Utiliser des CAN d'isolement fiables pour commander efficacement les moteurs à induction triphasés

Les moteurs CA à induction triphasés produisent une puissance mécanique pour près de 80 % des applications industrielles en offrant un rendement extrêmement élevé et des caractéristiques environnementales renforcées. Une commande efficace de ces moteurs est nécessaire pour résoudre les problèmes de charges plus lourdes telles que les pompes à eau, les pompes de chaudière, les rectifieuses et les compresseurs qui requièrent des couples de démarrage plus élevés, une bonne régulation de la vitesse et une capacité de dépassement raisonnable.

Cette commande est un défi pour les concepteurs car l'électronique des moteurs triphasés exige un retour de signal analogique isolé sur les shunts de courant à partir des signaux communs haute tension. En outre, les hautes tensions d'isolement dynamiques doivent être maintenues sur une large plage de températures ambiantes.

La solution pour la commande précise de moteurs CA à induction triphasés pour de nombreuses applications réside dans les circuits de détection de courant et les fonctions de convertisseur analogique-numérique (CAN) isolé, comme un modulateur isolé. Cette fonction CAN crée un mécanisme de capture du signal haute tension de l'onduleur de puissance à découpage à travers une résistance shunt de courant pour les applications de commande de moteurs CA.

Cet article aborde les problèmes liés à la précision de la commande de moteurs CA et explique pourquoi la rétroaction analogique isolée est une bonne option pour ce type d'application. Il présente ensuite un modulateur sigma-delta isolé d'Analog Devices, ainsi qu'un filtre numérique sin px/px, ou sinc, pour le signal de sortie du modulateur afin de créer un mot CAN 16 bits tout en tirant parti de sa barrière galvanique.

Présentation du moteur CA à induction triphasé

Les principales caractéristiques du servomoteur hautes performances sont la rotation fluide jusqu'au calage, le contrôle total du couple au calage, et les décélérations et accélérations rapides. Les systèmes d'entraînement moteur hautes performances utilisent généralement des moteurs CA triphasés (Figure 1). Ces machines remplacent le moteur CC comme machine de choix en raison de leur faible inertie, de leur rapport puissance de sortie/poids élevé, de leur construction robuste et de leurs bonnes performances de rotation haute vitesse.

Figure 1 : Moteur CA à induction triphasé industriel avec l'arbre tournant de sortie à gauche et la boîte de jonction électrique en haut. (Source de l'image : Leroy-Somer)

Ces moteurs CA sont gérés par les principes du contrôle vectoriel, également appelé contrôle à champ orienté. La plupart des entraînements hautes performances modernes ont mis en œuvre numériquement un contrôle de courant en boucle fermée. Dans ce système, la largeur de bande en boucle fermée réalisable dépend du taux d'exécution des algorithmes de contrôle vectoriel à calcul intensif et de l'implémentation en temps réel des rotations vectorielles associées. Cette charge de calcul requiert des processeurs de signaux numériques (DSP) pour implémenter un filtre numérique sinc et des schémas de contrôle vectoriel et moteur embarqués. La puissance de calcul du DSP permet des temps de cycle rapides et des largeurs de bande de contrôle de courant en boucle fermée.

Le schéma de contrôle du courant complet pour ces machines nécessite également un schéma de génération haute tension à modulation de largeur d'impulsion (PWM) et un CAN haute résolution pour la mesure des courants du moteur. Le contrôle fluide du couple jusqu'à la vitesse zéro, avec maintien du retour de position du rotor est essentiel pour les contrôleurs vectoriels modernes. Nous décrivons ici les principes fondamentaux derrière l'implémentation d'un CAN hautes performances pour les moteurs CA triphasés — combinant un modulateur analogique-numérique isolé de 16 bits et un contrôleur DSP intégré avec un puissant cœur DSP et une génération de filtre sinc numérique flexible.

Stratégie d'isolement

Les moteurs CA triphasés hautes performances ont besoin d'une rotation fluide jusqu'au calage, d'un contrôle total du couple au calage, et d'accélérations et de décélérations rapides. La mesure de la vitesse du moteur avec des transducteurs et du couple avec des courants de phase permet de contrôler directement des circuits d'attaque de grille isolés (Figure 2).

Figure 2 : Ce système de variateur moteur triphasé (U, V et W) est doté de transistors inverseurs FET pour entraîner le moteur et de résistances de mesure du courant, R_S, pour détecter les amplitudes de courant. (Source de l'image : Analog Devices)

Les résistances de détection, R_S, dans la Figure 2 capturent le courant d'enroulement du moteur. Une conversion 16 bits utilise ces signaux pour mesurer dynamiquement le couple du moteur. Le capteur à effet Hall capture la position du moteur. Ce système capture à la fois le couple et la position dans le temps.

Il y a des problèmes de référence de tension importants à comprendre lors de l'alimentation d'un système de commande de moteur triphasé. L'isolement est un défi crucial avec l'étage onduleur sur la carte d'alimentation et le processeur sur la carte de contrôleur. Les références de masse pour ces deux cartes diffèrent, ce qui nécessite des produits d'isolement pour protéger les dispositifs et les utilisateurs contre des dommages potentiels.

La tension d'attaque de grille de mode commun d'un moteur CA triphasé peut atteindre 600 volts (V) ou plus, avec une commutation PWM supérieure à 20 kilohertz (kHz) et des temps de montée de 25 V par nanoseconde (ns) pour les onduleurs IGBT. Ces caractéristiques de tension et de temps de montée exigent des dispositifs d'isolement pour protéger les circuits sensibles dans cet environnement hostile. La détection des courants vers le moteur est essentielle avec des interférences système minimales. Le capteur de choix pour le moteur triphasé est une résistance de détection (R_S) extrêmement compacte. Le système isolé améliore également l'immunité au bruit dans le système de commande du moteur.

Les systèmes isolés répondent à deux préoccupations majeures en matière de conception : les tensions de mode commun de pont extrêmement élevées et la capture des courants du moteur (I_U, I_V et I_W). Dans la Figure 3, le modulateur d'entrée ±250 millivolts (mV) sigma-delta isolé ADuM7701 d'Analog Devices fournit le signal numérique du côté secondaire au côté primaire.

Figure 3 : Ce circuit de moteur CA triphasé utilise le modulateur sigma-delta à isolement magnétique ADuM7701 pour capturer les amplitudes de courant du moteur et le DSP ADSP-CM408F pour implémenter des filtres sinc et évaluer l'état du moteur. (Source de l'image : Analog Devices)

Sa température de fonctionnement est comprise entre -40°C et +125°C, avec une haute immunité transitoire en mode commun de 10 kilovolts (kV) par microseconde (ms) à travers la barrière galvanique. L'alimentation côté isolé de l'ADuM7701 est de 4,5 V à 5,5 V, tandis que la puce DSP ADSP-CM408F fonctionne à 3,3 V. Ce système permet de surmonter la difficulté d'isoler le signal commun haute tension de l'onduleur de puissance à découpage analogique qui apparaît dans les résistances shunts de courant (R_S).

La détermination des valeurs des résistances shunts (R_S) I_V et I_W dans la Figure 3 dépend des exigences spécifiques de tension, de courant et de puissance de l'application. Les petites résistances minimisent la dissipation de puissance, mais peuvent ne pas utiliser toute la plage d'entrée de l'ADuM7701. Les résistances à valeur plus élevée permettent d'obtenir des performances de rapport signal/bruit (SNR) maximales en utilisant toute la plage d'entrée des performances CAN. Les valeurs finales choisies sont un compromis entre précision et faible dissipation de puissance.

La tension d'entrée maximum spécifiée du modulateur ADuM7701 est de ±250 mV. La valeur R_S doit être inférieure à V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK} pour répondre à ces contraintes. Dans l'exemple de la Figure 3, si le courant nominal de crête de l'étage de puissance est de 8,5 ampères (A), la résistance shunt maximum est de 29,4 milliohms (mΩ).

Fonctionnement du modulateur sigma-delta

Le frontal de l'ADuM7701 est un modulateur de deuxième ordre avec une plage de mode commun d'entrée de -0,2 V à +0,8 V. Le circuit de modulateur sigma-delta de deuxième ordre contient deux étages sigma analogiques (intégrateurs) et deux étages delta analogiques (soustracteurs). La sortie de cette combinaison est comparée à une tension de référence, telle que la masse, pour cadencer une sortie numérique d'un bit (Figure 4).

Figure 4 : Le frontal de l'ADuM7701 comprend un modulateur sigma-delta de deuxième ordre qui combine deux étages sigma analogiques (intégrateurs) et deux étages delta analogiques (soustracteurs). (Source de l'image : Analog Devices)

Le flux 1 bit cadencé est présenté à un filtre numérique/décimateur, et est renvoyé à un convertisseur numérique-analogique puis aux étages soustracteurs analogiques. Pour atteindre les meilleures performances CAN globales, le signal se combine avec l'ADSP-CM408F pour créer un filtre sinc qui convertit le signal du modulateur en un mot de 16 bits entièrement opérationnel. L'instantanéité du code 1 bit du modulateur permet des conditions de dépassement instantanées. Le système complet convertit les courants de dérivation de moteur résistifs détectés pour fournir les informations de couple moteur appropriées.

Filtre numérique

La sortie du modulateur ADuM7701 se connecte aux entrées primaire, secondaire et d'horloge du filtre numérique ADSP-CM408F. Le trajet du signal primaire se poursuit vers le module de filtre sinc/de décimation. Le trajet du signal secondaire est doté de comparateurs de dépassement pour la détection rapide d'une condition de défaillance système.

La fréquence du modulateur — horloge de 5 mégahertz (MHz) à 21 MHz, (f_M) — et le taux de décimation (D) définissent les performances du filtre sinc. L'ordre du filtre sinc (O) est supérieur d'un ordre à celui du modulateur. Par conséquent, avec l'ADuM7701, le filtre sinc est de troisième ordre. L'Équation 1 montre la réponse en fréquence du filtre.

Équation 1

L'adaptation de la fréquence de décimation à la fréquence de commutation PWM du moteur réduit considérablement les harmoniques de commutation PWM. La réponse en fréquence dans la Figure 5 comporte des zéros à des fréquences qui sont des multiples de la fréquence de décimation (f_M/D).

Figure 5 : Réponse en amplitude du filtre numérique sinc du 3^e ordre. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Les moteurs CA triphasés hautes performances nécessitent une rotation fluide jusqu'au calage, un contrôle total du couple au calage, ainsi que des décélérations et des accélérations rapides. L'accomplissement de cette tâche de commande moteur requiert des mesures en temps réel du couple, de la position et des conditions de défaillance du moteur. Le défi du concepteur est de comprendre les exigences de précision du moteur CA, de sélectionner une stratégie d'isolement, de choisir un chemin sigma-delta approprié et d'implémenter un filtre numérique sinc.

En utilisant un modulateur isolé et un processeur de commande à signaux mixtes comme l'ADuM7701 et l'ADSP-CM408 d'Analog Devices, les concepteurs peuvent créer un système de commande moteur robuste et de haute précision pour les pompes à eau, les pompes de chaudière, les rectifieuses et les compresseurs.