Martin Staebler, Roland Bucksch, Jiri Panacek
ABSTRACT
Questa nota applicativa presenta i modulatori a isolamento funzionale AMC0106M05 e AMC0106M25 di recente introduzione. La versione M05 supporta un intervallo di ingresso lineare di ±50 mV, che sale a ±250 mV per la variante M25. Entrambi i dispositivi sono disponibili in un package di tipo small lead-less. I dispositivi AMC0106Mxx permettono di progettare sottosistemi affidabili e precisi per il rilevamento della corrente, basati su shunt, per inverter trifase dal piccolo fattore di forma. Fra le applicazioni tipiche rientrano i servoazionamenti e i robot collaborativi o umanoidi alimentati con alimentatori al di sotto di 60 V. La presentazione prevede un progetto di circuito ed esempio di layout per un inverter al GaN trifase da 48 V con alimentatore bootstrap di avvio con intervallo di corrente lineare di ±50 A. Il progetto si basa sulla variante AMC0106M05 con shunt di 1 mΩ. I risultati dei test sono presentati in modo da evidenziare come si ottenga una risoluzione di misurazione fino a 14 ENOB (effective number of bits, numero effettivo di bit). La misurazione della corrente in fase non è influenzata dalla commutazione PWM, il che conferma l’elevata immunità ai transienti di modo comune. Infine, è dimostrato che la tensione di ondulazione causata dall’alimentazione bootstrap non ha alcun effetto sulla misurazione della corrente in fase per un ampio intervallo di duty cycle PWM.
1 Introduzione
Gli inverter trifase ad alte prestazioni, operanti a tensioni comprese fra 24 V e 60 V, sono sempre più apprezzati nelle applicazioni industriali emergenti, come i servoazionamenti ad alta efficienza e i robot collaborativi, chirurgici e umanoidi. Un rilevamento affidabile e accurato della corrente in fase è fondamentale in queste applicazioni, al fine di ottenere una coppia fluida e un controllo preciso della posizione. Queste applicazioni presentano notevoli vincoli in termini di spazio e gli inverter trifase sono spesso integrati all’interno del motore elettrico. Per questi motivi sono importanti dimensioni ridotte del progetto, con un basso profilo, e la possibilità di lavorare a temperature ambiente elevate,
fino a 125 °C. Il rilevamento della corrente in fase, basato su shunt, come mostrato in Figura 1-1, offre la massima risoluzione di misurazione della corrente del motore e rappresenta una struttura standard nel settore per gli azionamenti motore ad alte prestazioni. I nuovi modulatori a isolamento funzionale AMC0106Mxx di TI, con un package di tipo small lead-less rendono possibile tale misurazione con dimensioni del progetto molto inferiori rispetto a quanto è stato possibile realizzare finora.
Figura 1-1. Inverter trifase a 48 V con rilevamento della corrente in fase basato su shunt
2 Sfide di progettazione
Il rilevamento della corrente di fase in linea permette di ottenere prestazioni migliori, misurazione continua e un controllo più reciso della corrente di fase del motore elettrico sull’intero ciclo PWM, rispetto al rilevamento con shunt low side. In un sistema di rilevamento con shunt low side, la corrente è discontinua e la corrente di fase può essere misurata solo durante parte del periodo PWM, quando l’interruttore di alimentazione low side è attivo. Questi sistemi offrono generalmente un controllo a circuito chiuso della corrente di fase meno accurato e con larghezza di banda inferiore. Pertanto, il rilevamento della corrente di fase in linea costituisce solitamente la scelta d’elezione per i servoazionamenti e per le applicazioni nel campo della robotica. La tensione di fase, tuttavia, è a modulazione di larghezza di impulso ed è commutata periodicamente fra GND e la tensione del bus CC, generalmente pari a 48 V. Il microcontroller fa riferimento a GND. Ne deriva che il sottosistema di rilevamento della corrente in fase deve essere in grado di gestire un’elevata tensione di modo comune ed elevati transienti di modo comune. Lo slew rate dei transienti di modo comune è nell’ordine dei 10 V/ns. Con l’avvento di FET al GaN a commutazione rapida, gli slew rate sono sensibilmente più elevati. Un’interfaccia digitale fra il microcontroller e i sensori di corrente è preferibile in quanto migliora l’integrità del segnale ed elimina le problematiche associate al rimbalzo di massa durante la commutazione.
La Figura 2-1 mostra uno schema semplificato di una delle correnti di fase del motore e la tensione PWM corrispondente nel corso di un singolo ciclo PWM. Per un controllo a circuito chiuso è sufficiente misurare la corrente in fase al centro della PWM. Per duty cycle PWM di piccola entità, il fronte di salita o di discesa della commutazione PWM ricade nella finestra di campionamento dell’ADC delta-sigma. Il duty cycle è definito come il tempo di attivazione del FET high side in relazione al periodo della PWM.
Un approccio alternativo consiste nel campionamento continuo delle correnti di fase a una frequenza di campionamento molto più elevata della frequenza PWM. Viene quindi calcolata una media dei singoli campioni per ottenere una misurazione accurata della corrente media e per eliminare l’ondulazione di corrente intrinseca. Questo metodo supporta inoltre il rilevamento rapido di cortocircuiti e sovracorrente, mentre frequenze di campionamento fino a 2,5 Msps non sono rare. Un caso d’uso avanzato per il sovracampionamento continuo è la manutenzione predittiva. Ad esempio, l’analisi della firma spettrale della corrente in fase consente di rilevare guasti ai cuscinetti nelle prime fasi.
Per entrambi gli approcci, la commutazione PWM ha luogo durante il campionamento della corrente in fase. Pertanto è fondamentale che il sensore della corrente in fase sia immune ai transienti di tensione di modo comune e che la commutazione PWM non vada a incidere sull’accuratezza di misurazione.
Figura 2-1. Campionamento della corrente per controllo della corrente di fase a circuito chiuso e rilevamento di cortocircuito
Un sottosistema di rilevamento della corrente per servoazionamenti ad alte prestazioni deve soddisfare i seguenti requisiti:
- Accuratezza elevata: migliore dell’1%
- Alta risoluzione: migliore di 12 ENOB (numero effettivo di bit)
- Basso ritardo di propagazione (latenza): <20 µs
- Tensione di modo comune elevata: >60 V
- Elevata immunità ai transienti di modo comune (CMTI): >>10 V/ns
- Rapido rilevamento di cortocircuiti: <2 µs
- Un’interfaccia digitale con elevata immunità alle interferenze elettromagnetiche, come le RF condotte e i picchi di transienti veloci
- Immunità ai campi magnetici esterni
- Piccole dimensioni e basso profilo del progetto del circuito stampato
3 Approccio di progettazione
Esistono diversi progetti per il rilevamento della corrente in fase in applicazioni con vincoli di spazio, nelle quali un fattore di forma ridotto e un’altezza ridotta sono caratteristiche fondamentali. Sensori di Hall integrati nel package, shunt con amplificatori non isolati e shunt con amplificatori isolati oppure modulatori delta-sigma isolati sono solo alcuni esempi.
Il rilevamento della corrente basato su shunt con un modulatore delta-sigma offre la massima risoluzione di misurazione ed è il metodo d’elezione per gli azionamenti motore ad alte prestazioni. L’interfaccia digitale con il microcontroller offre l’ulteriore vantaggio dell’immunità EMC. Per un funzionamento a tensioni <60 V è sufficiente l’isolamento funzionale.
