Измерение тока фаз электропривода с помощью изолированных датчиков тока ACPL-785J и ACPL-796J

Введение

Наиболее серьезные проблемы, с которыми
приходится сталкиваться разработчикам,—
это измерение и передача прецизионных аналоговых сигналов в условиях высокого уровня шумов и помех. Хорошим примером в данном случае является мониторинг фазного тока двигателя в приводах средней мощности
и высокой производительности.

Стандартная схема управления асинхронного двигателя вначале преобразует трехфазный сигнал переменного тока в постоянный
ток с высоким напряжением. Затем управляющий сигнал постоянного тока преобразуется в переменный на три фазы электродвигателя. Управление приводом, как правило,
осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), позволяющей
изменять величину напряжения и частоту выходного сигнала, поступающего на двигатель.

Для получения приемлемого уровня управления необходимо измерение фазных токов, которое производится различными методами. Основная проблема при измерении
тока — это изоляция и выделение прецизионного аналогового сигнала на фоне высоковольтных импульсов с высоким dU/dt, формируемых инвертором. Скорость изменения
этих импульсов, амплитуда которых превышает напряжение питания DC, может составлять десятки кВ/мкс, вследствие чего определение величины фазного тока является достаточно сложной задачей.

Компания Avago Technologies выпускает
линейку недорогих, компактных изолирующих усилителей специально для решения задачи измерения токового сигнала в условиях предельно высокого уровня шумов. Усилители отличаются хорошей временной
и температурной стабильностью характеристик и высоким коэффициентом подавления
синфазных шумов (CMR). Низкий диапазон
входных сигналов помогает минимизировать
потери мощности. Данный класс микросхем,
имеющих одно напряжение питания +5 В, работает с двуполярным входным AC-сигналом. По сравнению с датчиками на основе
эффекта Холла изолирующие усилители
Avago Technologies имеют высокий коэффициент усиления по току и малые смещения
(включая дрейф по температуре). Кроме того, устройства подобного типа обеспечивают
хорошую стойкость к воздействию синфазных помех (используется щит Фарадея), они
не подвержены влиянию внешних магнитных полей (физика оптрона) и не имеют остаточной намагниченности, которая могла
бы привести к смещению входного сигнала.
Микросхемы предназначены для поверхностного монтажа. Использование таких измерителей предоставляет пользователю свободу проектирования, выражающуюся в возможности измерения различных диапазонов
токов путем выбора соответствующего номинала токового шунта. Все сказанное делает линейку изолирующих усилителей Avago
Technologies оптимальным выбором при решении задачи измерения тока в различных
применениях.

Токоизмерительные резисторы

Токоизмерительные резисторы (шунтирующие резисторы) должны иметь минимальное электрическое сопротивление (для
снижения рассеиваемой мощности), низкую
индуктивность (для минимизации наводок
от высокого dI/dt) и малый разброс номиналов (для повышения точности измерения).
Выбор оптимального номинала шунта всегда
является компромиссом между точностью измерения и величиной рассеиваемой резистором мощности. Снижение величины сопротивления позволяет уменьшить потери, а его увеличение дает возможность повысить точность
за счет использования всего диапазона входного напряжения микросхемы датчика тока.

Рис. 1. Мощность двигателя (в л. с.)
в зависимости от фазного тока и напряжения питания

Первый шаг при выборе резистора R_SENSE—это определение максимального измеряемого тока. На рис. 1 показана зависимость величины среднеквадратичного фазного тока IRMS
3-фазного асинхронного двигателя от среднего значения мощности (в л. с.) и входного напряжения. Максимальное значение R_{SENSE_MAX}
определяется величиной измеряемого тока
и максимально допустимым входным напряжением изолирующего усилителя V_{IN_MAX}.
Номинал R_{SENSE_MAX} вычисляется как отношение V_{IN_MAX} к пиковой величине тока, протекающего через шунт при нормальной работе привода. При максимальном входном
напряжении усилителя, равном 200 мВ, максимальный номинал измерительного резистора R_{SENSE_MAX}
≈ 10 мОм.

Подключение
шунтирующего резистора

Рис. 2. Типовая схема измерения тока фазы двигателя с помощью ACPL-796J

Рекомендуемый способ подключения изолирующего модулятора ACPL-796J к измерительному резистору показан на рис. 2. Вход V_IN+
микросхемы ACPL-796J соединяется с «плюсом» шунта, вход V_IN– заземлен. «Минус»
шунта соединен с обратной частью цепи питания от усилителя, это и есть линия измерения тока. Можно использовать кабель типа
«витая пара» или две дорожки на печатной
плате для соединения шунта с входом усилителя. При таком способе подключения любые
наводки на шунте от тока нагрузки воспринимаются как помехи, соответственно, не будет искажаться полезный токовый сигнал. Это
очень важно, поскольку большие токи нагрузки привода вместе с паразитными индуктивностями силовых цепей способны генерировать мощные импульсные помехи и смещения, бóльшие, чем напряжение на шунте.

Если один и тот же источник используется
для питания драйвера затвора и схемы измерения тока, очень важно, чтобы единственное
прямое соединение между ними было только
в цепи положительного питания. Иначе возникнут петлевые токи в контуре заземления.

В некоторых случаях токи, протекающие
по обратной части цепи источника питания,
могут стать источником помех или приводить
к смещению сигнала. В этом случае решением проблемы может быть соединение входов
V_IN+ и V_IN– с шунтом с помощью двух проводников и подключение к нему вывода
GND1 третьим проводником, как показано на
рис. 3. Для минимизации электромагнитных
помех на входной сигнал эти связи должны
быть выполнены витой парой или трассами
на плате минимально возможной длины.

Рис. 3. Схема подключения с тремя проводами

В показанной схеме сигналы поступают на
входы изолирующего усилителя через одинаковые сглаживающие фильтры НЧ с частотой среза 400 кГц, образованные резисторами R2a, b (39 Ом) и конденсаторами С2a, b
(10 нФ). Сопротивления R2 выполняют еще
одну важную функцию: они демпфируют автоколебания, которые могут возникнуть
в контуре, образованном шунтом, конденсаторами фильтра и распределенными индуктивностями соединительных проводов. Данные колебания входной цепи, наводимые на
частоте, близкой к частоте дискретизации,
могут создавать шумы в полосе пропускания
усилителя, искажающие выходной сигнал
схемы измерения.

Датчики на основе эффекта Холла

Сенсоры, использующие эффект Холла, измеряют магнитное поле, создаваемое током
в проводнике. Существуют специализированные микросхемы, работающие с подобными
датчиками и формирующие выходное напряжение, называемое холловским. Подобные
сенсоры пользуются большой популярностью, поскольку они формируют изолированный сигнал, и для их использования не требуется вмешательство в измеряемую цепь, как
в случае с резистивными шунтами. Различные
производители предлагают готовые изделия,
содержащие магнитный датчик и устройство
преобразования в одном корпусе. Как правило, они формируют аналоговое выходное напряжение, которое непосредственно может
быть подано на АЦП платы контроллера.

По принципу действия датчики Холла подразделяются на 2 типа: замкнутые (closed-loop)
и разомкнутые (open-loop). Датчик Холла
разомкнутого типа содержит сердечник, намагничиваемый полем, которое создается
измеряемым током, и интегральный преобразователь, который детектирует величину
поля и вырабатывает аналоговый сигнал, линейно пропорциональный току. Как любой
ферромагнитный материал, разомкнутый
сенсор вносит ошибку за счет гистерезиса,
что, в конечном счете, создает существенную погрешность смещения. Датчик замкнутого типа имеет специальную дополнительную обмотку и интегральную схему,
позволяющую компенсировать магнитный
поток и резко повысить точность измерения. Естественно, стоимость таких компонентов намного выше.

Как правило, из-за сравнительно больших
габаритов датчиков Холла их достаточно
сложно устанавливать на печатные платы
с высокой плотностью монтажа. Высота подобных компонентов делает невозможным
их автоматизированный монтаж с помощью
стандартных роботов-манипуляторов. Кроме того, им присуща низкая температурная
стабильность параметров. Недостатком датчиков Холла замкнутого типа также является высокий потребляемый ток, необходимый
для работы компенсирующей схемы.

Изолирующий усилитель
ACPL+785J

Рис. 4. Блок-схема изолирующего усилителя ACPL-785J

На рис. 4 показана структурная схема микросхемы ACPL-785J. Аналоговый сигнал на
входе V_IN преобразуется в цифровой код с помощью сигма-дельта АЦП, выборка производится 6 млн раз в секунду, АЦП генерирует скоростной одноразрядный код с высокой
линейностью преобразования. После кодирования поток 1-битовых данных передается с помощью оптопары на детектор, который преобразует оптический сигнал обратно в последовательность импульсов. Далее
цифровой код декодируется и поступает на
1-битовый ЦАП, после которого аналоговый
сигнал сглаживается фильтром НЧ и поступает на выходной буферный усилитель и далее на выход V_OUT. Таким образом обеспечивается изолированная линейная трансляция
аналогового сигнала, при этом диапазон изменения выходного напряжения определяется величиной опорного сигнала на выводе
V_REF. Изменяя его уровень (который может
быть равен напряжению питания), можно
обеспечить точное согласование диапазона
напряжений ACPL-785J с входным диапазоном внешнего АЦП.

Кроме того, ACPL-785J сравнивает напряжение на аналоговом входе V_IN с сигналами,
соответствующими предельным значениям
(положительному и отрицательному) в рабочем диапазоне. Если V_IN превышает эти
величины, на выход FAULT сразу выдается
сигнал ошибки. Этот канал функционирует независимо от встроенного АЦП, что
обеспечивает минимальное время реакции
(не более 6 мкс), необходимое для защиты
силовых транзисторов. Сигнал FAULT работает по логике «ИЛИ», таким образом, короткое замыкание в любой фазе может быть
обнаружено с помощью одного сигнала.

Микросхема имеет еще один вывод— выход с выпрямителя, сигнал ABSVAL, также работающий по логике «ИЛИ». Объединенный
сигнал ABSVAL с трех фаз, представляющий
среднеквадратическое значение тока двигателя, подается на вход внешнего компаратора. Если хотя бы одна из трех составляющих
сигнала выше установленного порога компаратора, на контроллер выдается сигнал перегрузки электродвигателя.

Еще одной важной функцией ACPL-785J
является гальваническая развязка входного
аналогового сигнала.

Встроенный источник опорного напряжения определяет диапазон работы модулятора (примерно ±256 мВ). При этом рекомендуемый диапазон входных сигналов, позволяющий оптимально использовать схему
измерения, составляет ±200 мВ.

Изолирующий Σ+Δ+модулятор
ACPL+796J

Рис. 5. Блок-схема модулятора ACPL-769J

Изолирующий сигма-дельта (Σ-Δ) модулятор ACPL-796J преобразует аналоговый
входной сигнал в скоростной (до 20 МГц) одноразрядный поток данных в режиме Σ-Δ-
модуляции с избирательной частотой дискретизации (рис. 5). Усредненное значение
данных модулятора прямо пропорционально величине входного напряжения (рис. 6).
Для работы микросхемы требуется внешний
тактовый генератор с частотой 5–20 МГц, вход
для его подключения отдельно оптически изолирован. Это позволяет синхронизировать
процесс сбора данных с любым цифровым
контроллером и регулировать частоту в соответствии с режимами работы привода электродвигателя. Данные, сформированные модулятором, кодируются и передаются через
оптический барьер, после чего они восстанавливаются и преобразуются в скоростную последовательность нулей и единиц. Значение
исходного аналогового сигнала соотносится
с плотностью «единиц» в коде на выходе.

Рис. 6. Выходной сигнал модулятора зависит от входного аналогового сигнала

Еще одной важной функцией модулятора
с оптическим барьером является гальваническая развязка между входным аналоговым
и выходным цифровым сигналом. Это обеспечивает высокий запас помехоустойчивости и хорошую стойкость к наведенным шумам при прямом измерении сигналов низкого уровня в условиях сильных помех.
Типичный пример применения — измерение фазного тока двигателя с мощным импульсным инвертором.

При минимальной ширине изолирующего
барьера (DTI) 0,5 мм микросхема ACPL-796J
обеспечивает надежную двойную защиту
и высокое значение напряжения изоляции,
что важно для проектирования отказоустойчивых систем или устройств. Данное свойство делает ACPL-796J хорошей альтернативой
емкостным и магнитным изоляторам, у которых параметр DTI находится в микронном
диапазоне.

Модулятор ACPL-796J в корпусе SO-16
представляет собой надежный миниатюрный
АЦП с отличными изоляционными характеристиками и высокой температурной стабильностью параметров.

Выходные данные
модулятора ACPL+796J

Входной сигнал преобразуется модулятором в цифровой поток «единиц» и «нулей»
с определенной плотностью (рис. 6). При уровне входного дифференциального сигнала 0 В
коэффициент заполнения «единицами» или
«нулями» равен 50%, при V_IN = –200 мВ,
плотность «единиц» составляет 18,75%, а при
V_IN = +200 мВ плотность «единиц» равна
81,25%. Уровень на входе ±320 мВ на выходе даст соответственно одни «единицы» или
одни «нули» (таблица).

Таблица. Входное напряжение, плотность данных
на выходе модулятора (за время 1 с) и код АЦП

Цифровой фильтр

Цифровой фильтр преобразует одноразрядный поток данных модулятора в многобитовый код, подобный коду на выходе стандартного АЦП. Как и в стандартном АЦП,
скорость преобразования снижается из-за децимации. Совместно с ACPL-796J рекомендуется использовать фильтр типа Sinc3.
При тактовой частоте 10 МГц, коэффициенте прореживания (децимации) 256 и разрешении АЦП 16 бит частота данных на выходе составляет 39 кГц (10 МГц/256). Такой
фильтр может быть реализован на ASIC,
ПЛИС или ЦСП. Некоторые значения кодов
АЦП и соответствующих входных напряжений приведены в таблице.

Микросхема цифрового
интерфейса HCPL+0872

Интерфейсная микросхема Avago Technologies
HCPL-0872 (в корпусе SO-16) представляет собой цифровой фильтр, преобразующий одноразрядный поток данных модулятора в 15-битовые слова и обеспечивающий
последовательный интерфейс, совместимый
с протоколами SPI, QSPI иMicrowire, что позволяет подключать его непосредственно к микроконтроллеру. По сравнению с программным цифровым фильтром HCPL-0872 представляет собой более доступное и надежное
решение для датчика тока ACPL-796J (рис. 7).

Рис. 7. Типовая схема применения HCPL-0872

Измерение напряжения

Модулятор ACPL-796J может быть также
использован для изоляции сигналов с амплитудой, превышающей рекомендованную,
с помощью резистивного делителя входного
напряжения. При этом существует только одно ограничение: импеданс делителя должен
быть низким (менее 1 кОм), чтобы входное
сопротивление (33 кОм) и входной ток смещения (0,5 мкА) не влияли на точность измерения. При этом совместно с делителем необходимо установить и сглаживающий конденсатор С2 (демпфирующий резистор 39 Ом
не нужен). Входной НЧ-фильтр, образованный резистором делителя и конденсатором,
может ограничить полосу пропускания.
Для ее расширения необходимо уменьшить
номинал С2, однако его не следует выбирать
менее 1000 пФ, чтобы обеспечить достаточное шунтирование высокочастотных составляющих.

Литература

1. 5965-5976 AppNote 1078. Designing with Avago
   Technologies Isolation Amplifiers.
2. 5989-2801EN AppNote 5121. Isolation Amplifiers
   and Hall-Effect Device For Motor Control Current
   Sensing Applications.
3. AV02-1545EN DataSheet. ACPL-758J Isolation
   Amplifier with Short Circuit and Overload Detection.
4. AV02-1670EN DataSheet. ACPL-796J Optically
   Isolated Sigma-Delta Modulator.