신뢰할 수 있는 분리 ADC를 사용하여 3상 유도 모터를 효율적으로 제어

3상 유도 AC 모터는 매우 높은 효율 및 환경적으로 견고한 특성을 제공하여 거의 80%에 달하는 산업 응용 제품을 위한 기계력을 생성합니다. 물 펌프, 보일러 펌프, 연마기, 압축기와 같이 더 높은 시동 토크, 우수한 속도 조정, 합리적인 과범위 용량을 필요로 하는 과부하 문제를 해결하려면 이러한 모터의 효율적인 제어가 필요합니다.

이 제어는 설계자에게 어려운 과제입니다. 3상 모터 전자 장치는 고전압, 공통 모드 신호로부터 전류 션트에 걸쳐 분리된 아날로그 신호 피드백을 필요로 하기 때문입니다. 또한, 넓은 주변 온도 범위에 걸쳐 높은 동적 분리 전압이 유지되어야 합니다.

여러 응용 제품에 대한 정밀 3상 유도 AC 모터 제어를 위한 솔루션은 전류 감지 회로망과 분리된 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 기능(예: 분리형 변조기)에 있습니다. 이 ADC 기능은 AC 모터 제어 응용 제품을 위한 전류 션트 저항기를 통해 스위칭 전력 인버터의 고전압 신호에 대한 캡처 메커니즘을 생성합니다.

이 기사에서는 정밀 AC 모터 제어 달성과 관련된 문제와 분리된 아날로그 피드백이 이러한 유형의 응용 제품에 적합한 옵션인 이유에 대해 설명합니다. 그런 다음 Analog Devices의 분리형 시그마-델타 변조기와, 분리 장벽의 이점을 활용하면서 16비트 ADC 워드를 생성하기 위해 변조기 출력 신호에 사용하는 sin px/px 또는 sinc, 디지털 필터를 소개합니다.

3상 유도 AC 모터 소개

고성능 서보 모터의 기본 특성은 스톨까지의 부드로운 회전, 스톨 시 토크에 대한 완벽한 제어, 빠른 감속 및 가속입니다. 고성능 모터 구동 시스템은 일반적으로 3상 AC 모터를 사용합니다(그림 1). 이러한 기계는 낮은 관성, 높은 출력대 중량 비율, 우수한 회전 고속 성능으로 인해 선택 기계로서 DC 모터를 대체합니다.

그림 1: 왼쪽에 출력 회전 샤프트가 있고 상단에 전기 단자함이 있는 산업용 3상 유도 AC 모터. (이미지 출처: Leroy-Somer)

자속 기준 제어라고도 하는 벡터 제어의 원리는 이러한 AC 모터를 관리합니다. 대부분의 최신 고성능 구동기는 디지털 방식으로 구현되는 폐루프 전류 제어 기능을 갖추고 있습니다. 이 시스템에서, 달성할 수 있는 폐루프 대역폭은 컴퓨팅 집약적 벡터 제어 알고리즘의 실행률과 연결된 벡터 회전의 실시간 구현에 따라 달라집니다. 이 컴퓨팅 작업에는 sinc 디지털 필터와 내장형 모터 및 벡터 제어 체계를 구현하기 위한 디지털 신호 프로세서(DSP)가 필요합니다. DSP의 컴퓨팅 능력은 빠른 주기 시간과 폐루프 전류 제어 대역폭을 가능하게 합니다.

이러한 기계를 위한 완전한 전류 제어 체계는 또한 펄스폭 변조(PWM) 고전압 생성 체계 및 모터 전류 측정을 위한 고분해능 ADC를 필요로 합니다. 0 속도까지 토크에 대한 부드러운 제어, 로터 위치 피드백 유지는 최신 벡터 컨트롤러에 필수입니다. 여기서, 16비트 분리형 아날로그-디지털 변조기 및 통합 DSP 컨트롤러를 강력한 DSP 코어 및 유연한 디지털 sinc 필터 생성과 결합하여 3상 AC 모터용 고성능 ADC를 구현하는 기본 원리를 설명합니다.

분리 전략

고성능 3상 AC 모터는 스톨까지의 부드로운 회전, 스톨 시 토크에 대한 완벽한 제어, 빠른 감속 및 가속을 필요로 합니다. 트랜스듀서를 사용한 모터 속도 측정 및 위상 전류를 통한 토크는 분리된 게이트 구동기를 직접 제어합니다(그림 2).

그림 2: 이 3상 모터 구동기 시스템(U, V, W)은 모터 구동을 위한 FET 인버터 트랜지스터와 전류 크기를 감지하기 위한 전류 측정 저항기 R_S를 갖추고 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 2의 감지 저항기 R_S는 모터의 전류를 캡처합니다. 16비트 변환은 이러한 신호를 사용하여 모터의 토크를 동적으로 측정합니다.  홀 효과 센서는 모터의 위치를 캡처합니다. 이 시스템은 시간 범위에 걸쳐 토크와 위치를 모두 캡처합니다.

3상 모터 제어 시스템에 전력을 공급할 때 이해해야 하는 중요한 전압 레퍼런스 문제가 있습니다. 분리는 전력 기판 상의 인버터 스테이지와 컨트롤러 기판 상의 프로세서와 관련된 중요한 과제입니다. 이 두 기판에 대한 접지 레퍼런스는 상이하므로, 분리 제품이 잠재적 손상 및 피해로부터 장치와 사용자를 보호해야 합니다.

3상 AC 모터 공통 모드 게이트 구동기 전압은 600V 이상까지 높을 수 있으며 IGBT 인버터의 경우 20kHz 이상의 위상-폭 변조(PWM) 스위칭 및 25V/ns의 상승 시간을 가집니다. 이러한 전압 및 상승 시간 특성에는 열악한 환경에서 민감한 회로망을 보호하는 분리 장치가 필요합니다. 모터에 대한 전류 감지는 시스템 개입을 최소화하는 데 필수적입니다. 3상 모터용으로 선택되는 센서는 매우 작은 감지 저항기(R_S)입니다. 분리형 시스템은 또한 모터 제어 시스템의 잡음 내성을 향상시킵니다.

분리형 시스템은 설계에 대한 다음 두 가지 주요 고려 영역을 충족합니다. 매우 높은 브리지 공통 모드 전압 및 모터 전류 캡처(I_U, I_V, I_W). 그림 3에서, Analog Devices의 ADuM7701 시그마-델타 분리형 ±250mV 입력 변조기는 2차측에서 1차측으로 디지털 신호를 제공합니다.

그림 3: 이 3상 AC 모터 회로는 ADuM7701 자기 분리형 시그마-델타 변조기를 사용하여 모터 전류 크기를 캡처하며 ADSP-CM408F DSP를 사용하여 sinc 필터를 구현하고 모터의 상태를 평가합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

작동 온도는 -40°C ~ 125°C이며 분리 장벽에 걸쳐 10kV/ms의 높은 공통 모드 일시 내성을 제공합니다. ADuM7701 분리형 사이드 전력은 4.5V ~ 5.5V이고, ADSP-CM408F DSP 칩은 3.3V에서 작동합니다. 이 시스템은 전류 션트 저항기(R_S)에서 나타나는 아날로그 스위칭 전력 인버터의 고전압 공통 신호를 분리하는 어려움을 극복합니다.

그림 3에서 I_V 및 I_W 션트 저항기(R_S)의 값은 특정 전압, 전류, 전력 응용 요구 사항에 따라 결정됩니다. 소형 저항기는 전력 손실을 최소화하지만 전체 ADuM7701 입력 범위를 활용하지 못할 수 있습니다. 더 높은 값의 저항기는 전체 ADC 성능 입력 범위를 사용하여 최대 신호대 잡음비(SNR) 성능을 달성합니다. 최종 값은 정확도와 낮은 전력 손실 간의 절충을 통해 선택됩니다.

ADuM7701 변조기의 지정된 최대 입력 전압은 ±250mV입니다. 이러한 제약 조건을 충족하기 위해 R_S는 V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK}보다 작아야 합니다. 그림 3의 예제에서 전력 스테이지 피크 전류 정격이 8.5A인 경우 최대 션트 저항은 29.4mΩ입니다.

시그마-델타 변조기 작동

ADuM7701의 프런트 엔드는 -0.2V ~ +0.8V의 입력 공통 모드 범위를 가진 2차 변조기입니다 2차 시그마-델타 변조기 회로망에는 두 개의 아날로그 시그마(적분기) 스테이지와 두 개의 아날로그 델타(감산기) 스테이지가 포함되어 있습니다. 이 조합의 출력은 레퍼런스 전압(예: 접지)에 비교되어 1비트 디지털 출력을 클로킹합니다(그림 4).

그림 4: ADuM7701의 프런트 엔드는 두 개의 아날로그 시그마(적분기) 스테이지와 두 개의 아날로그 델타(감산기) 스테이지를 결합하는 2차 시그마-델타 변조기로 구성되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

클로킹된 1비트 스트림은 디지털/데시메이터 필터에 표시되고 디지털-아날로그 컨버터 및 아날로그 감산기 스테이지로 전달됩니다. 최고의 전반적 ADC 성능을 달성하기 위해 이 신호는 ADSP-CM408F와 결합되어 변조기 신호를 완전한 연산 가능 16비트 워드로 변환하는 sinc 필터를 생성합니다. 변조기의 1비트 코드의 즉시성은 즉각적인 과범위 조건을 제공합니다. 전체 시스템은 저항 감지 모터 레그 전류를 변환하여 적절한 모터 토크 정보를 제공합니다.

디지털 필터

ADuM7701 변조기의 출력은 ADSP-CM408F 디지털 필터의 1차, 2차, 클록 입력에 연결됩니다. 1차 신호 경로는 sinc/데시메이션 필터 모듈로 이어집니다. 2차 신호 경로에는 과범위 비교기가 있어 시스템 고장 조건을 신속하게 감지할 수 있습니다.

변조기의 주파수(5MHz ~ 21MHz 클록(f_M))와 데시메이션율(D)은 sinc 필터 성능을 정의합니다. sinc 필터 차수(O)는 변조기보다 1차수 더 높습니다. 따라서 ADuM7701에서 sinc 필터는 3차입니다. 방정식 1은 필터 주파수 응답을 보여줍니다.

방정식 1

데시메이션 주파수를 모터 PWM 스위칭 주파수에 일치시키면 PWM 스위칭 고조파가 크게 감소됩니다. 그림 5의 주파수 응답은 데시메이션 주파수(f_M/D)의 짝수 배수인 주파수에서 0입니다.

그림 5: 3차 sinc 디지털 필터 진폭 응답. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

고성능 3상 AC 모터는 스톨까지의 부드로운 회전, 스톨 시 토크에 대한 완벽한 제어, 빠른 감속 및 가속을 필요로 합니다. 이러한 모터 제어 작업을 수행하려면 모터의 토크, 위치, 고장 조건을 실시간으로 측정해야 합니다. 설계자는 AC 모터 정밀 요구 사항을 이해하고 분리 전략을 선택하며 적절한 시그마-델타 경로를 선택하고 sinc 디지털 필터를 구현해야 합니다.

분리형 변조기와 혼합 신호 제어 프로세서(예: Analog Devices의 ADuM7701 및 ADSP-CM408)를 사용하여 설계자는 물 펌프, 보일러 펌프, 연마기, 압축기를 위한 고정밀의 견고한 모터 제어 시스템을 생성할 수 있습니다.