如何增強(qiáng)工業(yè)電機(jī)控制性能的方法

隔離用戶及敏感電子部件是電機(jī)控制系統(tǒng)的重要考慮事項(xiàng)。安全隔離用于保護(hù)用戶免受有害電壓影響，功能隔離則專門用來保護(hù)設(shè)備和器件。電機(jī)控制系統(tǒng)可能包含各種各樣的隔離器件，例如：驅(qū)動電路中的隔離式柵極驅(qū)動器；檢測電路中的隔離式ADC、放大器和傳感器；以及通信電路中的隔離式SPI、RS-485、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器。無論是出于安全原因，還是為了優(yōu)化性能，都要求精心選擇這些器件。

雖然隔離是很重要的系統(tǒng)考慮，但它也存在缺點(diǎn)：會提高功耗，跨過隔離柵傳輸數(shù)據(jù)會產(chǎn)生延遲，而且會增加系統(tǒng)成本。系統(tǒng)設(shè)計師傳統(tǒng)上求助于光隔離方案，多年來，它是系統(tǒng)隔離的最佳選擇。

最近十年來，基于磁性(變壓器傳輸)方法的數(shù)字隔離器提供了一種可行且在很多時候更優(yōu)越的替代方案；從系統(tǒng)角度考慮，它還具備系統(tǒng)設(shè)計師可能尚未認(rèn)識到的優(yōu)點(diǎn)。接下來介紹兩種隔離解決方案，重點(diǎn)論述磁隔離對延遲時序性能的改善，以及由此給電機(jī)控制應(yīng)用在系統(tǒng)層面帶來的好處。

隔離方法

光耦利用光作為主要傳輸方法，如圖1所示。發(fā)送側(cè)包括一個LED，高電平信號開啟LED，低電平信號關(guān)閉LED。接收側(cè)利用光電檢測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換回電信號。隔離由LED與光電檢測器之間的塑封材料提供，但也可利用額外的隔離層(通?；?a href="http://ttokpm.com/article/zt/" target="_blank">聚合物)予以增強(qiáng)。

圖1. 光耦結(jié)構(gòu)

光耦的最大缺點(diǎn)之一是：LED老化，會使傳輸特性漂移；設(shè)計人員必須考慮這一額外問題。LED老化導(dǎo)致時序性能隨著時間和溫度而漂移。因此，信號傳輸和上升/下降時間會受影響，使設(shè)計復(fù)雜化，尤其是考慮到本文后面要處理的問題。

光耦的性能擴(kuò)展也是受限的。為了提高數(shù)據(jù)速率，必須克服光耦固有的寄生電容問題，該問題會導(dǎo)致功耗升高。寄生電容還會提供耦合機(jī)制，導(dǎo)致基于光耦的隔離器件的CMTI(共模瞬變抗擾度)性能劣于競爭方案。

磁隔離器(基于變壓器)已大規(guī)模應(yīng)用十多年，是光耦合器的有效替代方案。這類隔離器基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，采用磁傳輸原理，隔離層由聚酰亞胺或二氧化硅構(gòu)成，如圖2所示。低電平電流以脈沖方式通過線圈傳輸，產(chǎn)生一個磁場，磁場穿過隔離柵，在隔離柵另一側(cè)的第二線圈中感生一個電流。由于采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS結(jié)構(gòu)，其在功耗和速度方面具有明顯優(yōu)勢，而且不存在光耦合器相關(guān)的壽命偏差問題。此外，基于變壓器的隔離器的CMTI性能優(yōu)于基于光耦合器的隔離器。

圖2. 磁性變壓器結(jié)構(gòu)

基于變壓器的隔離器還允許使用常規(guī)的信號處理模塊(防止傳輸雜散輸入)和高級傳輸編解碼機(jī)制。這樣就可以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，使用不同編碼方案來優(yōu)化功耗與傳輸速率的關(guān)系，以及將重要信號更快速、更一致地傳輸?shù)礁綦x柵另一端。

延遲特性比較

所有隔離器的一個重要但常常被輕視的特性是其傳輸延遲。此特性衡量信號(可以是驅(qū)動信號或故障檢測信號)沿任一方向跨過隔離柵所需的時間。技術(shù)不同，傳輸延遲差別很大。通常提供的是典型延遲值，但系統(tǒng)設(shè)計師特別關(guān)注最大延遲，它是設(shè)計電機(jī)控制系統(tǒng)需要考慮的重要特性。表1給出了光耦合器和磁隔離柵極驅(qū)動器的傳輸延遲和延遲偏差值示例。

表1：光耦合器和磁隔離器的典型延遲特性

如表1所示，磁隔離在最大延遲和延遲可重復(fù)性(偏差)方面優(yōu)勢明顯。這樣，電機(jī)控制設(shè)計人員對設(shè)計將更有信心，無需增加時序裕量以滿足柵極驅(qū)動器特性。對于電機(jī)控制系統(tǒng)的性能和安全，這都有著非常重要的意義。

對電機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)影響

圖3顯示了交流電機(jī)控制應(yīng)用中采用的典型三相逆變器。該逆變器由直流母線供電，直流電源通常是通過二極管橋式整流器和容性/感性-容性濾波器直接從交流電源產(chǎn)生。在大部分工業(yè)應(yīng)用中，直流母線電壓在300 V至1000 V范圍內(nèi)。采用脈寬調(diào)制(PWM)方案，以5 kHz至10 kHz的典型頻率切換功率晶體管T1至T6，從而在電機(jī)端子上產(chǎn)生可變電壓、可變頻率的三相正弦交流電壓。

圖3. 電機(jī)控制應(yīng)用中的三相逆變器

PWM信號(如PWMaH和PWMaL)在電機(jī)控制器(一般用處理器和/或FPGA實(shí)現(xiàn))中產(chǎn)生。這些信號一般是低壓信號，與處理器共地。為了正確開啟和關(guān)閉功率晶體管，邏輯電平信號的電壓電平和電流驅(qū)動能力必須被放大，另外還必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而以相關(guān)功率晶體管發(fā)射極為接地基準(zhǔn)。根據(jù)處理器在系統(tǒng)中的位置，這些信號可能還需要安全絕緣。

柵極驅(qū)動器(如圖3中的GDRVaL和GDRVaH)執(zhí)行這種功能。每個柵極驅(qū)動器IC都需要一個以處理器地為基準(zhǔn)的原邊電源電壓和一個以晶體管發(fā)射極為基準(zhǔn)的副邊電源。副邊電源的電壓電平必須能夠開啟功率晶體管(通常為15 V)，并有足夠的電流驅(qū)動能力來給晶體管柵極充電和放電。

逆變器死區(qū)時間

功率晶體管有一個有限的開關(guān)時間，因此，上橋和下橋晶體管之間的脈寬調(diào)制波形中必須插入一個死區(qū)時間，如圖4所示。這是為了防止兩個晶體管意外同時接通，引起高壓直流母線短路，進(jìn)而造成系統(tǒng)故障和/或損壞風(fēng)險。死區(qū)時間的長度由兩個因素決定：晶體管開關(guān)時間和柵極驅(qū)動器傳輸延遲失配(包括失配的任何漂移)。換言之，死區(qū)時間必須考慮PWM信號從處理器到上橋和下橋柵極驅(qū)動器之間的晶體管柵極的任何傳輸時間差異。

圖4. 死區(qū)時間插補(bǔ)

死區(qū)時間會影響施加到電機(jī)的平均電壓，尤其是在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時。實(shí)際上，死區(qū)時間會帶來以下近似恒定幅度的誤差電壓：

其中，VERROR為誤差電壓，tDEAD為死區(qū)時間，tON和tOFF為晶體管開啟和關(guān)閉延遲時間，TS為PWM開關(guān)周期，VDC為直流母線電壓，VSAT為功率晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)壓降，VD為二極管導(dǎo)通電壓。

當(dāng)一個相電流改變方向時，誤差電壓改變極性，因此，當(dāng)線路電流過零時，電機(jī)線間電壓發(fā)生階躍變化。這會引起正弦基波電壓的諧波，進(jìn)而在電機(jī)中產(chǎn)生諧波電流。對于開環(huán)驅(qū)動采用的較大低阻抗電機(jī)，這是一個特別重要的問題，因?yàn)橹C波電流可能很大，導(dǎo)致低速振動、扭矩紋波和諧波加熱。

在以下條件下，死區(qū)時間對電機(jī)輸出電壓失真的影響最嚴(yán)重：

高直流母線電壓

長死區(qū)時間

高開關(guān)頻率

低速工作，特別是在控制算法未添加任何補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)驅(qū)動中

低速工作很重要，因?yàn)檎窃谶@種模式下，施加的電機(jī)電壓在任何情況下都非常低，死區(qū)時間導(dǎo)致的誤差電壓可能是所施加電機(jī)電壓的很大一部分。此外，誤差電壓導(dǎo)致的扭曲抖動的影響更有害，因?yàn)閷ο到y(tǒng)慣性的濾波只有在較高速度下才可用。

在所有這些參數(shù)中，死區(qū)時間長度是唯一受隔離式柵極驅(qū)動器技術(shù)影響的參數(shù)。死區(qū)時間長度的一部分是由功率晶體管的開關(guān)延遲時間決定的，但其余部分與傳播延遲失配有關(guān)。在這方面，光隔離器顯然不如磁隔離技術(shù)。

應(yīng)用示例

為了說明死區(qū)時間對電機(jī)電流失真的影響，下面給出了基于三相逆變的開環(huán)電機(jī)驅(qū)動的結(jié)果。

逆變器柵極驅(qū)動器采用ADI公司的磁隔離器 (ADuM4223ADuM4223)，直接驅(qū)動IR的IRG7PH46UDPBF1200VIGBT，直流母線電壓為700V，逆變器驅(qū)動開環(huán)V/f控制模式下的三相感應(yīng)電機(jī)。利用阻性分壓器和分流電阻，并結(jié)合隔離式∑–?調(diào)制器(同樣是來自ADI公司的AD7403)，分別測量線電壓和相電流。各調(diào)制器輸出的單位數(shù)據(jù)流被送至控制處理器 (ADI公司的ADSP-CM408) 的sinc濾波器，數(shù)據(jù)在其中進(jìn)行濾波和抽取后，產(chǎn)生電壓和電流信號的精確表示。

sinc數(shù)字濾波器輸出的線電壓實(shí)測結(jié)果如圖5所示。實(shí)際線電壓為10kHz的高開關(guān)頻率波形，但它被數(shù)字濾波器濾除，以便顯示我們感興趣的低頻部分。相應(yīng)的電機(jī)相電流如圖6 所示。

圖5. 實(shí)測線間電機(jī)電壓：(左)500 ns死區(qū)時間；(右)1 μs死區(qū)時間

圖6. 實(shí)測電機(jī)電流：(左)500 ns死區(qū)時間；(右)1μs死區(qū)時間

ADuM4223柵極驅(qū)動器的傳輸延遲失配為12ns，因此可以使用IGBT開關(guān)所需的絕對最短死區(qū)時間。對于IRIGBT，最短死區(qū)時間可設(shè)置為500ns。從左圖可看出，這種情況下的電壓失真極小。同樣，相電流也是很好的正弦波，因此扭矩紋波極小。右圖顯示死區(qū)時間提高到1μs時的線電壓和相電流。此值更能代表光耦合柵極驅(qū)動器的需求，因?yàn)槠鋫鞑パ舆t失配和漂移更大。電壓和電流的失真均有明顯增加。這種情況使用的感應(yīng)電機(jī)是相對較小的高阻抗電機(jī)。

在更高功率的終端應(yīng)用中，感應(yīng)電機(jī)阻抗通常要低得多，導(dǎo)致電機(jī)電流失真和扭矩紋波增加。扭矩紋波在很多應(yīng)用中都會產(chǎn)生有害影響，例如：電梯乘坐舒適度下降或機(jī)械系統(tǒng)中的軸承/聯(lián)軸器磨損。

過流關(guān)斷

現(xiàn)代柵極驅(qū)動器的另一個重要問題是處理器發(fā)出的關(guān)斷命令能以多快的速度在IGBT上實(shí)現(xiàn)。這對于以下情況中的過流關(guān)斷很重要：過流檢測不是柵極驅(qū)動器本身的一部分，而是作為檢測與濾波電路的一部分加以實(shí)現(xiàn)。這方面的另一個壓力是更高效率IGBT的短路耐受時間縮短。對此，IGBT技術(shù)的趨勢是從業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)10μs縮短到5μs甚至更短。如圖7所示，過流檢測電路通常需要數(shù)微秒時間來鎖存故障；為了順應(yīng)總體發(fā)展趨勢，必須采取措施來縮短這一檢測時間。該路徑中的另一主要因素是從處理器/FPGA輸出到IGBT柵極(柵極驅(qū)動器)的傳播延遲。

同樣，磁隔離器相對于光學(xué)器件有明顯優(yōu)勢，原因是前者的傳播延遲值非常小，通常在50ns左右，不再是影響因素。相比之下，光耦合器的傳播延遲在500ns左右，占到總時序預(yù)算的很大一部分。

圖7. 故障關(guān)斷時序

電機(jī)控制應(yīng)用的柵極驅(qū)動器關(guān)斷時序如圖8所示，其中處理器的關(guān)斷命令跟在IGBT柵極發(fā)射極信號之后。從關(guān)斷信號開始到IGBT柵極驅(qū)動信號接近0的總延遲僅有72 ns。

圖8. 過流關(guān)斷柵極驅(qū)動器時序

小結(jié)

隨著人們更加關(guān)注系統(tǒng)性能、效率和安全，電機(jī)控制架構(gòu)師在設(shè)計穩(wěn)健系統(tǒng)時面臨著日益復(fù)雜的挑戰(zhàn)?；诠怦詈掀鞯臇艠O驅(qū)動器是傳統(tǒng)選擇，但基于變壓器的解決方案不僅在功耗、速度、時間穩(wěn)定性上更具優(yōu)勢，而且如本文所述，由于信號延遲縮短，其在系統(tǒng)性能和安全方面也有明顯優(yōu)勢。這使得設(shè)計人員可以在防止上橋和下橋開關(guān)同時接通的同時，有把握地縮短死區(qū)時間，改善系統(tǒng)性能。

此外，它還支持對系統(tǒng)命令和錯誤作出更快速的響應(yīng)，這同樣能增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性并提高安全性。鑒于這些優(yōu)勢，基于變壓器的隔離式柵極驅(qū)動器已成為電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的一個主要選擇；強(qiáng)烈建議系統(tǒng)設(shè)計人員在設(shè)計下一個項(xiàng)目時，把器件延遲作為一項(xiàng)重要要求。

責(zé)任編輯：彭菁