Применение обратной связи переменной точности для повышения быстродействия контура тока в инверторах на базе GaN-транзисторов

Предмет исследования. С появлением силовых электронных устройств на полупроводниках с широкой запрещенной зоной, таких как SiC (карбид кремния) и GaN (нитрид галлия), частота широтно-импульсной модуляции увеличилась. В современных сервоприводах, использующих транзисторы на базе GaN, частота коммутации может достигать 100 кГц и более. В этом случае быстродействие электропривода ограничивается не частотой широтно-импульсной модуляции, а задержкой в измерении обратной связи по току. Однако при использовании в электроприводе датчиков тока с дельта-сигма модуляцией, задержку в обратной связи можно регулировать соответствующим изменением точности измерения.
Метод. Рассмотрено применение менее точной, но более быстрой обратной связи в случае, когда ошибка между заданным и реальным значениями тока двигателя велика. В случае небольшой ошибки значения тока предложено использование более медленной, но точной обратной связи. Изменение скорости отработки задания требует одновременного изменения параметров регулятора тока.
Основные результаты. Выполнено исследование представленного алгоритма на виртуальной модели сервопривода. Проведено сравнение адаптивного регулятора тока со стандартным регулятором при разных настройках. Показано, что за счет применения предложенного алгоритма быстродействие контура тока увеличивается вдвое без потери точности поддержания сигнала по сравнению со стандартным вариантом. Применение алгоритма позволило вдвое повысить частоту среза контура тока. Результаты получены для сигнала с линейной частотной модуляцией в качестве регулируемой величины.
Практическая значимость. Предложенный способ измерения обратной связи в контуре тока позволяет увеличить быстродействие сервопривода в целом за счет увеличения быстродействия его внутреннего контура без потери точности регулирования.

1. Homann M., Schumacher W. High bandwidth phase voltage and phase current control loop of a permanent magnet synchronous motor based on delta sigma bitstreams // Proc. of the 2016 18th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’16 ECCE Europe). 2016. P. 1–10. https://doi.org/10.1109/EPE.2016.7695308

2. Hirota A., Saha S., Mun S.-P., Nakaoka M. An advanced simple configuration delta-sigma modulation three-phase inverter implementing space voltage vector approach // Proc. of the 2007 IEEE Power Electronics Specialists Conference. 2007. P. 453–457. https://doi.org/10.1109/PESC.2007.4342030

3. Jarzebowicz L. Impact of low switching-to-fundamental frequency ratio on predictive current control of PMSM: A simulation study // Proc. of the 2018 25th International Workshop on Electric Drives: Optimization in Control of Electric Drives (IWED). 2018. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/IWED.2018.8321400

4. Li C., Vankayalapati B., Akin B. Latency compensation of SD-ADC for high performance motor control and diagnosis // Proc. of the IEEE 13th International Symposium on Diagnostics for Electrical Machines, Power Electronics and Drives (SDEMPED). 2021. P. 289–294. https://doi.org/10.1109/SDEMPED51010.2021.9605522

5. Anuchin D., Surnin D., Lashkevich M. Accuracy analysis of shunt current sensing by means of delta-sigma modulation in electric drives // Proc. of the 2018 17th International Ural Conference on AC Electric Drives (ACED). 2018. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/ACED.2018.8341706

6. Zhuo Y.-C., Hsu C.-J., Qiu Z.-H., Lai Y.-S. Bandwidth boost method of current control for servo motor drives with current observer // Proc. of the 2021 IEEE International Future Energy Electronics Conference (IFEEC). 2021. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/IFEEC53238.2021.9661769

7. Anuchin A., Lashkevich M., Shpak D., Aliamkin D., Zharkov A., Briz F. Current control of ac drives using shunt current sensors and delta-sigma modulation // Proc. of the IECON 2018 — 44th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2018. P. 445–449. https://doi.org/10.1109/IECON.2018.8591705

8. Anuchin A., Kozachenko V. Current loop dead-beat control with the digital PI-controller // Proc. of the 2014 16th European Conference on Power Electronics and Applications. 2014. P. 1–8. https://doi.org/10.1109/EPE.2014.6910795

9. Ohta K., Kanazawal Y., Akatuka H., Hori S., Doki S., Tadano H., Shiozaki K. Variable switching frequency control for efficiency improvement of motor drive system by using GaN three phase inverter // Proc. of the 2020 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). 2020. P. 119–123. https://doi.org/10.1109/ICIT45562.2020.9067266

10. Lu J., Hou R., Di Maso P., Styles J. A GaN/Si hybrid T-Type Threelevel configuration for electric vehicle traction inverter // Proc. of the 2018 IEEE 6th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA). 2018. P. 77–81. https://doi.org/10.1109/WiPDA.2018.8569194

11. Shang S., Yang M., Xu D. Design and research of servo drive system based on GaN power device // Proc. of the 2018 21st International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). 2018. P. 1313–1317. https://doi.org/10.23919/ICEMS.2018.8549260

12. Kurniawan A.W., Firmansyah E., Wijaya F.D. Experiment result of high frequency switching SiC mosfet gate driver // Proc. of the 2022 14th International Conference on Information Technology and Electrical Engineering (ICITEE). 2022. P. 54–57. https://doi.org/10.1109/ICITEE56407.2022.9954115

13. Spang M., Hofstoetter N. Evaluation of current measurement accuracy for a power module with integrated shunt resistors // Proc. of the PCIM Europe 2017; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management. 2017. P. 1–8.

14. AMC1305x Small High-Precision Reinforced Isolated Delta-Sigma Modulators Datasheet Texas Instruments. 2017.

15. Schreier R. Second and Higher-Order Delta-Sigma Modulators. MEAD, March 2008.