МИКРОСХЕМЫ ДАТЧИКОВ ТОКА

Выше отмечалось, что датчики тока являются необходимым функциональным элементом систем электропривода. Информация о мгновенных значениях токов, протекающих в фазах ЭМ позволяет формировать требуемые электромагнитные процессы преобразования энергии, управлять моментом и частотой вращения двигателей, обеспечивать безопасную работу силовых ключей.

На практике датчики тока устанавливают либо в шину постоянного тока, либо в фазы электродвигателя (см. рис. 1, ╧7 НЭ). В первом случае сигнал, снимаемый с датчика, будет содержать модулируемые по ширине импульсы с огибающей, повторяющей форму фазного тока (одно- или двуполярность импульсов зависит от принятого алгоритма коммутации силовых ключей). Этот сигнал содержит информацию о частоте ШИМ, о коммутируемом транзисторами токе, о мгновенном токе двигателя. Эти данные легко использовать для реализации различных защит и формирования процессов коммутации в инверторе. Однако сигнал этого датчика нуждается в сложной обработке для получения информации о действующем значении фазных токов и другой информации, необходимой для решения собственно задач управления приводом. Для этих целей наиболее важной является информация с датчиков тока, установленных в фазах двигателя.

Традиционно для построения датчиков тока использовались бесконтактные приборы на эффекте Холла или инструментальные усилители с оптической развязкой. В обоих случаях узел измерения тока был достаточно сложным в настройке и регулировке, содержал большое число дискретных компонентов.

Компания International Rectifier на основе технологии HVIC и схем с плавающим потенциалом, разработала ряд микросхем датчиков тока, позволяющих преобразовывать и обрабатывать сигналы, снимаемые с шунтов, установленных непосредственно в нагрузке.

Интегральная схема IR2175 разработана компанией International Rectifier для реализации токовых обратных связей с широкой полосой пропускания (несущая частота 130 кГц). Схема IR2175 измеряет ток в фазе электродвигателя по падению напряжения на шунте, преобразует этот аналоговый сигнал в цифровой и передает его в низковольтную управляющую часть привода. Схема включения микросхемы представлена на рис. 7.

Рис. 7. Схема включения IR2175

Питание схемы осуществляется по бутстрепной схеме. Выходов у микросхемы два: цифровой и сигнальный. Сигнал цифрового выхода представляет собой широтно-модулированный сигнал с регулированием в паузе. Сигнальный выход выдает информацию о токовой перегрузке и служит для организации защиты силовых транзисторных ключей посредством управления СУТК. Время выработки сигнала о перегрузке составляет 2,0 мкс, что заметно меньше, чем у оптронных датчиков или датчиков на эффекте Холла.

Сравнение параметров датчика IR2175 с параметрами изделий, выпускаемых фирмами Lenze (датчики на эффекте Холла) и Hewlett Packard (оптические датчики) приведено в таблице 1, а на рис. 8 приведен внешний вид сравниваемых приборов.

Рис. 8. Сравнение датчиков тока IR2175 (слева), LTS25-NP (центр), HCPL-7840 (справа)

Интегральные схемы IR2277 и IR22771 являются высокоскоростными датчиками тока с возможностью внешней синхронизации ШИМ-сигнала.

Измерение тока происходит непосредственно в фазе двигателя. В качестве входного сигнала используется напряжение на токовом шунте, которое преобразуется в ШИМ-переменной скважности, сдвигается по уровню и преобразуется в цифровой код. Синхронизируемый цифровой фильтр отсекает высшие гармоники и уменьшает чувствительность к помехам. Максимальная частота выборок составляет 40 кслов/сек, что является соответствует частоте 20 кГц, а задержка при обнаружении аварийной ситуации на этой частоте 7,5 мкс. У микросхемы IR22771 есть только цифровой выход, а у микросхемы IR2277 добавлен еще и аналоговый выход. ШИМ и аналоговые выходные сигналы могут быть непосредственно поданы в микроконтроллер или DSP-процессор.

Защищенная двунаправленная схема сдвига уровня позволяет избежать ошибок измерения при воздействии шумов с dV/dt до 50 В/нс.

На рис. 9 показан пример включения токового сенсора IR2277.

Датчики тока IR22771 и IR2277 также могут вырабатывать сигнал аварии при появлении сквозного тока или тока короткого замыкания для экстренного отключения транзистора или модуля IGBT.

ГОТОВЫЕ ПЛАТЫ УПРАВЛЕНИЯ IGBT-МОДУЛЕМ В ECONO2

Для упрощения труда разработчиков, особенно на стадии проведения НИР и ОКР по созданию приводов малой мощности, компания International Rectifier предлагает готовые решения на основе технологии HVIC. На базе полумостовых СУТК выпускается плата управления IRMD2214 модулем в корпусе Econopac2, содержащем 6 IGBT транзисторов класса 1200 В и рабочим током 50 А при 100°С, а на базе трехфазных СУТК - плата управления IRMD21381.

Обе платы содержат соответствующие СУТК с необходимыми внешними компонентами и токовые шунты для подключения внешних датчиков тока IR2277. Входные и выходные разъемы, установленные на платах позволяют подключать силовое напряжение постоянного тока Ud, источник напряжения 15 В и внешнюю систему управления, с помощью которой можно реализовывать требуемые законы управления инвертором и приводом в цаелом.

Внешний вид демонстрационных плат приведен на рис. 10.

Рис. 10. Демонстрационные платы управления инвертором

Литература

1. Application Note AN1120.

2. IR2114 Date Sheet.

3. IR2214 Date Sheet.

4. IR21381 Date Sheet.

5. IR22381 Date Sheet.

6. IR2175 Date Sheet.

7. IR2277 Date Sheet.