Вступление
В промышленных системах управления электродвигателями и сервоприводами точное измерение тока является критически важной частью контура обратной связи. В настоящее время от методов измерения требуется не только максимальная точность, они также должны быть безопасными и надежными. Промышленные системы управления электродвигателями обычно работают при повышенных напряжениях, и в случае возникновения неисправностей, например, перегрузки по току или короткого замыкания, необходимо быстрое обнаружение и устранение этих условий, чтобы предотвратить катастрофическое повреждение системы или, в худшем случае, травматизм. В подобных системах компоненты оптической развязки помогают не только избавиться от синфазных шумов и влияния переходных процессов в незаземленных контурах, но и обеспечивают необходимую изоляцию, которая отвечает требованиям стандартов безопасности и нормативных актов.
Архитектура модуляторов с оптической развязкой
Входы изолированного модулятора, применяемого в схеме измерения тока, как правило, подключаются к небольшому шунтирующему резистору, который преобразует ток, проходящий через него, в напряжение (обычно в диапаоне ±200 мВ), ограничивая рассеиваемую мощность на шунтирующем резисторе. Сигма-дельта модулятор затем, используя метод избыточной дискретизации, преобразует входной аналоговый сигнал в единый высокоскоростной поток битов для дальнейшей передачи через барьер оптической развязки. Данные, полученные модулятором на изолированной стороне, передаются в процессор для дальнейшей обработки. Далее для восстановления полезного сигнала может использоваться прореживающий цифровой фильтр Sinc3 (фильтр децимации), который легко реализуется на ПЛИС или микроконтроллере. Фильтр децимации усредняет или прореживает высокоскоростной поток с избыточной дискретизацией для понижения скорости потока на коэффициент децимации. На Рисунке 1 изображена общая блок-схема сигма-дельта модулятора с оптической изоляцией.
 |
|
| Рисунок 1. | Блок-схема сигма-дельта модулятора с оптической развязкой. |
Такой подход имеет несколько преимуществ. Во-первых, изоляционный барьер может быть с легкостью размещен на одном канале сразу же после выхода модулятора. Во-вторых, любые ошибки в принятом потоке битов, появление которых может быть вызвано переходными процессами, усредняются фильтром децимации. В результате мы получаем надежную схему изоляции между первичным и вторичным каскадом контура управления, которая обеспечивает подавление синфазных и импульсных помех в среде с высоким уровнем шумов, например в системах управления электродвигателями. Оптический изоляционный барьер также подразумевает устойчивость к электромагнитным помехам, чего нельзя сказать о стандартных датчиках Холла. На Рисунке 2 изображена блок-схема микросхемы ACPL-798J компании Avago Technologies, которая представляет собой оптически изолированный сигма-дельта модулятор с внешней синхронизацией и интерфейсом LVDS (Low Voltage Differential Signaling, низковольтная дифференциальная передача сигналов). Интерфейс LVDS способствует повышению надежности соединения датчика и микропроцессора по сравнению с обычным несимметричным интерфейсом ТТЛ. Дополнительно микросхема обладает высокой точностью усиления ±1%, а соотношение сигнал/шум (75 дБ) эквивалентно эффективной разрядности 12 бит.
 |
|
| Рисунок 2. | Блок-схема микросхемы ACPL-798J. |
Типы оптически изолированных модуляторов
Существует два типа оптически изолированных сигма-дельта модуляторов: с внутренней синхронизацией и с внешней синхронизацией (тактированием). Последний тип модуляторов обладает рядом преимуществ. Например, они могут работать на более высокой тактовой частоте, в них может использоваться основной тактовый сигнал для упрощения восстановления данных и межканальной синхронизации, что требуется при одновременном измерении фазных токов.
Скорость и точность
В системах управления серводвигателями и электродвигателями нагрузка является индуктивной. Исходя из уравнения расчета импеданса катушки индуктивности, можно сделать вывод, что напряжение зависит от скорости изменения тока, протекающего через катушку индуктивности.
Таким образом, возникновение таких условий неисправности, как межфазовое замыкание или короткое замыкание на «землю», должно обнаруживаться и устраняться в кратчайшее время, до появления опасного уровня напряжения, которое может привести к повреждению оборудования или травме. Типовое время реакции контроллера электродвигателя на такие условия, как правило, меньше 10 мкс. Общим подходом к решению подобной задачи является использование отдельных фильтров с разными коэффициентами децимации, работающих параллельно (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Два прореживающих фильтра с разными коэффициентами децимации, работающие параллельно, гарантируют быстрое обнаружение и устранение любых условий неисправности. |
В одном из фильтров используется малый коэффициент децимации, что обеспечивает быструю реакцию, необходимую для обнаружения условий неисправности, в то время как другой параллельный фильтр, имеющий более высокий коэффициент децимации, обеспечивает высокое разрешение во время нормальной работы контура управления. Такое функциональное деление системы гарантирует быстрое обнаружение и устранение любых условий неисправности. В Таблице 1 иллюстрируются оптимальные соотношения между разрешением и скоростью, при выборе коэффициентов децимации.
Таблица 1. Время задержки фильтра и эффективная разрядность (ENOB) при соответствующих значения коэффициента децимации.
| Коэф. децимации (R) |
Тактовая частота Fs=20 МГц | Тактовая частота Fs=10 МГц | ||||
| Полоса пропускания (Fs/R), кГц |
Эффект. разрядность (ENOB) |
Задержка фильтра, мкс |
Полоса пропускания (Fs/R), кГц |
Эффект. разрядность (ENOB) |
Задержка фильтра, мкс |
|
| 256 | 78.1 | 12 | 12.8 | 39.1 | 12 | 25.6 |
| 128 | 156.2 | 11 | 6.4 | 78.1 | 11 | 12.8 |
| 64 | 312.5 | 11 | 3.2 | 156.2 | 11 | 6.4 |
| 32 | 625 | 10 | 1.6 | 312.5 | 10 | 3.2 |
Безопасность и надежность
Компоненты оптической развязки компании Avago сертифицированы по стандарту безопасности IEC60747-5-5 для усиленной изоляции. Стандарт разработан для проверки конструкции изолятора, изоляционного материала и механизма старения компонентов оптической развязки, и не применим к альтернативным изоляторам.
В качестве компромисса некоторые испытательные центры указывают на сертифицированное соответствие альтернативных изоляторов стандарту DIN/EN 60747-5-2 для оптопар, но не упоминают о частичном соответствии, касающемся только базовой изоляции. Это связано с тем, что качество и характеристики тонкопленочной полиимидной и КМОП изоляции полностью не изучены.
Компания Avago в течение почти двух десятилетий занимается разработкой и производством оптически изолированных модуляторов и развязывающих усилителей для различных систем управления электродвигателями, что свидетельствует о высоком уровне безопасности и надежности компонентов оптической развязки.
Заключение
Применение оптически изолированных сигма-дельта модуляторов в датчиках тока придает дополнительную гибкость при конфигурировании и позволяет добиться оптимального соотношения точность/скорость измерений, выбрав соответствующие схемы фильтрации. Только они отвечают требованиям стандарта безопасности IEC60747-5-5 и предоставляют проверенный на практике точный, надежный и безопасный метод измерения тока.
Купить ACPL-798J на РадиоЛоцман.Цены
