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Analog Devices

Digitalisolatoren in AC-Motorsteuerungen

27. Mai 2013, 9:23 Uhr | Gaetano Fichera und Yu-Hin Wong

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Motorphasenströme zuverlässig bestimmen

Die meisten Motorsteuerungen nutzen den Motorphasenstrom als primäre Rückkopplung. Für eine kontinuierliche Rückkopplung werden Shunt-Widerstände mit sehr niedrigen Werten in Serie zu den Motorphasen geschaltet. Dies jedoch verursacht eine zusätzliche Komplexität, mit der man Signale mit mV-Pegeln und Gleichtaktspannungshübe mit Hunderten von Volt messen muss, die mit hohen Frequenzen und schnellen dv/dt-Werten schalten. Um hier den Strom durch die Motorwicklungen zu messen, wurde auf zwei isolierte ΣΔ-Modulatoren des Typs AD7401A zurückgegriffen. Der digitale Bitstrom wird anschließend verarbeitet. Dazu werden digitale Filterschaltungen am Motorsteuerungs-IC verwendet.

Den dritten Phasenstrom kann man mathematisch aus den anderen beiden erhalten. Der AD7401A integriert in einem Gehäuse eine differenzielle Track&Hold-Stufe, einen ΣΔ-Modulator und Digitalisolation. Das Analogsignal auf der Hochvoltseite wird in einen seriellen Datenstrom gewandelt. Dieser wird dann über die Isolationsstrecke auf die Niedervoltseite übertragen. Außerdem enthält der Baustein einen Takteingangspin, der es ermöglicht, die Messungen an jedem Bauteil simultan mit nur einer Taktquelle durchzuführen. Wie Tabelle 2 zeigt, gibt es Optokoppler mit ähnlich hoher Integrationsdichte und zu vergleichbaren Kosten. Allerdings bietet die Digitalisolator-Technologie je nach Konstruktion der Bauteile Vorteile hinsichtlich Energiebedarf, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit.

	AD7401	Optokoppler-Lösung
Größe (mm²)	116	77
Kosten ($, bei 1.000 Stück)	3,8	3,8
Anzahl der Bauteile	1	1
Max. Übertragungsgeschwindigkeit (Mbit/s)	20	10
Dielektrische Isolation (VRMS)	5.000	5.000
MTTF (106 h)	1.576	4,9
Leistung (mW)	70	91
Auflösung (bit)	16	16
Verstärkungsfehler (%)	0,5	1
SNR (dB)	80	68
Offset-Drift (μV/°C)	3,5	3,5

Tabelle 2. Bei der Phasenstrommessung bieten einige Optokoppler zwar eine ähnlich hohe Integrationsdichte; Digitalisolatoren haben jedoch Vorteile in Bezug auf Energiebedarf und Zuverlässigkeit.