信頼性の高い絶縁ADCを使用して3相誘導モータを効果的に制御
著者 Bonnie Baker(ボニー・ベイカー) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 提供
2021-01-06
マルツ掲載日：2021-05-17
3相誘導ACモータは、非常に高い効率と耐環境特性を提供することにより、産業アプリケーションの約80%の用途向けに機械的動力を生成します。これらのモータを効果的に制御することは、ウォータポンプ、ボイラポンプ、研削盤、コンプレッサなどの高負荷の問題に取り組むために必要です。これらのアプリケーションでは、高い始動トルク、優れた速度制御、適切なオーバーレンジ機能が求められます。
この制御は設計者にとっては困難なものです。これは、3相モータの電子回路が、高電圧コモンモード信号から絶縁された電流シャントの両端のアナログ信号フィードバックを必要とするためです。さらに、高いダイナミック絶縁電圧を広い周囲温度範囲で維持する必要があります。
多くのアプリケーションに向けた高精度3相誘導ACモータ制御のソリューションは、電流センス回路と絶縁されたA/Dコンバータ(ADC)機能に依存しています。このADC機能は、ACモータ制御アプリケーション向けに電流シャント抵抗器の両端でスイッチング電源インバータの高電圧信号を捕捉します。
この記事では、高精度ACモータ制御の実現に関連する問題点と、このタイプのアプリケーションには絶縁アナログフィードバックが適している理由について説明します。次に、Analog Devicesの絶縁型シグマデルタ変調器、16ビットADCワードを作成するための変調器出力信号のsin px/px(sinc)デジタルフィルタ、絶縁バリアの利用について紹介します。
3相誘導ACモータの紹介
高性能サーボモータの主な特徴は、失速までスムーズに回転すること、失速時にトルクを完全に制御すること、減速/加速が速いことです。高性能モータ駆動システムは通常、3相ACモータを使用します(図1)。これらは、低慣性、高出力パワーウェイトレシオ、堅牢な構造、優れた回転高速性能といった特徴により、DCモータに代わるマシンとして選択されています。
図1：左に出力回転シャフト、上に電気端子箱を持つ産業用3相誘導ACモータ。(画像提供：Leroy-Somer)
フィールド指向制御とも呼ばれるベクトル制御の原理は、これらのACモータを管理します。最新の高性能ドライブのほとんどは、閉ループ電流制御をデジタルで実装しています。このシステムでは、達成可能な閉ループ帯域幅は、計算量の多いベクトル制御アルゴリズムの実行速度と、関連するベクトル回転のリアルタイム実装に依存します。
この計算負荷では、デジタル信号プロセッサ(DSP)がsincデジタルフィルタ、組み込みモータ方式とベクトル制御方式を実装する必要があります。DSPの計算能力により、高速サイクルタイムと閉ループ電流制御帯域幅が可能になります。
これらのマシンの完全な電流制御方式には、パルス幅変調(PWM)高電圧生成方式とモータ電流測定用の高分解能ADCも必要です。ゼロ速度へのトルクのスムーズな制御、ローター位置フィードバックのメンテナンスは、最新のベクトルコントローラには不可欠です。
ここでは、3相ACモータ用の高性能ADCを実装するための基本原理を説明します。このADCを実装するために、16ビット絶縁型アナログ/デジタル変調器、強力なDSPコアを搭載した統合型DSPコントローラ、柔軟なデジタルsincフィルタ生成を組み合わせています。
絶縁方法
高性能3相ACモータには、失速までのスムーズな回転、失速時のトルクの完全制御、高速の加速/減速が必要です。トランスデューサによるモータの速度測定と、位相電流によるトルクの測定により、絶縁型ゲートドライバを直接制御します(図2)。
図2：この3相モータドライバシステム(U、V、W)は、モータを駆動するFETインバータトランジスタと、電流の大きさをセンスする電流測定抵抗器RSを備えています。(画像提供：Analog Devices)
図2のセンス抵抗器RSはモータの巻線電流を捕捉します。16ビット変換は、これらの信号を使用してモータのトルクを動的に測定します。ホール効果センサはモータの位置を捕捉します。このシステムは、トルクと位置の両方を経時的に捕捉します。
3相モータ制御システムに給電する際には、重要な電圧リファレンスについて理解しておく必要があります。絶縁は、電源ボードのインバータステージとコントローラボードのプロセッサにとって重要な課題です。これら2つのボードのグランドリファレンスは異なり、潜在的な損傷や危害からデバイスやユーザーを保護するための絶縁製品が必要となります。
3相ACモータのコモンモードゲートドライバ電圧は600V以上、パルス幅変調(PWM)スイッチングは20kHz以上、立ち上がり時間はIGBTインバータで25V/nsの可能性があります。これらの電圧特性と立ち上がり時間特性には、過酷な環境で高感度回路を保護する絶縁デバイスが必要です。
システムへの干渉を最小限に抑えるためには、モータへの電流センシングが不可欠です。3相モータに選択されるセンサは、非常に小さなセンス抵抗器(RS)です。また、絶縁されたシステムは、モータ制御システムでノイズ耐性を向上させます。
絶縁されたシステムは、非常に高いブリッジコモンモード電圧とモータ電流(IU、IV、IW)の捕捉という2つの主要な設計上の懸念事項に対応しています。図3では、Analog DevicesのADUM7701シグマデルタ絶縁型±250mV入力変調器は、2次側から1次側にデジタル信号を供給します。
図3：この3相ACモータ回路は、モータ電流の大きさを捕捉するためにADuM7701磁気絶縁型シグマデルタ変調器を使用し、sincフィルタを実装してモータの状態を評価するためにADSP-CM408F DSPを使用しています。(画像提供：Analog Devices)
動作温度は－40℃～＋125℃で、絶縁バリアの両端でマイクロ秒(μs)あたり10kVという高いコモンモード過渡耐性を備えています。ADuM7701絶縁側電源は4.5～5.5Vで、ADSP-CM408F DSPチップは3.3Vで動作します。このシステムは、電流シャント抵抗器(RS)の両端に存在するアナログスイッチングパワーインバータの高電圧コモン信号を絶縁するという難点を克服しています。
図3のIVとIWシャント抵抗器(RS)の値の決定は、特定の電圧、電流、電力アプリケーション要件に依存します。小さな抵抗器は消費電力を最小限に抑えますが、ADuM7701の全入力範囲を利用できない場合があります。より高い値の抵抗器は、ADCの全入力範囲を使用して最大のS/N比(SNR)性能を達成します。最終的に選択された値は、精度と低消費電力の妥協点です。
ADuM7701変調器の指定最大入力電圧は±250mVです。RSは、これらの制約を満たすためにVMOD_PEAK/ICC_PEAK 未満でなければなりません。図3の例では、パワーステージのピーク電流定格が8.5Aの場合、最大シャント抵抗は29.4mΩとなります。
シグマデルタ変調器の動作
ADuM7701のフロントエンドは－0.2Vから+0.8Vの入力コモンモード範囲を持つ2次変調器です。この2次シグマデルタ変調器回路は、2つのアナログシグマ(積分器)ステージと2つのアナログデルタ(減算器)ステージを内蔵しています。この組み合わせの出力は、グランドなどのリファレンス電圧と比較され、1ビットのデジタル出力をクロックします(図4)。
図4：ADuM7701のフロントエンドは、2つのアナログシグマ(積分器)ステージと2つのアナログデルタ(減算器)ステージを組み合わせた2次シグマデルタ変調器で構成されています。(画像提供：Analog Devices)
クロックされた1ビットストリームは、デジタル/デシメータフィルタに送られ、D/Aコンバータにフィードバックされた後、アナログ減算器ステージに送られます。ADC全体の最高性能を実現するために、信号はADSP-CM408Fとともに、sincフィルタを作成します。
このsincフィルタは、変調器信号を、完全に動作する16ビットワードに変換します。変調器の1ビットコードの即時性により、瞬時のオーバーレンジ条件を提供します。完全なシステムは、抵抗センスされたモータ入力電流を変換して、適切なモータトルク情報を提供します。
デジタルフィルタ
ADuM7701変調器の出力はADSP-CM408Fデジタルフィルタの1次入力、2次入力、クロック入力に接続します。1次信号経路は、sinc/デシメーションフィルタモジュールに進みます。2次信号経路には、システムのフォールト状態を迅速に検出するためのオーバーレンジコンパレータが設けられています。
5MHz～21MHzクロック(fM)の変調器の周波数とデシメーションレート(D)により、sincフィルタの性能が決まります。sincフィルタの次数(O)は、変調器よりも1次高くなります。そのため、ADuM7701ではsincフィルタは3次となっています。式1は、フィルタの周波数応答を示しています。
(式１)
デシメーション周波数をモータのPWMスイッチング周波数に合わせることで、PWMスイッチングの高調波を大幅に低減することができます。図5の周波数応答は、デシメーション周波数(fM/D)の偶数倍の周波数でゼロの値を示しています。
図5：3次sincデジタルフィルタの振幅応答。 (画像提供：Analog Devices)
まとめ
高性能3相ACモータには、失速までのスムーズな回転、失速時のトルクの完全制御、高速な減速/加速が必要です。このモータ制御操作を実現するには、モータのトルク、位置、フォールト状態をリアルタイムで測定する必要があります。設計者の課題は、ACモータの精度要件を理解し、絶縁方法と適切なシグマデルタ経路を選択し、sincデジタルフィルタを実装することです。
Analog DevicesのADuM7701やADSP-CM408などの絶縁型変調器とミックスドシグナル制御プロセッサを使用することで、設計者はウォータポンプ、ボイラポンプ、研削盤、コンプレッサ用の高精度で堅牢なモータ制御システムを構築できます。
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