Патрик Салливан, Денис Кобасевич

    Для работы замкнутых систем управления электродвигателями и защиты от перегрузок необходимо точное измерение фазовых токов драйверов двигателей. Традиционный метод получения таких сигналов использование схем на дискретных элементах с датчиками на эффекте Холла. Недорогой альтернативой является новый оптрон, обеспечивающий также повышение степени интеграции и точности измерений.
    Измерение тока с помощью резистивных шунтов дает такие преимущества, как высокая точность, дешевизна и малые размеры. Однако, этот метод имеет недостатки при наличии больших напряжений синфазного сигнала, что наблюдается при измерении фазовых токов драйверов электродвигателей. Для устранения влияния сильных синфазных помех необходимо электрически изолировать цепь измерительного шунта от микроконтроллера. Эта задача может быть решена просто и эффективно при использовании изолирующего усилителя. Помимо гальванической развязки, такой усилитель обеспечивает электробезопасность, что также является важным требованием для многих применений.
    Новейшей разработкой компании HEWLETT PACKARD в этой области является датчик тока на основе усилителя с оптической развязкой HCPL-788J (рис. 1). Основным назначением прибора является измерение параметров токовых сигналов в инверторах приводов электродвигателей. HCPL-788J вырабатывает сигнал обратной связи по току и сигнал обнаружения токовой перегрузки, для чего используется комбинация аналоговой и цифровой обработки сигнала.

Рис. 1 Новый оптрон выполняет целый ряд функций, необходимых для измерения токов при управлении электродвигателем

Высокая степень интеграции

    Прибор HCPL-788J выполнен с использованием оптической развязки и включает в себя две КМОП ИС размером 0,8 мм и высокоэффективный AlGaAs СИД. Низкопрофильный корпус SO-16 позволяет получить высокую степень интеграции и весьма компактную конструкцию. Применение поверхностного монтажа обеспечивает высокую производительность и низкие затраты при сборке, что особенно важно при изготовлении модулей интеллектуального управления питанием (IPM) на изолированных металлических подложках, когда монтаж в отверстия просто невозможен.
    Для исключения влияния возможных изменений характеристик оптического канала передачи на смещение и коэффициент усиления, сигнал низкого напряжения с шунта (от -200 до +200 мВ) преобразуется с использованием сигма-дельта (SD) модулятора, кодируется и передается в цифровом виде по оптическому каналу в ИС детектора, где он преобразуется обратно в аналоговую форму с помощью ЦАП.

Высокая точность измерений

    Подавляющее большинство систем управления электродвигателями выполнено на основе цифровой технологии. По определению, точность измерения датчика тока это количество значащих бит на выходе АЦП системы. На практике некоторые ошибки измерения,влияющие на итоговую точность, менее значимы для характеристик всей системы, так как их можно исключить при калибровке. Примером могут служить статическое смещение и отклонение коэффициента усиления. К параметрам, которые труднее поддаются калибровке, относятся дрейф коэффициента усиления, дрейф напряжения смещения и нелинейность. Требуемая точность может быть обеспечена только при минимизации этих погрешностей в схеме датчика тока, что и было одной из важнейших целей при разработке прибора HCPL-788J. Пример этого исключительно низкая величина дрейфа напряжения смещения (5х10-6)/oC и малое значение дрейфа коэффициента усиления (50х10-6)/oC (таблица).

Таблица. Характеристики HPCL-788J

    Рассматривая суммарную точность измерений для традиционных схемных решений датчиков тока, следует учесть, что на эту величину значительное влияние могут оказывать цепи прохождения сигнала от датчика тока до АЦП (рис. 2).
    Как правило, выходной сигнал датчика тока является биполярным: как в случае дискретных схем на основе токовых измерительных преобразователей на эффекте Холла, так и при использовании усилителей с оптической развязкой. Однако, вход большинства АЦП, в частности, встроенных в микроконтроллеры, обычно униполярный по своей природе. Для преобразования биполярного сигнала в униполярный требуется использовать схему сдвига уровня на операционном усилителе, которая вносит свой вклад в общую погрешность в виде напряжения смещения и отклонения коэффициента прибор HCPL-788J, результатом чего явилось общее повышение точности и снижение необходимого количества дискретных компонентов. Выходной сигнал ЦАП пропорционален величине опорного напряжения АЦП системы VREF, что исключает зависимость точности от величины VREF. По постоянному напряжению выходной сигнал смещен на уровень 0,5 VREF.
    Для снижения потерь мощности желательно уменьшать время переключения биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), что приводит к росту значения производной dv/dt напряжения синфазного сигнала при переходном процессе. Все изолирующие управляющие схемы, такие как драйверы затвора и датчики тока, должны быть устойчивы к этому уровню dv/dt, независимо от того, какая среда используется для передачи сигнала. Причиной сбоев при воздействии высоких значений dv/dt является протекание тока по паразитной емкости на границе изолирующей области. Особенно чувствительны к синфазным переходным процессам датчики тока магнитного типа вследствие относительно высокой паразитной емкости между первичными и вторичными обмотками и датчиком.
    Для оптронов наиболее важным фактором, влияющим на устойчивость к синфазным помехам, является паразитная емкость между входными цепями и ИС детектора. Величина этой емкости представляет собой лишь малую долю суммарной емкости между входной и выходной цепями, однако, вследствие высокого коэффициента усиления в схеме детектора она является важнейшим фактором, который может ограничить способность оптрона противостоять воздействию синфазных помех.
    Для устранения этого недостатка в оптронах для систем управления и контроля двигателей применяют патентованную технологию экранирования ИС, которая позволяет резко повысить эффективность ослабления синфазного сигнала. Для HCPL-788J получено типовое значение показателя эффективности подавления синфазного сигнала 25 кВ/мкс.

Рис. 2 Типичная схема использования HCPL-788J

Обнаружение неисправностей

    Одним из главных требований к схеме обнаружения неисправностей является высокое быстродействие, однако, важно также и отсутствие ложных срабатываний. Они могут возникать вследствие наложения шумовых помех на измеряемый токовый сигнал, в частности, из-за большой величины производной тока di/dt в момент переключения.
    Наличие паразитной емкости между обмоткой двигателя и землей и емкости соединительного кабеля вызывает протекание большого зарядного тока (di/dt) при переходных процессах нарастания и спада сигнала во время каждого переключения. При использовании длинных кабелей между инвертором и двигателем либо экранированных кабелей для подавления радиопомех суммарная емкость относительно земли становится еще больше. Обычно высокие значения производной зарядного тока di/dt не вызывают проблем в измерительных схемах, так как эти всплески могут быть легко отфильтрованы, однако, они могут нарушать нормальную работу схем обнаружения неисправностей. По этой причине во многих случаях на входе схемы обнаружения неисправностей необходима фильтрация, которая, к сожалению, увеличивает время задержки срабатывания схемы. Альтернативой фильтрации является использование схемы импульсного дискриминатора, эффективно подавляющей влияние всплесков di/dt.
    Преимущество этого метода состоит в том, что подавление не зависит от амплитуды помех. Именно этот подход использован во встроенной схеме обнаружения неисправностей прибора HCPL-788J. Для повышения быстодействия эта схема функционирует параллельно с измерительной. Превышение положительного или отрицательного порогов определяется двумя компараторами, с выхода которых сигнал поступает на запирающие фильтры. В случае обнаружения сбоя передача данных по оптическому каналу прерывается на 2 мкс, и поток битов заменяется последовательностью кодов ошибки.
    Декодер детектора немедленно распознает такой сигнал как ошибку кодирования и выдает выходной сигнал неисправности. Суммарное время реакции на неисправность, измеряемое от момента превышения порога до выдачи выходного сигнала неисправности, составляет 3,4 мкс, из которых 2 мкс относятся к внутренней схеме импульсного дискриминатора.

Обнаружение перегрузки

    Состояние перегрузки возникает в том случае, когда ток двигателя превышает номинальный ток драйвера, но не настолько, чтобы инвертор или двигатель подвергались опасности мгновенного повреждения. Кроме номинальных значений токов инвертора задаются также значения при перегрузке, которые допускаются в течение короткого промежутка времени до наступления перегрева. Прибор HCPL-788J вырабатывает вспомогательный выходной сигнал ABSVAL (абсолютное значение), использование которого упрощает обнаружение состояния перегрузки.

Рис. 3 Синусоидальный отклик HCPL-788J

Рис. 4 Сравнение показателей для различных схем датчиков тока

    Сигнал ABSVAL пропорционален абсолютной величине входного сигнала (рис. 3). Выходы ABSVAL нескольких приборов могут быть соединены вместе по схеме "проводного ИЛИ". При объединении трех синусоидальных сигналов от трех фаз выпрямленный выходной сигнал представляет собой напряжение, близкое к постоянному и пропорциональное эффективному значению (RMS) суммарного тока электродвигателя. С помощью компаратора этот сигнал может быть легко использован для сигнализации возникновения состояния перегрузки. На рис. 4 представлены результаты сравнения показателей традиционных схем датчиков тока и схемы с использованием оптрона.

"Хьюлетт-Паккард",
Беблинген, Германия