Use ADCs com isolação confiável para controlar de forma eficaz os motores trifásicos de indução

Os motores CA de indução trifásica produzem energia mecânica para quase 80% das aplicações industriais, fornecendo eficiência extremamente alta e características ambientalmente robustas. O controle efetivo destes motores é necessário para resolver problemas de cargas mais pesadas, como bombas d’água, bombas de caldeira, retificadoras e compressores que requerem torques maiores de partida, boa regulagem de velocidade e capacidade razoável de sobra.

Esse controle é um desafio para projetistas, pois a eletrônica do motor trifásico exige realimentação isolada de sinal analógico através de derivações de corrente de sinais de alta tensão em modo comum. Além disso, as altas tensões dinâmicas de isolação devem ser mantidas sobre uma ampla faixa de temperatura ambiente.

A solução para o controle de motor CA de indução trifásica em muitas aplicações reside nos circuitos de detecção de corrente e nas funções do conversor analógico para digital (ADC) isolado, como um modulador isolado. Essa função ADC cria um mecanismo de captura para o sinal de alta tensão do inversor da energia de chaveamento através de um resistor shunt de corrente para aplicações de controle do motor CA.

Este artigo discute as questões associadas com a obtenção do controle preciso do motor CA, e por que a realimentação analógica isolada é uma boa opção para este tipo de aplicação. Em seguida, introduz um modulador sigma-delta isolado da Analog Devices, assim como um filtro digital sen px/px, ou sinc, para o sinal de saída do modulador criar uma palavra ADC de 16 bits, tirando vantagem da sua barreira de isolação.

Introdução ao motor CA de indução trifásica

As características primárias do servomotor de alto desempenho são possuir uma rotação suave até uma parada, controle completo do torque na parada e acelerações e desacelerações rápidas. Os sistemas de acionamento do motor de alto desempenho usam motores CA trifásicos (figura 1). Essas máquinas substituem o motor CC como melhor escolha por causa da baixa inércia, alta relação potência/peso de saída, construção robusta e bom desempenho rotacional de alta velocidade.

Figura 1: motor CA de indução trifásica industrial com eixo de rotação de saída na esquerda e caixa de terminal elétrico em cima. (Fonte da imagem: Leroy-Somer)

Os princípios do controle vetorial, também chamado de controle orientado por campo, gerenciam esses motores CA. A maioria dos acionadores de alto desempenho possuem implementação digital de controle de corrente por malha fechada. Nesse sistema, a largura de banda atingível pela malha fechada depende da taxa de execução, de forma computacional, dos algoritmos intensivos de controle vetorial e da implementação em tempo real das rotações associadas de vetores. Essa carga computacional requer processadores de sinal digital (DSPs) para implementar um filtro digital sinc e os esquemas do motor embarcado e controle vetorial. O poder computacional do DSP permite períodos rápidos de ciclos e larguras de banda para controle de corrente por malha fechada.

O esquema completo do controle de corrente para estas máquinas também requer um circuito de geração de alta tensão com modulação por largura de pulso (PWM), além de um ADC de alta resolução para medições da corrente do motor. O controle suave do torque para velocidade zero e a manutenção da realimentação da posição do rotor são essenciais para os controladores vetoriais modernos. Aqui, descrevemos os princípios básicos por trás da implementação de um ADC de alto desempenho para motores CA trifásicos, combinando um modulador analógico-digital isolado de 16 bits e um controlador DSP integrado com um poderoso núcleo DSP e geração versátil de filtro digital sinc.

Estratégia de isolação

Os motores CA trifásicos de alto desempenho precisam de uma rotação suave até a parada, controle completo do torque na parada, além de acelerações e desacelerações rápidas. A medida da velocidade do motor com transdutores e do torque com as correntes de fase, controlam diretamente os acionadores de porta isolados (figura 2).

Figura 2: esse sistema de acionamento do motor trifásico (U, V e W) possui transistores inversores FET para acionar o motor e resistores de medição de corrente, R_S, para detectar as magnitudes da corrente. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os resistores de detecção, R_S, na figura 2 capturam a corrente do enrolamento do motor. Uma conversão de 16 bits usa esse sinal para medir, de forma dinâmica, o torque do motor.  O sensor de efeito Hall captura a posição do motor. Esse sistema captura tanto o torque quanto a posição ao longo do tempo.

Há questões significativas de referência de tensão para compreender o momento de alimentar um sistema de controle do motor trifásico. A isolação é um desafio crucial com o estágio inversor na placa de alimentação, assim como o processador na placa controladora. As referências de terra são diferentes nessas duas placas, exigindo produtos de isolação para proteger os dispositivos e usuários contra possíveis danos e prejuízos.

Uma tensão do acionador de porta em modo comum no motor CA trifásico pode maior que 600 volts, com a modulação por largura de pulso (PWM) chaveando acima de 20 kHz e tempos de subida de 25 volts por nanosegundos para inversores IGBT. Essas características de tensão e tempo de subida requerem dispositivos de isolação para proteger os circuitos sensíveis neste ambiente hostil. É essencial a detecção de correntes para o motor com o mínimo de interferência do sistema. O sensor de escolha para o motor trifásico é um resistor muito pequeno de detecção (R_S). O sistema isolado também melhora a imunidade ao ruído no sistema de controle do motor.

Os sistemas isolados atendem a duas áreas de maior preocupação no projeto: as tensões de modo comum muito altas na ponte e a captura de correntes do motor (I_U, I_V e I_W). Na figura 3, o modulador de entrada ADuM7701 sigma-delta isolado de ±250 milivolt (mV) da Analog Devices fornece sinal digital do lado secundário para o lado primário.

Figura 3: esse circuito do motor CA trifásico usa o modulador ADuM7701 sigma-delta com isolação magnética para capturar as magnitudes de corrente do motor, e o DSP ADSP-CM408F para implementar filtros sinc e avaliar a condição do motor. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Sua temperatura de operação é de -40 °C a 125 °C, com uma imunidade de transiente em modo comum de 10 kV por microssegundos (ms) através da barreira de isolação. A alimentação no lado isolado do ADuM7701 é 4,5 a 5,5 volts, enquanto que o chip DSP ADSP-CM408F funciona a 3,3 volts. Esse sistema supera a dificuldade de isolamento do sinal comum de alta tensão do inversor de potência de chaveamento analógico que aparece através dos resistores shunt de corrente (R_S).

A determinação dos valores do resistor shunt (R_S) I_V e I_W na figura 3 depende da tensão, corrente e exigências da aplicação de potência. Resistores pequenos minimizam a dissipação de energia, mas pode não utilizar toda a faixa de entrada do ADuM7701. Resistores de valor mais alto atingem a máxima relação sinal/ruído (SNR) ao usar toda a faixa de entrada de desempenho do ADC. Por fim, os valores escolhidos são um compromisso entre precisão e baixa dissipação de energia.

A tensão de entrada máxima do modulador ADuM7701 está especificada em ±250 mV. R_S deve ser menor que V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK} para satisfazer essas restrições. Para o exemplo na figura 3, se a classificação da corrente de pico no estágio de potência for 8,5 A, a resistência shunt máxima será 29,4 mΩ.

Funcionamento do modulador sigma-delta

O front end do ADuM7701 é um modulador de segunda ordem com uma faixa de entrada em modo comum de -0,2 volts a +0,8 volts. O circuito modulador sigma-delta de segunda ordem contém dois estágios sigma (integrador) analógicos com dois estágios delta (subtrator) analógicos. A saída desta combinação é comparada a uma tensão de referência, como o potencial terra, para registrar uma saída digital de um bit (figura 4).

Figura 4: o front end do ADuM7701 compreende de um modulador sigma-delta de segunda ordem que combina com dois estágios sigma (integrador) analógico com dois estágios delta (subtrator) analógico. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O sinal de 1 bit gerado é apresentado a um filtro digital/decimador, como também volta a alimentar a um conversor digital-analógico, e depois vai aos estágios subtratores analógicos. Para obter o melhor desempenho geral do ADC, o sinal combina com o ADSP-CM408F para criar um filtro sinc que converte o sinal do modulador em uma palavra de 16 bits completamente operacional. A prontidão do código de 1 bit do modulador fornece condições instantâneas de sobrefaixa. O sistema completo converte as correntes de fase do motor com detecção resistiva para fornecer as informações adequadas de torque do motor.

Filtro Digital

A saída do modulador ADuM7701 se conecta às entradas primárias, secundárias e de clock do filtro digital ADSP-CM408F. O caminho do sinal primário segue ao módulo do filtro sinc/decimação. O caminho do sinal secundário possui comparadores de sobrefaixa para detectar de forma rápida uma condição de falha do sistema.

A frequência do modulador — clock de 5 megahertz (MHz) a 21 MHz (f_M) — e a taxa de decimação (D) definem o desempenho do filtro sinc. A ordem do filtro sinc (O) é uma ordem de grandeza maior que a do modulador. Logo, com o ADuM7701, o filtro sinc é de terceira ordem. A equação 1 mostra a resposta de frequência do filtro.

 Equação 1

Combinar a frequência de decimação com a frequência de chaveamento PWM do motor reduz, de forma significativa, os harmônicos de chaveamento PWM. A resposta de frequência na figura 5 possui zeros nas frequências que são múltiplas pares da frequência de decimação (f_M/D).

 Figura 5: resposta em amplitude do filtro digital sinc de 3^a. ordem. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conclusão

Os motores CA trifásicos de alto desempenho exigem de uma rotação suave até a parada, controle completo do torque na parada, além de acelerações e desacelerações rápidas. A realização desta tarefa de controle do motor requer medições em tempo real das condições de falha, posição e torque do motor. O desafio do projetista é compreender as exigências de precisão do motor CA, selecionar uma estratégia de isolação, escolher um caminho sigma-delta adequado e implementar um filtro digital sinc.

Usando um modulador isolado e um processador de controle de sinal misto, como o ADuM7701 e o ADSP-CM408 da Analog Devices, os projetistas podem criar um sistema robusto de controle do motor, de alta precisão para bombas d’água, bombas de caldeira, retificadoras e compressores.