Безчетковите DC (BLDC) двигатели са неразделна част от промишленото производствено предприятие и се използват в приложения със серво, задвижване, позициониране и променлива скорост. В тези приложения прецизният контрол на движението и стабилната работа са критични. Тъй като BLDC работят на принципа на движещо се магнитно поле за генериране на въртящ момент на двигателя, основното предизвикателство при управлението при проектирането на индустриална BLDC система е точното измерване на въртящия момент и скоростта на двигателя.
За да се улови въртящият момент на BLDC двигател, два от трите индуцирани фазови тока трябва да бъдат измерени едновременно с помощта на многоканален аналогов-към-цифров преобразувател (ADC) за синхронно вземане на проби. Микроконтролер със съответните алгоритми изчислява третия моментен фазов ток. Този процес осигурява точен и мигновен запис на състоянието на двигателя, което е критична стъпка в разработването на здрава и много точна система за контрол на въртящия момент на двигателя.
Тази статия ще обсъди накратко проблемите, свързани с постигането на точен контрол на въртящия момент, включително ценово{0}}ефективен метод за реализиране на необходимия шунтов резистор. След това ще представи прецизния диференциален усилвател AD8479 на Analog Devices и двуканалния -канален проба-апроксимация с последователно-апроксимация-регистров ADC (SAR-ADC) и ще покаже как могат да се използват за получаване на точни фазови измервания за надежден дизайн на системата.
BLDC мотор Принцип на работа
BLDC двигателите са синхронни двигатели с постоянен магнит с форма на вълната на противоелектродвижещата сила (EMF). Наблюдаваната противоелектродвижеща сила на терминала не е постоянна; варира в зависимост от въртящия момент и скоростта на ротора. Въпреки че източник на постоянно напрежение не може директно да управлява BLDC мотор, основният принцип на работа на BLDC е подобен на този на DC мотор.
Двигателят BLDC се състои от ротор с постоянни магнити и статор с индукционни намотки. Този двигател по същество е обърнат постояннотоков двигател, в който четките и комутаторът са елиминирани и намотките след това са свързани директно към управляващата електроника. Управляващата електроника поема функцията на комутатора и захранва намотките в правилната последователност, за да постигне желаното движение. Захранените намотки се въртят около статора в синхронизиран, балансиран модел. Захранените намотки на статора насочват магнитите на ротора и превключват, когато роторът е подравнен със статора.
BLDC двигателните системи изискват три-фазен драйвер за BLDC двигател без сензор, който генерира ток в трите намотки на двигателя (Фигура 1). Веригата се захранва от етап на цифрова корекция на фактора на мощността (PFC) с контрол на пусковия удар, за да осигури стабилно захранване на три-фазния драйвер без сензор.
Фигура 1: Системата за управление на двигателя включва PFC за стабилизиране на електрозахранването, три-фазен безсензорен драйвер за намотките на BLDC двигателя, шунтиращи резистори и токови{2}}усилватели, ADC за синхронен усилвател и микроконтролер.
Три възбуждащи тока задвижват BLDC двигателя, всеки от които възбужда и генерира различна фаза в намотката, като тези фази са общо 360 градуса. Различните фазови стойности са важни: тъй като общото възбуждане на трите клона се поддържа на 360 градуса, те са равномерно изместени, за да поддържат 360 градуса, напр. . 90 градуса + 150 градуса + 120 градуса.
Въпреки че токовете във всичките три намотки на системата трябва да бъдат известни във всеки даден момент, за да се направи това в балансирана система е необходимо само да се измерят токовете в две от трите намотки и да се изчисли третата намотка с помощта на микроконтролера. Тези две намотки могат да бъдат открити едновременно с помощта на шунтиращ резистор и усилвател за откриване на ток.
Необходим е дву{0}}канален ADC за синхронно вземане на проби в края на пътя на сигнала за изпращане на цифровите измервания към микроконтролера. Амплитудата, фазата и синхронизирането на всеки възбуждащ ток осигурява информация за въртящия момент и скоростта на двигателя, необходима за прецизен контрол.
Отчитане на ток с медни резистори на PC Board
Въпреки че има много причини за безпокойство в този прецизен дизайн за измерване и събиране на данни, процесът започва от предния край с необходимостта да се разработи ефективен, евтин-начин за усещане на фазовия сигнал на намотките на BLDC двигателя. Това може да бъде постигнато чрез поставяне на вграден резистор за компютърна платка с малка стойност (RSHUNT) и използване на токов -усилвател за откриване на спада на напрежението в този малък резистор (Фигура 2). Ако приемем, че стойността на резистора е достатъчно ниска, спадът на напрежението също е нисък и стратегията за измерване има минимален ефект върху веригата на двигателя.
Фигура 2: Система за отчитане на фазата на двигателя използва токов шунт резистор (RSHUNT) с високо{1}}прецизен усилвател (напр. AD8479 на Analog Devices) и ADC с висока -разделителна способност (AD7380) за измерване на моментната фаза на двигателя.
На Фигура 2 усилвателят-разпознаващ ток улавя моментния IPHASE x RSHUNT спад на напрежението. След това SAR-ADC дигитализира този сигнал. Стойността за избор на шунт резистор включва взаимодействието между RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT и входната грешка на усилвателя.
Увеличаването на RSHUNT ще доведе до увеличаване на VSHUNT. Добрата новина е, че това ще смекчи значението на грешката на компенсиране на напрежението (VOS) на усилвателя и грешката на входния компенсиращ ток (IOS). Въпреки това загубата на мощност ISHUNT x RSHUNT на по-голям RSHUNT намалява енергийната ефективност на системата. По същия начин номиналната мощност на RSHUNT може да повлияе на надеждността на системата, тъй като разсейването на мощността на ISHUNT x RSHUNT създава състояние на само-нагряване, което може да доведе до промяна на номиналното съпротивление на RSHUNT.
За RSHUNT, резистори със специално{0}}цел могат да бъдат получени от няколко доставчици. Съществува обаче алтернатива с ниска{2}}разходност за производство на резистори с печатна жица на печатна платка за RSHUNT, като се използват внимателни техники за оформление (Фигура 3).
Фигура 3: Прецизни техники за оформление на компютърни платки осигуряват ценово-ефективен начин за създаване на подходящи RSHUNT стойности.
Изчисляване на съпротивлението на печатния проводник на PC Board за RSHUNT
Поради екстремните температури, които могат да възникнат в промишлените приложения, е важно да се вземат предвид температурните фактори при проектирането на шунтиращи резистори на печатни платки. На Фигура 3 температурният коефициент (20) на шунтиращ резистор с печатна медна платка е приблизително +0.39%/ градус при 20 градуса (този коефициент варира в зависимост от температурата). Дължината (L), дебелината (t), ширината (W) и съпротивлението (rñ) определят съпротивлението на печатния проводник на печатната платка.
Ако PC платката има 1 унция (oz) мед (Cu), дебелината (t) е равна на 1,37 инча на хиляда, а съпротивлението (r) е равно на 0,6787 микроома (µW) на инч. площта на отпечатания проводник на печатната платка се измерва в кутии с отпечатан проводник ( ) или L/W площ. Например 2-инчова (инча) печатна линия с ширина 0,25 инча съответства на 8 структури.
Използвайки горните променливи, изчислете отпечатаното съпротивление на проводника R за 1 унция мед върху печатна платка при стайна температура чрез (Уравнение 1):
Формула1
където T=температура на резистора.
Например, започвайки с максимален ток от 1 ампер (A) на разклонение на BLDC мотор върху медна PC платка от 1 унция, RSENSE дължина (L) от 1 инч и широчина на печатния проводник от 50 мили (0,05 инча), уравнения 2 и 3 могат да се използват за изчисляване на RSHUNT при 20 градуса:
Формула 2
Формула 3
Изчислете разсейването на мощността на този резистор при шунтов ток от 1 A, като използвате уравнение 4:
Формула 4
ADC преобразуване на синхронно вземане на проби
ADC на фигура 2 преобразува напрежението в точка от фазовия цикъл в цифрово представяне. Ключовият момент е, че това измерване трябва да включва синхронизираните фазови напрежения на всичките три намотки. Това е балансирана система, така че, както беше споменато по-рано, само две от трите намотки трябва да бъдат измерени; външен микроконтролер ще изчисли фазовото напрежение на третата намотка.
ADC за тази система за управление на двигателя е AD7380 с дву-канален синхронен дискретизиращ SAR-ADC (Фигура 4).
Фигура 4: Бърз, ниско{1}}шум, дву-канален синхронен дискретизиращ SAR-ADC (напр. AD7380) улавя моментното състояние на две намотки на двигателя.
На Фигура 4 AD8479 е прецизен диференциален усилвател с много голям обхват на напрежението в общ-режим на входа (±600 волта), за да издържи на големи отмествания на тока на двигателя от три-фазни, безсензорни задвижвания. Характеристиките на AD8479 му позволяват да замени скъпите изолационни усилватели в приложения, където не се изисква токова изолация.
Ключовите характеристики на AD8479 включват също ниско компенсиращо напрежение, ниско компенсиращо отклонение на напрежението, ниско отклонение на усилването, ниско отклонение на общ-режим и отлично съотношение на отхвърляне на общ{2}}режим (CMRR) за приспособяване към бързи вариации на двигателя. AD7380/AD7381 са 16-bit/14-bit, висока{10}}скорост, ниска{11}}мощност, двуканални-канални, синхронни{15}}семплиращи SAR-ADC, съответно, с пропускателна способност до 4 милиона проби в секунда. Диференциалните аналогови входове приемат широк диапазон от синфазни входни напрежения и имат вграден 2,5-волтов източник на буферирано референтно напрежение (REF).
За прецизен контрол на въртящия момент и скоростта, двуканалната-синхронна дискретна SAR-ADC архитектура улавя изхода на текущия-усилвател на сензора в--полет. За тази цел AD7380/AD7381 включва два идентични ADC със синхронни часовници и всеки има капацитивен входен етап с капацитивна мрежа за преразпределение на заряда (Фигура 5).
Фигура 5: Показва етапа на преобразуване на ADC за един от двата канала на AD7380. Получаването на сигнал започва, когато SW3 е отворен, а SW1 и SW2 са затворени. В този момент напрежението в CS варира с AINx+ и AINx-, което води до небалансиране на входовете на компаратора.
На Фигура 5 VREF и земя са началните напрежения в пробния кондензатор CS. Ако SW3 е отворен и SW1 и SW2 са затворени, се инициира получаване на сигнал. Когато SW1 и SW2 са затворени, напрежението в пробния кондензатор CS варира с напрежението при AINx+ и AINx-, което води до загуба на баланс на входовете на компаратора. След това SW1 и SW2 се отварят и напрежението през CS се улавя.
Процесът на улавяне на напрежението на CS включва цифрово-към-аналогов преобразувател (DAC), който добавя и изважда фиксирано количество заряд от CS, за да върне компаратора обратно в баланс. В този момент преобразуването е завършено, отваряне на SW1 и SW2 и затваряне на SW3 за отстраняване на остатъчния заряд и подготовка за следващия цикъл на вземане на проби.
По време на преобразуването на DAC контролната логика генерира изходния код на ADC и осъществява достъп до данните на устройството през серийния интерфейс.
Резюме
За точно измерване на въртящия момент и скоростта на BLDC мотора първо са необходими точни,-разходни шунтови резистори. Както бе споменато по-горе, този резистор може да бъде -ефективно реализиран с помощта на печатни проводници на компютърна платка.
Чрез добавяне на това устройство към комбинацията от AD8479 токов{1}}усилвател и AD7380 синхронен{3}}извадков SAR-ADC, дизайнерите могат да създадат здрава, високо-прецизна система за измерване на въртящ момент и контрол на скоростта-за приложения за управление на двигатели в тежки среди.