos.
Apagado por sobrecorriente
Otro tema importante para los controladores de la puerta moderna es la rapidez con que se puede realizar el comando de cierre del procesador en el IGBT. Esto es importante para el cierre de sobrecorriente en situaciones en las que la detección de sobrecorriente no es parte del controlador de la puerta en sí, sino que se implementa como parte de los circuitos de detección y filtrado. Otra presión en esta área es el acortamiento del tiempo de soporte de cortocircuito de IGBT más eficientes. En este sentido, la tendencia en la tecnología IGBT es reducir el tiempo de soporte de cortocircuito del estándar de la industria de 10 µs a 5 µs o incluso menos. Como se muestra en la Figura 7, los circuitos de detección de sobrecorriente generalmente requieren algunas microsegundos para aferrarse a una falla; Se deben tomar medidas para reducir este tiempo de detección para mantenerse al día con la tendencia general. Otro factor importante en esta ruta es el retraso de propagación del procesador/salida FPGA a la puerta IGBT (controlador de la puerta).
Una vez más, los aisladores magnéticos tienen una clara ventaja sobre los dispositivos ópticos debido al hecho de que los valores de retraso de propagación de los primeros son muy pequeños, típicamente alrededor de 50ns, y ya no son un factor de influencia. Por el contrario, el retraso de propagación de un optoacopler es del orden de 500NS y representa una porción significativa del presupuesto de sincronización total.
Figura 7. Tiempo de apagado de fallas
El tiempo de apagado del controlador de la puerta para una aplicación de control del motor se muestra en la Figura 8, donde el comando de apagado del procesador sigue la señal del emisor de la puerta IGBT. El retraso total desde el inicio de la señal de apagado hasta que se acerca la señal del controlador de la puerta IGBT 0 es solo 72 ns.
Figura 8. Tiempo del controlador de la puerta de apagado de sobrecorriente
Resumen
Con un mayor enfoque en el rendimiento del sistema, la eficiencia y la seguridad, los arquitectos de control de motor enfrentan desafíos cada vez más complejos en el diseño de sistemas robustos. Si bien los controladores de la puerta basados en optoacopler son la opción tradicional, las soluciones basadas en transformadores no solo son más ventajosas en términos de consumo de energía, velocidad y estabilidad del tiempo, sino que también, como se discutió en este documento, en términos de rendimiento y seguridad del sistema debido a retrasos de señal más cortos. Esto permite a los diseñadores reducir con confianza el tiempo muerto y mejorar el rendimiento del sistema, al tiempo que evita que los interruptores de puente superior e inferior se activen al mismo tiempo.
Además, admite una respuesta más rápida a los comandos y errores del sistema, lo que nuevamente mejora la confiabilidad del sistema y mejora la seguridad. Dadas estas ventajas, los controladores de puerta aislados basados en transformadores se han convertido en una opción importante para el diseño del sistema de control de motor; Se recomienda encarecidamente a los diseñadores de sistemas que hagan que la latencia del dispositivo sea un requisito importante al diseñar su próximo proyecto.