<

>

Open4Lab

Trenutno na tržištu možete kupiti “otvorene” razvojne komplete za kontrolu motora i pretvarače gdje krajnji korisnik može učitati svoje algoritme i software u njih. Međutim, takvi razvojni kompleti su male snage i njihova primarna namjena je omogućiti korisniku/inženjeru da se upozna s DSP-om i razvojnom okolinom.

Pretvarač Open4Lab spaja otvorenost razvojnih kompleta za kontrolu motora i pretvarača sa razinom snage IGBT modula 1200V 100A. To je jedini takav proizvod te snage, jedini koji je “otvoren” i omogućuje korisnicima da razviju svoj algoritam i učitaju ga u pretvarač.

Naša namjera je bila napraviti ovaj inverter kao fleksibilan dio laboratorijske opreme koji se može prilagoditi Vašim aplikacijama (npr. pogon motora, napajanje ili spajanje na mrežu).
Open4Lab inverter pruža širok izbor korisničkih sučelja (optički izolirani USB na JTAG/RS-232, CAN, SPI …) zajedno sa ugrađenim zaštitama uključujući prekostrujnu, prenaponsku, zaštita od previsoke temperature, instrumentacijsko pojačalo, “zaustavljeni DSP”, zaštita desaturacije i elektronički sklop za isključivanje u nuždi (E-STOP).

TEHNIČKA SPECIFIKACIJA

Osnovno





Vrsta motora:




Napajanje:




Struja:


Napajanje logike:


Temperaturni opseg:


Komunikacija:


Ulazi, izlazi:


Senzor položaja:








• Sinkroni AC motor s permanentnim magnetima
• Indukcijski AC motor


750 V DC bus maks.
100 A Ic (Tc=84°C)
200 A Ic maks.


35 A RMS maks. (ovisno o hlađenju)

12 V ili 24 V


Na zahtjev


CAN (ili po narudžbi klijenta)


Po zahtjevu klijenta


• Resolver
• Inkrementalni enkoder
• Magnetski senzor položaja










Općenito

• 4 faze
• IGBT modul visokih performansi
• Integrirani gate driver s nadzorom grešaka i zaštitom
• Izolirana napajanja za gate drivere
• Niskoinduktivni pločasti vodovi (DC bus)
• Mjerenje izlazne struje s povratnom vezom
• Mogućnost namatanja kroz strujni senzor
• Strujni senzor na DC strani
• Detekcija kratkog spoja
• Detekcija prekida rada DSP-a sa gašenjem
• Ventilatori upravljani preko I²C sučelja
• Temperatura do DSP-a preko I²C sučelja
• Filtrirana napajanja 5 V; ±15 V
• Napajanje 24 V
• Svjetlosne diode za provjeru stanja sustava i otkrivanje grešaka
• Kućište (s poklopcem za lak pristup pločici za DSP)

Ploča za DSP

Komunikacijsko sučelje

• USB → JTAG, optički izolirano
• USB → RS232, optički izolirano
• Konektor za vanjski JTAG emulator
• CAN
• SPI
• R/D pretvornik, podesive rezolucije (10, 12, 14 ili 16 bita)

Ostalo

• 5 izoliranih +/- naponskih ulaza
• 8 12-bitnih D/A izlaza sa +/- 10V izlaznim opsegom
• Elektronički sklop za isključivanje u nuždi (E-STOP)

Energetski dio

• 4 dvostruka IGBT modula 100A 1200V
• 5 strujnih senzora sa zatvorenom petljom
• 3 temperaturna senzora
• Hladnjak hlađen sa tri ventilatora promjera 80 mm

KARAKTERISTIKE

Ovaj inverter je namjenjen za laboratorijske i istraživačke aplikacije. U jednom kućištu nudi oboje: energetski sklop sa 4 faze i pločicu za DSP.

Pločica za DSP:

Na pločici za DSP nema DSP-a, već je umjesto njega podnožje koje prihvaća niz kontrolnih kartica koje odgovaraju Texas Instruments DIMM100 standardu, kao što je TI TMDSCNCD28343 Delfino™. Ako komercijalno dostupna kartica nije prikladna, može se koristiti posebno dizajnirana kartica (po narudžbi).

U svrhu programiranja i otkrivanja grešaka, pločica za DSP ima ugrađeni optički izolirani USB>JTAG međusklop. Taj međusklop također nudi i optički izolirani USB>RS232 za komunikaciju sa računala (host) prema DSP-u na kontrolnoj kartici. Korištenje ovog USB>JTAG međusklopa nije nužno; može se spojiti vanjski JTAG emulator preko 14-pinskog konektora.

Tu se nalazi strujni krug za spajanje pet strujnih senzora sa zatvorenom petljom na pločicu za DSP. Za svaki strujni senzor, signal se pretvara u napon nivoa pomaknutog tako da točka nulte struje bude u sredini napona A/D pretvarača. Signal je pomaknut tako da se spriječi bilo kakva šteta A/D pretvarača DSP-a. Dodatno, signal se uspoređuje sa izlazima svojih vlastitih dvokanalnih D/A pretvarača. Ako veličina, u bilo kojem području, pozitivnom ili negativnom, prelazi granicu postavljenu u DSP-u, izlaz sa otvorenim kolektorom će se aktivirati. Taj izlaz sa otvorenim kolektorom se može koristiti da aktivira trip zone ulaz na DSP-u ili da onemogući gate drive za IGBT-ove.

Na pločici za DSP nalazi se pet izoliranih +/- naponskih ulaza. Za svaki ulaz, napon se kodira pomoću sigma delta modulatora, prolazi kroz izolacijsku barijeru, dekodira se i pretvara natrag u analogni. To se ponavlja najmanje svakih 25 µs. Tu je i jedan izvod za greške (fault pin) sa otvorenim kolektorom; on se aktivira kad veličina ulaznog napona dosegne oko 125% nazivnog ulaznog raspona.

Tu je i elektronički sklop za isključivanje u nuždi (E-STOP). Na njega se može spojiti vanjski prekidač ili se ta funkcija može onemogućiti pomoću kratkospojnika. Dodatno, izlaz s otvorenim kolektorom može pokrenuti isključivanje u nuždi. Izlaz sa otvorenim kolektorom sa strujnog ili naponskog ulaza može se spojiti tako da pokrene isključivanje u nuždi kao odgovor na visoku struju ili napon.

Razlučivost resolvertodigital međusklopa je podesiva na 10, 12, 14 ili 16 bita ovisno o zahtjevima aplikacije. Amplituda uzbude je programabilna, tako da nije potreban potenciometar. Sinus i kosinus signali prolaze na svom putu do resolver čipa kroz instrumentacijsko pojačalo, što daje otpornost na šum (common noise).

Na pločici je i osam 12-bitnih D/A izlaza sa rasponom +/- 10V. Njima nije unaprijed određena funkcija i mogu se koristiti za što god se želi.

Standardni CAN primopredajnik je spojen na CAN-TX i CAN-RX izvode DIMM100 podnožja. To omogućava DSP-u komunikaciju putem CAN-a.

Dodatna funkcionalnost može se dodati putem SPI sučelja. SPI signali (data in, data out, clock, (2x) chip select) kao i 5V, 3,3V i GND dostupni su putem 10-pinskog header konektora.

Energetski dio i mjerenje struje

Energetski dio se sastoji od četiri dvostruka IGBT modula 100A 1200V, koji sadrže četiri polumosta. Dva kondenzatora od polipropilena montirani su na pločastu strukturu malog induktiviteta.

Energetski dio je montiran na crni eloksirani hladnjak. Tri termalna senzora su montirana na hladnjak (između četiri IGBT modula). Tri ventilatora promjera 80mm mogu se napajati nezavisno da bi se hladio hladnjak prema potrebi.

Ovdje je pet senzora sa zatvorenom petljom. Četiri senzora mjere struju za svaki polumost; jedan mjeri struju na DC strani. Mehanička konstrukcija omogućava mjerenja jakih struja i točno mjerenje slabih struja. Za jake struje senzor je smješten direktno oko izvoda (bus bar). Za slabe struje senzor je odmaknut od izvoda. Žica je namotana više puta kroz strujni senzor i spojena na izvod. To omogućava da se inverter može koristiti za aplikacije slabe i jake struje.

IGBT kontrolna pločica:

IGBT kontrolna pločica izvodi mnoge funkcije i objedinjuje sve što čini funkcionalni laboratorijski inverter. Ova pločica nosi gate drive pločice, osigurava potrebna napajanja, kontrolira tri 80mm ventilatora i provodi zaštitu IGBT-a.

Pločica za DSP je spojena na IGBT kontrolnu pločicu preko 40-žilnog trakastog kabela. Svi signali i napajanja prolaze kroz taj kabel. IGBT kontrolna pločica osigurava +5V, +15V i -15V za DSP pločicu preko tog kabela.

Četiri gate drive pločice su montirane na IGBT kontrolnu pločicu. Svaka gate drive pločica upravlja dva IGBT-a u jednom modulu. Svaka gate drive pločica daje natrag zaštitnom sklopu IGBT-a stanje desaturacije. Gornja i donja strana IGBT-a su zaštićene pomoću zaštite desaturacije – svih osam IGBT-a su zaštićeni. Greška desaturacije je zabilježena preko zaštitnog sklopa IGBT-a. DSP komunicira sa zaštitnim sklopom i može provjeriti stanje grešaka kao i poništiti bilo koju grešku.

Zaštitni krug IGBT-a isto tako provodi zaštitu “zaustavljeni DSP”. Ako je DSP zaustavljen preko JTAG sučelja, PWM izlazi su “zamrznuti”. To može dovesti do situacije gdje struja nastavlja rasti dok se ne aktivira zaštita desaturacije. Takvo ponašanje je nepoželjno; potreban je puno elegantniji mehanizam gašenja. Prije nego zaštitni krug IGBT-a dopusti IGBT-ovima da se upale, DSP mora zaštitnom krugu poslati “timeout” vrijednost. Jedan izlaz DSP-a je rezerviran za tu (heartbeat) funkciju. DSP taj izlaz periodički mijenja. Ako se ne mijenja određeno vrijeme (timeout), svih osam IGBT-a je ugašeno.

Kontrola temperature se provodi pomoću I²C sučelja. DSP može očitati sva tri temperaturna senzora i kontrolirati sva 3 ventilatora preko I²C sučelja.

Primjena

Software infrastruktura

Texas Instruments DIM100 kartice se koriste u brojnim razvojnim kompletima npr. za kontrolu motora, napajanje itd. Naš 4-fazni inverter koristi prednosti te činjenice. Prvo, tko god ima iskustva sa spomenutim Texas Instruments kompletima, može primjeniti to iskustvo na našem 4-faznom inverteru. Drugo, može se koristiti postojeća software infrastruktura. Inverter se može programirati direktno iz Code Composer Studio™ programa (preko ugrađenog, optički izoliranog JTAG sučelja) kao bilo koji Texas Instruments komplet. Moguća je i integracija sa alatima kao što su VisSim™ i MATLAB®.

Primjeri konfiguracije

Pogon motora i napajanje:
• Pogon sinkronog ili asinkronog AC motora. Četvrta faza se može spojiti na otpornik kočnice.
• Pogon sinkronog AC motora/generatora. Četvrta faza se koristi za uzbudu rotora.
• Pogon 3-faznog AC motora sa DC izvora niskog napona. Četvrta faza se koristi za podizanje napona iznad razine DC napajanja (boost converter).
• Pogon DC motora.
• Pogon dva DC motora dvosmjerno – dva polu-mosta po motoru.
• Višestruki (najviše 4) pretvarač (buck converter) sa jednog DC napajanja.

Izolirani naponski ulazi se mogu spojiti na AC mrežu. Inverter se može softwareski sinkronizirati s mrežom (PLL) što omogućava razne primjene.
Evo nekih primjera spajanja na mrežu:
• Dva invertera spojena „back-to-back“ između AC mreže i motora sa mogućnošću protoka energije u oba smjera.
• Tri faze se mogu spojiti na AC mrežu. Četvrta se spaja na bateriju i koristi se kao pretvarač (boost + buck) za protok energije u oba smjera između baterije i AC mreže.

Gore su navedeni samo neke moguće konfiguracije – postoje brojne druge mogućnosti. Naša namjera je bila napraviti ovaj inverter kao fleksibilan dio laboratorijske opreme. Nadamo se da se može prilagoditi Vašoj aplikaciji. Međutim, priznajemo da neće biti dostatan za sve primjene, pa Vas molimo da se u tom slučaju slobodno obratite. Vrlo rado ćemo napraviti promjene i dodatke da ga učinimo prikladnim za Vašu aplikaciju.

Ogledni program vektorskog upravljanja (FOC) za 3-fazni motor s permanentnim magnetima koji dobivate uz Open4Lab može se koristiti kao osnova za vlastite aplikacije.

Upit za Open4Lab