Usar ADC de aislamiento fiable para controlar eficazmente los motores de inducción trifásica

Los motores de CA de inducción trifásica producen energía mecánica para casi el 80% de las aplicaciones industriales al proporcionar una eficiencia extremadamente alta y características de resistencia al medio ambiente. Se necesita un control efectivo de estos motores para hacer frente a los problemas de cargas más pesadas como bombas de agua, bombas de calderas, rectificadoras y compresores que requieren pares de arranque más altos, una buena regulación de la velocidad y una capacidad de sobrealimentación razonable.

Este control es un desafío para los diseñadores, ya que la electrónica del motor trifásico requiere una retroalimentación de señal analógica aislada a través de las derivaciones de corriente de las señales de alto voltaje, en modo común. Además, los altos voltajes de aislamiento dinámico deben mantenerse en un amplio rango de temperatura ambiente.

La solución para el control preciso de motores de CA de inducción trifásica para muchas aplicaciones reside en los circuitos de detección de corriente y en las funciones aisladas del convertidor analógico-digital (ADC), como un modulador aislado. Esta función ADC crea un mecanismo de captura para la señal de alto voltaje del inversor de potencia de conmutación a través de una resistencia de derivación de corriente para aplicaciones de control de motores de CA.

Este artículo trata los problemas asociados con el logro de un control preciso del motor de CA y por qué la retroalimentación analógica aislada es una buena opción para este tipo de aplicación. A continuación, se presenta un modulador sigma-delta aislado de Analog Devices, así como un filtro digital sin px/px, o sinc, para que la señal de salida del modulador cree una palabra ADC de 16 bits aprovechando su barrera de aislamiento.

Presentación del motor de CA de inducción trifásica

Las características principales del servomotor de alto rendimiento son tener una rotación suave hasta la parada, control total del par en la parada y rápidas desaceleraciones y aceleraciones. Los sistemas de accionamiento por motor de alto rendimiento suelen utilizar motores de CA trifásicos (Figura 1). Estas máquinas sustituyen al motor de corriente continua como la máquina elegida por su baja inercia, su alta relación potencia-peso, su construcción resistente y su buen rendimiento de rotación a alta velocidad.

Figura 1: Motor industrial de inducción trifásico con el eje de rotación de la salida a la izquierda y la caja de bornes eléctricos en la parte superior. (Fuente de la imagen: Leroy-Somer)

Los principios del control vectorial, también llamado control orientado al campo, manejan estos motores de CA. La mayoría de las unidades modernas de alto rendimiento han implementado digitalmente el control de corriente de lazo cerrado. En este sistema, el ancho de banda de bucle cerrado alcanzable depende de la tasa de ejecución de los algoritmos de control de vectores computacionalmente intensivos y de la aplicación en tiempo real de las rotaciones de vectores asociadas. Esta carga computacional requiere que los procesadores de señales digitales (DSP) implementen un filtro digital sincero y los esquemas de control de motores y vectores incorporados. La potencia de cálculo del DSP permite rápidos tiempos de ciclo y anchos de banda de control de corriente de lazo cerrado.

El esquema completo de control de corriente para estas máquinas también requiere un esquema de generación de alto voltaje con modulación de ancho de pulso (PWM) y un ADC de alta resolución para la medición de las corrientes del motor. El control suave del par a velocidad cero, el mantenimiento de la retroalimentación de la posición del rotor es esencial para los controladores vectoriales modernos. Aquí, describimos los principios fundamentales para implementar un ADC de alto rendimiento para motores de CA trifásicos, combinando un modulador analógico-digital aislado de 16 bits y un controlador DSP integrado con un potente núcleo DSP y una generación flexible de filtro sincro digital.

Estrategia de aislamiento

Los motores trifásicos de alto rendimiento necesitan una rotación suave hasta la parada, control total del par en la parada y aceleraciones y desaceleraciones rápidas. La medición de la velocidad del motor con transductores, y el par con corrientes de fase, controlan directamente los conductores de las puertas aisladas (Figura 2).

Figura 2: Este sistema conductor de motor trifásico (U, V y W) tiene transistores inversores FET para accionar el motor, y resistencias de medición de corriente,_RS, para detectar las magnitudes de la corriente. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Las resistencias sensoriales,_RS, en la figura 2, capturan la corriente del motor. Una conversión de 16 bits utiliza estas señales para medir dinámicamente el par del motor. El sensor de efecto Hall capta la posición del motor. Este sistema captura tanto el par de torsión como la posición a lo largo del tiempo.

Hay importantes problemas de referencia de voltaje para entender cuando se alimenta un sistema de control de motores trifásicos. El aislamiento es un desafío crucial con la etapa de inversión en la placa de potencia y el procesador en la placa de control. Las referencias de tierra de estas dos placas difieren, por lo que se requieren productos de aislamiento para proteger los dispositivos y los usuarios de posibles daños y perjuicios.

El voltaje del excitador de puerta en modo común de un motor de CA trifásico puede llegar a ser de 600 voltios o más, con la conmutación de modulación de ancho de pulso (PWM) superior a 20 kilohercios (kHz) y tiempos de subida de 25 voltios por nanosegundo (ns) para los inversores IGBT. Estas características de voltaje y tiempo de subida requieren dispositivos de aislamiento para proteger los circuitos sensibles en este ambiente hostil. La detección de las corrientes al motor es esencial con una mínima interferencia del sistema. El sensor elegido para el motor trifásico es una resistencia sensorial extremadamente pequeña (_RS). El sistema aislado también mejora la inmunidad al ruido en el sistema de control del motor.

Los sistemas aislados atienden a dos áreas principales de preocupación en el diseño: los voltajes extremadamente altos del puente en modo común y la captura de las corrientes motoras (_IU,_IV y I_W). En la figura 3, el modulador de entrada ADuM7701 de Analog Devices con aislamiento sigma-delta de ±250 milivoltios (mV) proporciona la señal digital del lado secundario al lado primario.

Figura 3: Este circuito trifásico de motor de CA utiliza el modulador sigma-delta con aislamiento magnético ADuM7701 para capturar las magnitudes de corriente del motor y el ADSP-CM408F DSP para implementar filtros sinceros y evaluar la condición del motor. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Su temperatura de funcionamiento es de -40 °C a 125 °C, con una alta inmunidad transitoria en modo común de 10 kilovoltios (kV) por microsegundo (ms) a través de la barrera de aislamiento. La potencia lateral aislada del ADuM7701 es de 4.5 a 5.5 voltios, mientras que el chip DSP ADSP-CM408F funciona a 3.3 voltios. Este sistema supera la dificultad de aislar la señal común de alto voltaje del inversor de potencia de conmutación analógica que aparece a través de las resistencias de derivación de corriente (_RS).

La determinación de los valores de los resistores en derivación (_RS) I_V y I_W de la figura 3 depende de los requisitos específicos de la aplicación de voltaje, corriente y potencia. Las pequeñas resistencias minimizan la disipación de energía, pero pueden no utilizar todo el rango de entrada del ADuM7701. Las resistencias de mayor valor logran el máximo rendimiento de la relación señal-ruido (SNR) utilizando todo el rango de entrada de rendimiento del ADC. Los valores finales elegidos son un compromiso entre la precisión y la baja disipación de energía.

El voltaje de entrada máximo especificado del modulador ADuM7701 es de ±250 mV. La R_S debe ser menor que _{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK} para cumplir estas restricciones. Para el ejemplo de la figura 3, si la corriente máxima de la etapa de potencia es de 8.5 amperios (A), la resistencia máxima de la derivación es de 29.4 miliohms (mΩ).

Operación del modulador Sigma-Delta

La parte delantera del ADuM7701 es un modulador de segundo orden con un rango de entrada en modo común de -0.2 voltios a +0.8 voltios. El circuito modulador sigma-delta de segundo orden contiene dos etapas analógicas sigma (integrador) con dos etapas analógicas delta (sustractor). La salida de esta combinación se compara con un voltaje de referencia, como el de tierra, para registrar una salida digital de un bit (Figura 4).

Figura 4: La parte delantera del ADuM7701 comprende un modulador sigma-delta de segundo orden que combina dos etapas analógicas sigma (integrador) con dos etapas analógicas delta (sustractor). (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El flujo de 1 bit cronometrado se presenta a un filtro digital/decimador, así como se retroalimenta a un convertidor digital-analógico y luego a las etapas de sustracción analógica. Para lograr el mejor rendimiento general del ADC, la señal se combina con el ADSP-CM408F para crear un filtro sincero que convierte la señal del modulador en una palabra de 16 bits totalmente operativa. La inmediatez del código de 1 bit del modulador proporciona condiciones de sobre alcance instantáneo. El sistema completo convierte las corrientes de las patas motoras detectadas por resistividad para proporcionar la información apropiada del par motor.

Filtro digital

La salida del modulador ADuM7701 se conecta a las entradas primarias, secundarias y de reloj del filtro digital ADSP-CM408F. La ruta de la señal primaria procede al módulo del filtro de sinc/diezmado. La ruta de la señal secundaria tiene comparadores de rango excesivo para detectar rápidamente una condición de fallo del sistema.

La frecuencia del modulador (5 megahercios (MHz) a 21 MHz de reloj (f_M) y la tasa de diezmado (D) definen el rendimiento del filtro sinc. El orden del filtro sinc (O) es un orden más alto que el del modulador. Por lo tanto, con el ADuM7701 el filtro sinc es de tercer orden. La ecuación 1 muestra la respuesta de frecuencia del filtro.

 Ecuación 1

Igualar la frecuencia de diezmado con la frecuencia de conmutación PWM del motor reduce significativamente las armónicas de conmutación PWM. La respuesta de frecuencia de la figura 5 tiene ceros en frecuencias que son incluso múltiplos de la frecuencia de diezmado (f_M/D).

Figura 5: Respuesta de amplitud del filtro digital sinc de^{tercer orden}. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Conclusión:

Los motores trifásicos de alto rendimiento requieren una rotación suave hasta la parada, un control total del par en la parada y rápidas desaceleraciones y aceleraciones. Realizar esta tarea de control del motor requiere mediciones en tiempo real del par, la posición y las condiciones de fallo del motor. El desafío del diseñador es entender los requisitos de precisión del motor de CA, seleccionar una estrategia de aislamiento, elegir un trayecto sigma-delta apropiado e implementar un filtro digital sincero.

Utilizando un modulador aislado y un procesador de control de señal mixta como el ADuM7701 y el ADSP-CM408 de Analog Devices, los diseñadores pueden crear un sistema de control de motor robusto y de alta precisión para bombas de agua, bombas de calderas, máquinas de molienda y compresores.