A kefe nélküli egyenáramú (BLDC) motorok az ipari gyártóüzem szerves részét képezik, és szervo-, működtető-, pozicionáló- és változó fordulatszámú alkalmazásokban használatosak. Ezekben az alkalmazásokban a precíz mozgásvezérlés és a stabil működés kritikus fontosságú. Mivel a BLDC-k a mozgó mágneses tér elvén működnek a motor nyomatékának generálására, az ipari BLDC-rendszerek tervezése során a fő szabályozási kihívás a motor nyomatékának és fordulatszámának pontos mérése.
A BLDC motor nyomatékának rögzítéséhez a három indukált fázisáram közül kettőt egyidejűleg kell mérni egy többcsatornás szinkron mintavételező analóg ---digitális átalakítóval (ADC). A megfelelő algoritmusokkal rendelkező mikrokontroller kiszámítja a harmadik pillanatnyi fázisáramot. Ez a folyamat pontos és azonnali rögzítést biztosít a motor állapotáról, ami kritikus lépés egy robusztus és rendkívül pontos motornyomaték-szabályozó rendszer kifejlesztésében.
Ez a cikk röviden megvitatja a pontos nyomatékszabályozás elérésével kapcsolatos problémákat, beleértve a szükséges söntellenállás megvalósításának költséghatékony módszerét-. Ezután bemutatja az Analog Devices AD8479 precíziós differenciálerősítőjét és az AD7380 kettős-csatornás minta-közelítési egymás utáni-approximációs-regiszter ADC-t (SAR-ADC), és bemutatja, hogyan használhatók fel megbízható rendszertervezési fázismérések elvégzésére.
A BLDC motor működési elve
A BLDC motorok állandó mágneses szinkronmotorok ellenelektromos erő (EMF) hullámformával. A megfigyelt terminális ellenelektromotoros erő nem állandó; a rotor nyomatékától és fordulatszámától függően változik. Bár az egyenáramú feszültségforrás nem képes közvetlenül meghajtani egy BLDC motort, a BLDC működési elve hasonló az egyenáramú motorokéhoz.
A BLDC motor egy állandó mágneses forgórészből és egy indukciós tekercses állórészből áll. Ez a motor lényegében egy megfordított egyenáramú motor, amelyben a keféket és a kommutátort kihagyják, majd a tekercseket közvetlenül a vezérlő elektronikához csatlakoztatják. A vezérlő elektronika átveszi a kommutátor funkcióját, és a megfelelő sorrendben feszültség alá helyezi a tekercseket a kívánt mozgás eléréséhez. A feszültség alatt álló tekercsek szinkronizált, kiegyensúlyozott mintázatban forognak az állórész körül. A feszültség alatt álló állórész tekercsek vezetik a forgórész mágneseit és kapcsolnak, amikor a rotor egy vonalban van az állórésszel.
A BLDC motorrendszerekhez három-fázisú, érzékelő nélküli BLDC motor-meghajtóra van szükség, amely áramot állít elő a motor három tekercsében (1. ábra). Az áramkört egy digitális teljesítménytényező-korrekciós (PFC) fokozat táplálja bekapcsolásvezérléssel, hogy stabil tápellátást biztosítson a három-fázisú érzékelő nélküli meghajtónak.
1. ábra: A motorvezérlő rendszer tartalmaz egy PFC-t az áramellátás stabilizálására, egy három-fázisú érzékelő nélküli meghajtót a BLDC motortekercsekhez, sönt ellenállásokat és áram-érzékelő erősítőket, egy szinkron erősítőt ADC és egy mikrokontrollert.
Három gerjesztőáram hajtja a BLDC motort, amelyek mindegyike különböző fázist gerjeszt és generál a tekercsben, ezek a fázisok összesen 360 fokosak. A különböző fázisértékek fontosak: mivel a három ág teljes gerjesztése 360 fokon van tartva, egyenletesen eltolódnak a 360 fok megőrzéséhez, pl. . 90 fok + 150 fok + 120 fok .
Bár a rendszer mindhárom tekercsének áramát mindenkor ismerni kell, ehhez egy kiegyensúlyozott rendszerben csak a három tekercs közül kettőben kell megmérni az áramerősséget, és a mikrokontroller segítségével kiszámítani a harmadik tekercset. Ez a két tekercs egy söntellenállás és egy áramérzékelő erősítő segítségével egyidejűleg érzékelhető.
Két-csatornás szinkron mintavételező ADC szükséges a jelút végén ahhoz, hogy a digitális méréseket a mikrokontrollerhez küldje. Az egyes gerjesztőáramok amplitúdója, fázisa és időzítése biztosítja a pontos szabályozáshoz szükséges motornyomaték- és fordulatszám-információkat.
Áramérzékelés PC-kártya rézellenállásokkal
Bár sok aggodalomra ad okot ebben a precíz mérési és adatgyűjtési tervben, a folyamat a legelején kezdődik azzal, hogy ki kell dolgozni egy hatékony, alacsony költségű -módszert a BLDC motortekercsek fázisjelének érzékelésére. Ezt úgy érheti el, hogy egy kis értékű inline PC kártya ellenállást (RSHUNT) helyez el, és egy áram-érzékelő erősítőt használ a feszültségesés észlelésére ezen a kis ellenálláson (2. ábra). Feltételezve, hogy az ellenállás értéke elég alacsony, a feszültségesés is kicsi, és a mérési stratégia minimális hatással van a motor áramkörére.
2. ábra: Egy motorfázis-érzékelő rendszer áramsönt ellenállást (RSHUNT) használ nagy-precíziós erősítővel (pl. Analog Devices' AD8479) és nagy-felbontású ADC-vel (AD7380) a pillanatnyi motorfázis mérésére.
A 2. ábrán az áram-érzékelő erősítő rögzíti a pillanatnyi IPHASE x RSHUNT feszültségesést. A SAR-ADC ezután digitalizálja ezt a jelet. A sönt ellenállás kiválasztási értéke magában foglalja az RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT és az erősítő bemeneti hibája közötti kölcsönhatást.
Az RSHUNT növekedése a VSHUNT növekedését eredményezi. A jó hír az, hogy ez csökkenti az erősítő feszültségeltolása (VOS) és a bemeneti eltolási áram (IOS) hibájának jelentőségét. A nagyobb RSHUNT ISHUNT x RSHUNT teljesítményvesztesége azonban csökkenti a rendszer energiahatékonyságát. Hasonlóképpen, az RSHUNT névleges teljesítménye befolyásolhatja a rendszer megbízhatóságát, mivel az ISHUNT x RSHUNT teljesítménydisszipáció ön-hevülési állapotot hoz létre, ami a névleges RSHUNT ellenállás változását okozhatja.
Az RSHUNT-hoz speciális{0}}célú ellenállások több szállítótól is beszerezhetők. Van azonban egy alacsony költségű alternatíva az RSHUNT PC-lemezre nyomtatott huzalellenállások gyártására, gondos elrendezési technikák alkalmazásával (3. ábra).
3. ábra: Az aprólékos PC-kártya-elrendezési technikák költséghatékony módszert biztosítanak-a megfelelő RSHUNT-értékek létrehozására.
PC-kártya nyomtatott huzalellenállásának kiszámítása az RSHUNT-hoz
Az ipari alkalmazásokban előforduló szélsőséges hőmérsékletek miatt fontos figyelembe venni a hőmérsékleti tényezőket az áramköri sönt ellenállások tervezésénél. A 3. ábrán a réz PC-lemezre nyomtatott huzal sönt ellenállás hőmérsékleti együtthatója (20) körülbelül +0.39%/fok 20 fokon (ez az együttható a hőmérséklettől függően változik). Hosszúság (L), vastagság (t), szélesség (W) és ellenállás (rñ) határozza meg a PC-kártya nyomtatott huzalának ellenállását.
Ha a PC kártyán 1 uncia (oz) réz (Cu) van, akkor a vastagság (t) 1,37 hüvelyk per ezer, az ellenállás (r) pedig 0,6787 mikroohm (µW) hüvelykenként. a PC-kártya nyomtatott huzalterületének mérése nyomtatott huzaldobozokban ( ) vagy L/W területen történik. Például egy 2 hüvelykes (in.) 0,25 hüvelyk szélességű nyomtatási vonal 8 szerkezetnek felel meg.
A fenti változók segítségével számítsa ki az R nyomtatott vezetékellenállást 1 uncia rézre egy PC kártyán szobahőmérsékleten (1. egyenlet):
Forma1
ahol T=az ellenállás hőmérséklete.
Például egy BLDC motorágonkénti 1 amper (A) maximális áramerősséggel kiindulva egy 1 unciás réz PC kártyán, az RSENSE hosszúság (L) 1 hüvelyk és a nyomtatott vezeték szélessége 50 mil (0,05 hüvelyk), a 2. és 3. egyenlet felhasználható a RSHUNT kiszámítására 20 fokos szögben:
Forma 2
Forma 3
Számítsa ki ennek az ellenállásnak a teljesítménydisszipációját 1 A söntáram mellett a 4. egyenlet segítségével:
Forma 4
Szinkron mintavételezési ADC átalakítás
A 2. ábrán látható ADC átalakítja a feszültséget a fázisciklus egy pontján digitális ábrázolássá. A lényeg az, hogy ennek a mérésnek tartalmaznia kell mindhárom tekercs szinkronizált fázisfeszültségét. Ez egy kiegyensúlyozott rendszer, így amint korábban említettük, a három tekercsből csak kettőt kell megmérni; egy külső mikrokontroller kiszámítja a harmadik tekercs fázisfeszültségét.
Ennek a motorvezérlő rendszernek az ADC-je az AD7380 kétcsatornás{1}}szinkron mintavételező SAR-ADC (4. ábra).
4. ábra: A gyors, alacsony-zajú, két-csatornás szinkron mintavételezésű SAR-ADC (pl. AD7380) rögzíti két motortekercs pillanatnyi állapotát.
A 4. ábrán az AD8479 egy precíziós differenciálerősítő nagyon nagy bemeneti közös módú -módusú feszültségtartománnyal (±600 volt), hogy ellenálljon a három-fázisú, érzékelő nélküli hajtások széles motoráram-eltolásainak. Az AD8479 jellemzői lehetővé teszik, hogy kiváltsa a drága szigetelésű alkalmazásokban, ahol nincs szükség áramerősítőkre.
Az AD8479 főbb jellemzői közé tartozik még az alacsony kompenzációs feszültség, az alacsony kompenzációs feszültség-drift, az alacsony erősítésű drift, az alacsony közös-mód-elutasítási drift és a kiváló közös-mód-elutasítási arány (CMRR), hogy alkalmazkodni tudjon a gyors motorváltozatokhoz. Az AD7380/AD7381 16{{8}9}/14 bites,{8}} nagysebességű, alacsony A differenciális analóg bemenetek a közös módú bemeneti feszültségek széles skáláját fogadják, és beépített 2,5 V-os pufferelt referencia (REF) feszültségforrással rendelkeznek.
A precíz nyomaték- és fordulatszám-szabályozás érdekében a két-csatornás szinkron mintavételezésű SAR-ADC architektúra menet közben rögzíti az aktuális-érzékelő erősítő kimenetét-. Ebből a célból az AD7380/AD7381 két azonos ADC-t tartalmaz szinkron órajelekkel, és mindegyik rendelkezik egy kapacitív bemeneti fokozattal kapacitív töltés-újraelosztó hálózattal (5. ábra).
5. ábra: Az AD7380 két csatornája egyikének ADC konverziós szakaszát mutatja. A jelgyűjtés akkor kezdődik, amikor az SW3 nyitva van, és az SW1 és SW2 zárva vannak. Ezen a ponton a CS feszültsége AINx+ és AINx- értékkel változik, ami a komparátor bemeneteinek kiegyensúlyozatlanságát okozza.
Az 5. ábrán a VREF és a test a kezdeti feszültség a CS mintakondenzátoron. Ha az SW3 nyitva van, és az SW1 és SW2 zárva van, akkor a jelgyűjtés elindul. Amikor az SW1 és SW2 zárva van, a CS mintakondenzátoron lévő feszültség az AINx+ és AINx - feszültségével változik, ami a komparátor bemenetei egyensúlyának elvesztését okozza. Ezután az SW1 és az SW2 kinyílik, és rögzítésre kerül a CS feszültsége.
A CS feszültségrögzítési folyamata egy digitális -analóg átalakítót (DAC) foglal magában, amely hozzáad és kivon egy rögzített mennyiségű töltést a CS-ből, hogy a komparátort újra egyensúlyba hozza. Ezen a ponton az átalakítás befejeződött, kinyitja az SW1-et és az SW2-t, és bezárja az SW3-at, hogy eltávolítsa a maradék töltést és felkészüljön a következő mintavételi ciklusra.
A DAC átalakítás során a vezérlőlogika előállítja az ADC kimeneti kódot, és a soros interfészen keresztül hozzáfér az eszköz adataihoz.
Összegzés
A BLDC motor nyomatékának és fordulatszámának pontos méréséhez először pontos, alacsony költségű{0}}sönt ellenállásokra van szükség. Mint fentebb említettük, ez az ellenállás költséghatékonyan -beépíthető PC-kártyára nyomtatott vezetékekkel.
Ha ezt az eszközt hozzáadják az AD8479 áram-érzékelő erősítő és az AD7380 szinkron-mintavevő SAR-ADC kombinációjához, a tervezők robusztus, nagy-precíziós nyomaték- és fordulatszám-szabályozó rendszer mérési előlapot-hoznak létre a motorvezérlő alkalmazásokhoz zord környezetben.