Borstlösa DC-motorer (BLDC) är en integrerad del av den industriella tillverkningsanläggningen och används i servo-, aktiverings-, positionerings- och varvtalstillämpningar. I dessa applikationer är exakt rörelsekontroll och stabil drift avgörande. Eftersom BLDC:er fungerar på principen om ett rörligt magnetfält för att generera motorvridmoment, är den största kontrollutmaningen vid design av ett industriellt BLDC-system att noggrant mäta motorns vridmoment och hastighet.
För att fånga vridmomentet för en BLDC-motor måste två av de tre inducerade fasströmmarna mätas samtidigt med en flerkanalig synkron sampling analog-till-digitalomvandlare (ADC). En mikrokontroller med lämpliga algoritmer beräknar den tredje momentana fasströmmen. Denna process ger en exakt och omedelbar registrering av motorns tillstånd, vilket är ett kritiskt steg i utvecklingen av ett robust och mycket noggrant motormomentkontrollsystem.
Det här dokumentet kommer kortfattat att diskutera problem som är förknippade med att uppnå exakt vridmomentkontroll, inklusive en kostnadseffektiv-metod för att realisera det nödvändiga shuntmotståndet. Den kommer sedan att introducera Analog Devices AD8479 precisionsdifferentialförstärkare och AD7380 dubbel-kanalsampel-approximation successiv-approximation-register ADC (SAR-ADC) och visa hur de kan användas för att få exakta fasmätningar för tillförlitlig systemdesign.
BLDC Motor Funktionsprincip
BLDC-motorer är synkrona permanentmagnetmotorer med en vågform mot elektromotorisk kraft (EMF). Den observerade terminalen mot elektromotoriska kraften är inte konstant; det varierar med rotorns vridmoment och varvtal. Även om en DC-spänningskälla inte direkt kan driva en BLDC-motor, liknar den grundläggande principen för driften av en BLDC den för en DC-motor.
En BLDC-motor består av en rotor med permanentmagneter och en stator med induktionslindningar. Denna motor är i huvudsak en flippad likströmsmotor där borstarna och kommutatorn elimineras och lindningarna ansluts direkt till styrelektroniken. Styrelektroniken tar över kommutatorns funktion och aktiverar lindningarna i rätt ordning för att erhålla önskad rörelse. De aktiverade lindningarna roterar runt statorn i ett synkroniserat, balanserat mönster. De aktiverade statorlindningarna styr rotormagneterna och växlar när rotorn är inriktad med statorn.
BLDC-motorsystem kräver en trefas sensorlös BLDC-motordrivenhet som genererar ström i motorns tre lindningar (Figur 1). Kretsen drivs av ett digitalt effektfaktorkorrigeringssteg (PFC) med inrush-kontroll för att ge stabil ström till den trefasiga sensorlösa drivrutinen.
Figur 1: Motorstyrsystemet inkluderar en PFC för att stabilisera strömförsörjningen, en trefas sensorlös drivenhet för BLDC-motorlindningarna, shuntmotstånd och ström-avkänningsförstärkare, en synkron förstärkare ADC och en mikrokontroller.
Tre excitationsströmmar driver BLDC-motorn, som var och en exciterar och genererar en annan fas i lindningen, dessa faser är totalt 360 grader . De olika fasvärdena är viktiga: eftersom den totala exciteringen av de tre grenarna hålls vid 360 grader, är de jämnt förskjutna för att bibehålla 360 grader, t.ex. . 90 grad + 150 grad + 120 grad.
Även om strömmarna i alla tre lindningarna i systemet måste vara kända vid varje given tidpunkt, för att göra detta i ett balanserat system är det bara nödvändigt att mäta strömmarna i två av de tre lindningarna och beräkna den tredje lindningen med hjälp av mikrokontrollern. Dessa två lindningar kan detekteras samtidigt med hjälp av ett shuntmotstånd och en strömdetekteringsförstärkare.
En två-kanals synkron samplings-ADC krävs i slutet av signalvägen för att skicka de digitala mätningarna till mikrokontrollern. Amplituden, fasen och timingen för varje exciteringsström tillhandahåller motormoment och hastighetsinformation som behövs för exakt kontroll.
Strömavkänning med PC-kort kopparmotstånd
Även om det finns mycket att vara orolig över i denna exakta mätnings- och datainsamlingsdesign, börjar processen i fronten med behovet av att utveckla ett effektivt,-lågkostnadssätt för att känna av fassignalen från BLDC-motorlindningarna. Detta kan åstadkommas genom att placera ett inline PC-kortresistor (RSHUNT) med litet värde och använda en strömavkänningsförstärkare för att detektera spänningsfallet över detta lilla motstånd (Figur 2). Om man antar att motståndsvärdet är tillräckligt lågt är spänningsfallet också lågt och mätstrategin har minimal effekt på motorkretsen.
Figur 2: Ett motorfasavkänningssystem använder ett strömshuntmotstånd (RSHUNT) med en hög-precisionsförstärkare (t.ex. Analog Devices AD8479) och en hög-upplösning ADC (AD7380) för att mäta momentan motorfas.
I figur 2 fångar strömavkänningsförstärkaren-det momentana spänningsfallet IPHASE x RSHUNT. SAR-ADC digitaliserar sedan denna signal. Värdet för val av shuntmotstånd involverar interaktionen mellan RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT och förstärkarens ingångsfel.
En ökning av RSHUNT kommer att resultera i en ökning av VSHUNT. Den goda nyheten är att detta kommer att mildra betydelsen av förstärkarens spänningsoffset (VOS) fel och input offset current (IOS) fel. ISHUNT x RSHUNT-strömförlusten för en större RSHUNT minskar emellertid systemets energieffektivitet. På liknande sätt kan RSHUNT-effektklassificeringen påverka systemets tillförlitlighet eftersom ISHUNT x RSHUNT-effektförlust skapar ett självuppvärmningstillstånd, vilket kan göra att det nominella RSHUNT-motståndet ändras.
För RSHUNT kan speciella-motstånd erhållas från flera leverantörer. Det finns dock ett billigt-alternativ till att tillverka PC-korttryckta trådmotstånd för RSHUNT med noggranna layouttekniker (Figur 3).
Figur 3: Noggranna layouttekniker för PC-kort ger ett kostnadseffektivt- sätt att skapa lämpliga RSHUNT-värden.
Beräknar PC Board Printed Wire Resistance för RSHUNT
På grund av de extrema temperaturer som kan uppstå i industriella applikationer är det viktigt att ta hänsyn till temperaturfaktorer vid utformningen av kretskortshuntmotstånd. I figur 3 är temperaturkoefficienten (20) för ett shuntmotstånd i kopparkretskort cirka +0.39%/grad vid 20 grader (denna koefficient varierar med temperaturen). Längd (L), tjocklek (t), bredd (W) och resistivitet (rñ) bestämmer resistansen i PC-kortets tryckta tråd.
Om PC-kortet har 1 ounce (oz) koppar (Cu), är tjockleken (t) lika med 1,37 tum per tusen och resistiviteten (r) är lika med 0,6787 mikroohm (µW) per tum. PC-kortets tryckta trådarea mäts i tryckta trådlådor ( ), eller L/W area. Till exempel motsvarar en 2-tums (tum) utskriftslinje med en bredd på 0,25 tum 8 strukturer.
Med hjälp av ovanstående variabler beräknar du det tryckta trådmotståndet R för 1 uns koppar på ett PC-kort vid rumstemperatur med (Ekvation 1):
Formel 1
där T=temperatur på motståndet.
Till exempel, med en maximal ström på 1 ampere (A) per BLDC-motorgren på ett 1 ounce kopparkretskort, en RSENSE-längd (L) på 1 tum och en utskriven trådbredd på 50 mils (0,05 tum), kan ekvationerna 2 och 3 användas för att beräkna RSHUNT vid 20 grader:
Formel 2
Formel 3
Beräkna effektförlusten för detta motstånd vid en shuntström på 1 A med hjälp av ekvation 4:
Formel 4
Synkron sampling ADC-konvertering
ADC:n i figur 2 omvandlar spänningen vid en punkt i fascykeln till en digital representation. Nyckelpunkten är att denna mätning bör inkludera de synkroniserade fasspänningarna för alla tre lindningarna. Detta är ett balanserat system, så som tidigare nämnts behöver endast två av de tre lindningarna mätas; en extern mikrokontroller kommer att beräkna fasspänningen för den tredje lindningen.
ADC för detta motorstyrsystem är AD7380 dubbel-kanals synkron sampling SAR-ADC (Figur 4).
Figur 4: En snabb, låg-brus, dubbel-kanals synkron sampling SAR-ADC (t.ex. AD7380) fångar det momentana tillståndet för två motorlindningar.
I figur 4 är AD8479 en precisionsdifferentialförstärkare med ett mycket stort ingångsspänningsområde för gemensamt-läge (±600 volt) för att motstå breda motorströmförskjutningar från trefasiga, sensorlösa enheter. AD8479:s egenskaper gör att den kan ersätta dyra isoleringsförstärkare där strömisolering inte krävs i applikationer.
De viktigaste funktionerna i AD8479 inkluderar även låg kompensationsspänning, låg kompensationsspänningsdrift, låg förstärkningsdrift, låg common-mode rejection drift och utmärkt common-mode rejection ratio (CMRR) för att tillgodose snabba motorvariationer. AD7380/AD7381 är 16-bitar/14bitar. hög-hastighet, låg-effekt, dubbla-kanals, synkron-sampling SAR-ADC, med genomströmningshastigheter på upp till 4 M sampel per sekund. De differentiella analoga ingångarna accepterar ett brett utbud av common-mode-ingångsspänningar och har en inbyggd 2,5-volts buffrad referens (REF) spänningskälla.
För exakt vridmoment- och hastighetskontroll fångar den dubbla-kanals synkrona samplings-SAR-ADC-arkitekturen utsignalen från den aktuella-avkänningsförstärkaren- i farten. För detta ändamål har AD7380/AD7381 två identiska ADC:er med synkrona klockor, och var och en har ett kapacitivt ingångssteg med ett kapacitivt laddningsomfördelningsnätverk (Figur 5).
Figur 5: Visar ADC-konverteringssteget för en av de två kanalerna på AD7380. Signalinsamlingen startar när SW3 är öppen och SW1 och SW2 är stängda. Vid denna tidpunkt varierar spänningen över CS med AINx+ och AINx-, vilket gör att komparatoringångarna blir obalanserade.
I figur 5 är VREF och jord de initiala spänningarna över provkondensatorn CS. Om SW3 öppnas och SW1 och SW2 är stängda, initieras signalinsamling. När SW1 och SW2 är stängda, varierar spänningen över provkondensatorn CS med spänningen vid AINx+ och AINx-, vilket gör att komparatoringångarna tappar balans. SW1 och SW2 öppnas sedan och spänningen över CS fångas upp.
CS-spänningsfångningsprocessen involverar en digital-till-analogomvandlare (DAC), som adderar och subtraherar en fast mängd laddning från CS för att återställa komparatorn i balans. Vid denna tidpunkt är omvandlingen fullbordad, öppnar SW1 och SW2 och stänger SW3 för att avlägsna restladdningen och förbereda för nästa provtagningscykel.
Under DAC-konverteringen genererar styrlogiken ADC-utgångskoden och får åtkomst till enhetsdata via det seriella gränssnittet.
Sammanfattning
För att noggrant mäta BLDC-motorns vridmoment och hastighet krävs noggranna,-låga shuntmotstånd först. Som nämnts ovan kan detta motstånd kostnadseffektivt-implementeras med hjälp av kretskortstryckta ledningar.
Genom att lägga till den här enheten till kombinationen av AD8479 ström-avkänningsförstärkaren och AD7380 synkrona-sampling SAR-ADC kan designers skapa en robust, hög-precision vridmoment- och hastighetskontrollsystem för mätning av front- för motorstyrningstillämpningar i tuffa miljöer.