工业中的电机控制系统（工业电动机）

隔离用户和敏感电子元件是电机控制系统中的一个重要考虑因素。安全隔离用于保护用户免受有害电压的影响，而功能隔离则专门用于保护设备和组件。电机控制系统可能包含各种隔离器件，例如：驱动电路中的隔离栅极驱动器；检测电路中的隔离ADC、放大器和传感器；和隔离SPI、RS-485、标准数字隔离器。无论是出于安全原因还是为了优化性能，都需要仔细选择这些设备。

虽然隔离是一个重要的系统考虑因素，但它也有缺点：功耗增加、穿过隔离屏障传输数据的延迟以及系统成本增加。系统设计人员传统上转向光隔离解决方案，多年来它是系统隔离的最佳选择。

在过去的十年中，基于磁性（变压器传输）方法的数字隔离器提供了一种可行且在许多情况下更优越的替代方案；从系统的角度来看，它们还提供了系统设计人员可能尚未意识到的优势。接下来介绍两种隔离解决方案，重点介绍磁隔离对延迟时序性能的提升以及它为电机控制应用带来的系统级优势。

隔离方法

光耦合器利用光作为主要传输方法，如图1 所示。发送侧包括LED。高电平信号点亮LED，低电平信号关闭LED。接收端使用光电探测器将接收到的光信号转换回电信号。隔离由LED 和光电探测器之间的成型材料提供，但也可以通过额外的隔离层（通常基于聚合物）来增强。

图1. 光耦合器结构

光耦合器的最大缺点之一是随着LED的老化，传输特性会发生漂移；设计者必须考虑这个额外的问题。 LED 老化会导致定时性能随时间和温度变化。因此，信号传播和上升/下降时间会受到影响，从而使设计变得复杂，特别是考虑到本文后面讨论的问题。

光耦合器的性能扩展也受到限制。为了提高数据速率，必须克服光耦合器固有的寄生电容问题，这会导致功耗增加。寄生电容还提供了一种耦合机制，导致基于光耦合器的隔离器件的CMTI（共模瞬态抗扰度）性能低于竞争解决方案。

磁隔离器（基于变压器）已大规模使用十多年，是光耦合器的有效替代品。此类隔离器基于标准CMOS 技术，并采用磁传输原理。隔离层由聚酰亚胺或二氧化硅组成，如图2 所示。低电平电流脉冲通过线圈，产生穿过隔离屏障的磁场，并在另一侧的第二个线圈中感应出电流的隔离屏障。由于采用标准CMOS结构，在功耗和速度方面具有明显优势，并且不存在光耦相关的寿命偏差问题。此外，基于变压器的隔离器的CMTI 性能优于基于光耦合器的隔离器。

图2 磁性变压器结构

基于变压器的隔离器还允许使用传统的信号处理块（以防止传输杂散输入）和先进的传输编码和解码机制。这使得双向数据传输成为可能，使用不同的编码方案来优化功耗与传输速率，以及将重要信号更快、更一致地传输到隔离屏障的另一侧。

延迟特性比较

所有隔离器的一个重要但经常被低估的特性是它们的传播延迟。该特性测量信号（可以是驱动信号或故障检测信号）沿任一方向穿过隔离栅所需的时间。根据技术的不同，传输延迟差异很大。通常会提供典型的延迟值，但系统设计人员特别关心最大延迟，这是设计电机控制系统时要考虑的一个重要特性。表1 给出了光耦合器和磁隔离栅极驱动器的传播延迟和延迟偏移值的示例。

表1：光耦合器和磁隔离器的典型延迟特性

如表1所示，磁隔离在最大延迟和延迟重复性（偏差）方面具有明显的优势。这样，电机控制设计人员将对他们的设计更有信心，而无需增加时序裕度来满足栅极驱动器特性。这对于电机控制系统的性能和安全性具有重要意义。

对电机控制系统的系统性影响

图3 显示了交流电机控制应用中使用的典型三相逆变器。逆变器由直流母线供电，直流母线通常通过二极管桥式整流器和电容/电感-电容滤波器直接从交流电源产生。在大多数工业应用中，直流总线电压在300 V 至1000 V 范围内。脉宽调制(PWM) 方案用于以5 kHz 至10 kHz 的典型频率开关功率晶体管T1 至T6，从而产生电机端子上的可变电压、可变频率的三相正弦交流电压。

图3. 电机控制应用中的三相逆变器

PWM 信号（例如PWMaH 和PWMaL）在电机控制器（通常使用处理器和/或FPGA 实现）中生成。这些信号通常是低电压信号并且与处理器共享地。为了正确地接通和关断功率晶体管，逻辑电平信号的电压电平和电流驱动能力必须被放大并且还必须被电平转换，使得相关功率晶体管的发射极以地为参考。根据处理器在系统中的位置，这些信号可能还需要安全隔离。

栅极驱动器（图3 中的GDRVaL 和GDRVaH）执行此功能。每个栅极驱动器IC 都需要一个以处理器接地为参考的主电源电压和一个以晶体管发射极为参考的辅助电源。次级电源的电压电平必须能够开启功率晶体管（通常为15V），并具有足够的电流驱动能力来对晶体管栅极进行充电和放电。

逆变器死区时间

功率晶体管的开关时间有限，因此必须在上下桥晶体管之间的脉宽调制波形中插入死区时间，如图4所示。这是为了防止两个晶体管同时意外导通，导致高压直流总线短路，从而可能导致系统故障和/或损坏风险。死区时间的长度由两个因素决定：晶体管开关时间和栅极驱动器传播延迟失配（包括失配中的任何漂移）。换句话说，死区时间必须考虑PWM 信号从处理器到高侧和低侧栅极驱动器之间的晶体管栅极的传播时间差异。

图4. 死区时间插值

死区时间会影响施加到电机的平均电压，尤其是在低速运行时。实际上，死区时间会导致误差电压的大小近似恒定：

其中，VERROR 为误差电压，tDEAD 为死区时间，tON 和tOFF 为晶体管开通和关断延迟时间，TS 为PWM 开关周期，VDC 为直流母线电压，VSAT 为导通电压。功率管的状态压降，VD 为二极管的导通电压。

当一相电流改变方向时，误差电压改变极性，因此当线电流过零时，电机线间电压出现阶跃变化。这会引起基波正弦电压的谐波，进而在电机中产生谐波电流。对于开环驱动器中使用的大型低阻抗电机来说，这是一个特别重要的问题，因为谐波电流可能很大，导致低速振动、扭矩脉动和谐波发热。

在以下条件下，死区时间对电机输出电压失真的影响最为严重：

高直流母线电压

死区时间长

高开关频率

低速工作，特别是在控制算法不添加任何补偿的开环驱动器中

低速操作很重要，因为在这种模式下，所施加的电机电压在任何情况下都非常低，并且死区时间引起的误差电压可能占所施加电机电压的很大一部分。此外，由于误差电压引起的失真抖动的影响更为有害，因为系统惯性的过滤仅在较高速度下可用。

在所有这些参数中，死区时间长度是唯一受隔离栅极驱动器技术影响的参数。死区时间长度的一部分由功率晶体管的开关延迟时间决定，但其余部分与传播延迟失配有关。在这方面，光隔离器显然不如磁隔离技术。

应用实例

为了说明死区时间对电机电流畸变的影响，下面给出基于三相逆变器的开环电机驱动结果。

逆变器栅极驱动器采用ADI的磁隔离器(ADuM4223ADuM4223)直接驱动IR的IRG7PH46UDPBF1200VIGBT。直流母线电压为700V。变频器以开环V/f 控制模式驱动三相感应电机。使用电阻分压器和分流电阻器，结合隔离式 调制器（也是Analog Devices 的AD7403），分别测量线电压和相电流。每个调制器输出的单位数据流被发送到控制处理器（ADI 公司的ADSP-CM408）的sinc 滤波器，其中数据被过滤和提取，以产生电压和电流信号的准确表示。

sinc数字滤波器输出的线电压测量结果如图5所示。实际线电压是10kHz的高开关频率波形，但被数字滤波器滤掉，以便显示开关频率的低频部分。我们的兴趣。相应的电机相电流如图6所示。

图5. 测得的线间电机电压：（左）500 ns 死区时间；（左）500 ns 死区时间； （右）1 s 死区时间

图6. 测得的电机电流：（左）500 ns 死区时间；（左）500 ns 死区时间； （右）1s 死区时间

ADuM4223 栅极驱动器的传播延迟失配为12ns，允许使用IGBT 开关所需的绝对最小死区时间。对于IRIGBT，最小死区时间可设置为500ns。从左图可以看出，这种情况下的电压畸变很小。同样，相电流也非常正弦，因此扭矩脉动最小。右图显示了死区时间增加到1s时的线电压和相电流。由于光耦合栅极驱动器具有较大的传播延迟失配和漂移，该值更能代表其需求。电压和电流的畸变显着增加。本例中使用的感应电机是相对较小的高阻抗电机。

在较高功率端应用中，感应电机阻抗通常要低得多，导致电机电流失真和扭矩纹波增加。扭矩脉动可能在许多应用中产生不利影响，例如降低电梯的乘坐舒适度或机械系统中的轴承/联轴器磨损。

过流关断

现代栅极驱动器的另一个重要问题是在IGBT 上执行来自处理器的关闭命令的速度有多快。在过流检测不是栅极驱动器本身的一部分而是作为感测和滤波电路的一部分实现的情况下，这对于过流关断非常重要。这方面的另一个压力是高效IGBT 的短路耐受时间缩短。就此而言，IGBT技术的趋势是从行业标准的10s缩短到5s甚至更短。如图7所示，过流检测电路通常需要几微秒来锁定故障；为了顺应总体发展趋势，必须采取措施缩短这一检测时间。该路径中的另一个主要因素是从处理器/FPGA 输出到IGBT 栅极（栅极驱动器）的传播延迟。

同样，磁隔离器比光学器件具有明显的优势，因为前者的传播延迟值非常小，通常在50ns 左右，并且不再是一个因素。相比之下，光耦合器的传播延迟约为500ns，占总时序预算的很大一部分。

图7. 故障关断时序

电机控制应用的栅极驱动器关断时序如图8 所示，其中处理器的关断命令遵循IGBT 栅极发射极信号。从关断信号开始到IGBT 栅极驱动信号接近0 的总延迟仅为72 ns。

图8. 过流关断栅极驱动器时序

概括

随着对系统性能、效率和安全性的日益关注，电机控制架构师在设计稳健的系统时面临着日益复杂的挑战。基于光耦合器的栅极驱动器是传统的选择，但基于变压器的解决方案不仅在功耗、速度和时间稳定性方面更具优势，而且正如本文所讨论的，由于基于变压器的解决方案在系统性能和安全性方面也具有显着优势缩短信号延迟。在这方面也有明显的优势。这使得设计人员能够自信地缩短死区时间并提高系统性能，同时防止上下桥开关同时导通。

此外，它还能够更快地响应系统命令和错误，这也增强了系统可靠性并提高了安全性。鉴于这些优势，基于变压器的隔离式栅极驱动器已成为电机控制系统设计的主要选择；强烈鼓励系统设计人员在设计下一个项目时将设备延迟视为一个重要要求。

审稿编辑：唐子红