Преодоление трудностей в измерении фазного тока электрических машин

Повышение точности управления электродвигателями стало необходимым из-за массовой электрификации не только производственных и бытовых потребителей, но и автомобильного транспорта. Электронный усилитель руля, система автоматического торможения, электронная система контроля устойчивости, автоматическое вождение – все электроприводы перечисленных систем нуждаются в очень точном управлении, так как от них напрямую зависит безопасность и эффективность работы всего автомобиля.

В данной статье будут рассматриваться  проблемы измерения фазного тока электрических машин с помощью различных методик и устройств. Также попытаемся рассмотреть, как с помощью улучшения измерения фазного тока можно повысить эффективность управления электродвигателем.

Почему измерения тока так важно для системы управления электроприводом?

Измерения тока в цепи электродвигателя проводят по двум основным причинам:

  • Защита от коротких замыканий;
  • Построение алгоритма управления электрической машиной;

Также немаловажную роль играет обратная связь по току и для отслеживания токовых перегрузок в цепи сверх допустимых по величине и времени, что позволяет выявить и устранить неисправность в системе. Такая система используется для идентификации состояния заклинивание вала электродвигателя, диагностики параметров машины и других функций. При обнаружении состояния перегрузки по току система автоматического управления сможет принять меры для предотвращения возможного ущерба. Схемы таких защит могут быть самые различные, от примитивных, до комплексных систем автоматического регулирования.

Микроконтроллер, управляющий электродвигателем, в первую очередь использует значения тока машины для вычисления вращающего момента или скорости вращения вала. Но для вычисления скорости чаще всего используют обратную связь по скорости.

Управления трехфазным электродвигателем

В данной статье основное внимание будет обращено на измерения в трехфазных устройствах. Благодаря современным технологиям большое распространение получили вентильные электродвигатели (BLDC). Они имеют сложную систему управления и поддерживают четыре способа измерения тока:

  • На стороне положительного полюса звена постоянного напряжения;
  • На стороне отрицательного полюса звена постоянного напряжения;
  • Фазный ток в цепи ШИМ регулятора;
  • Фазный ток в цепи электродвигателя;

Это показано на рисунке ниже:

chetyre-sposoba-izmereniya-toka-trexfaznogo-elektrodvigatelya

Измерения величины тока на стороне положительного полюса постоянного напряжения, как правило, используется только для  обнаружения неисправностей в цепи электродвигателя. Величина постоянного напряжения  будет напрямую зависеть от мощности электрической машины, что может сделать его слишком высоким для некоторых простых устройств измерения. Кроме того, измеряемый таким образом ток будет суммарным для всех трех фаз.

Измерения величины тока на стороне отрицательного полюса постоянного напряжения, как правило, используется только для  обнаружения неисправностей в контуре. Исходя из схемы, напряжение на данном датчике должно быть равно нулю, что позволит значительно расширить диапазон устройств, которые могут быть применены для данного измерения. Как и в случае с положительным полюсом, такое расположение датчика тока не сможет измерить ток одной фазы машины. Для его измерения необходима реализация сложных алгоритмов в микроконтроллере, что повлечет за собой снижение суммарной производительности системы.

Измеряя ток фазы в преобразователе, получим значение максимально приближенное к фазному току электродвигателя, но это не совсем он. Таким образом, ошибка вводится по отношению к истинному значению тока фазы. Фазный датчик подключается к заземленному участку цепи, что не совсем характерно для трехфазной системы.

Такой способ измерения имеет преимущество в том, что напряжение на усилители, по сути, равно напряжению «земли», что позволяет применять для измерений усилители низкого напряжения. Тем не менее, в связи с характером тока через транзисторы,  усилитель высокой скорости нарастания выходного напряжения должен реагировать на динамическое изменение тока в каждом плече. Для многих случаев применяют способ измерения тока только в двух фазах, значение в третьей фазе вычисляет микроконтроллер.

И последний вариант измерения – это измерение тока непосредственно в самой фазе электрической машины для реализации алгоритма управления электродвигателем. Основной задачей является то, что выходное напряжение инвертора генерируется с помощью ШИМ модуляции, что приводит к дискретности выходного сигнала. Это, в свою очередь, приводит к повышенным требованиям к токоизмерительному усилителю,  который должен иметь очень хороший коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС).

Измерение фазного тока

Частота сигнала, измеренного токоизмерительным усилителем, имеет две составляющие:

  • Дифференциальный (полезный) сигнал, относительно узкополосный и малой амплитуды;
  • Синфазный ШИМ (вредный) сигнал, широкополосный и большой амплитуды;

Идеальный токовый усилитель должен обрабатывать только дифференциальный сигнал, фильтруя остальные. А это высокое напряжение в сочетании с быстрым ΔV/ΔT ставит серьезный вызов проектировщику и значительно ограничивает диапазон усилителей, которые могут быть применены к данной системе. Такие измерения, как правило, включают только в те приложения, которые требуют максимально точного измерения фазового тока, например, для электронных гидроусилителей руля.

Минимизация влияния ШИМ на выходной сигнал

Синфазный сигнал ШИМ приводит к несбалансированному входу усилителя, что, в свою очередь, приводит к искажению выходного сигнала токоизмерительного усилителя. Идеальная система должна «уметь игнорировать» искажения входного сигнала и иметь сбалансированный вход. Большинство усилителей для измерения тока, которые используются для реализации непрерывного управления электродвигателем, используют высокую пропускную способность для уменьшения влияния помех:

trebuemoe-vremya-uspokoeniya-sinfaznogo-shim

С другой стороны, более высокие частоты ШИМ повышает эффективность работы электродвигателя. Новый Texas Instruments INA240 использует улучшенную конструкцию отбраковки ШИМ, чтобы свести к минимуму требуемое время закрытия, таким образом повышая достижимую эффективность системы управления электродвигателями:

trebuemoe-vremya-uspokoeniya-sinfaznogo-shim-pri-ispolzovanii-ina240

Вывод

Если значение фазного тока имеет решающее значение для правильного функционирования системы,  то измерения тока непосредственно в фазе электродвигателя будет наилучшим решением. Измерение тока непосредственно в фазе обеспечивает более быстрый отклик и более высокую точность, тем самым повышая эффективность системы управления электроприводом.

Однако синфазный сигнал ШИМ создает проблемы для токоизмеряющего усилителя. Выбирая усилитель необходимо учитывать данный фактор.

Posted in Без рубрики

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подтвердите, что Вы не бот — выберите человечка с поднятой рукой: