Bezkomutátorové stejnosměrné (BLDC) motory jsou nedílnou součástí průmyslového výrobního závodu a používají se v servomotorech, pohonech, polohování a aplikacích s proměnnou rychlostí. V těchto aplikacích je rozhodující přesné řízení pohybu a stabilní provoz. Vzhledem k tomu, že BLDC fungují na principu pohybujícího se magnetického pole pro generování točivého momentu motoru, je hlavním úkolem při navrhování průmyslového BLDC systému přesně měřit točivý moment a rychlost motoru.
K zachycení točivého momentu motoru BLDC je třeba současně měřit dva ze tří indukovaných fázových proudů pomocí vícekanálového synchronního vzorkování analogového-na-digitálního převodníku (ADC). Mikrokontrolér s příslušnými algoritmy vypočítává třetí okamžitý fázový proud. Tento proces poskytuje přesný a okamžitý záznam o stavu motoru, což je kritický krok ve vývoji robustního a vysoce přesného systému řízení točivého momentu motoru.
Tento dokument stručně pojedná o problémech spojených s dosažením přesného řízení točivého momentu, včetně nákladově{0}}efektivní metody realizace požadovaného bočníkového odporu. Poté představí přesný diferenciální zesilovač AD8479 od společnosti Analog Devices a dvoukanálový -vzorkový-aproximační postupný-aproximační-registr ADC (SAR-ADC) AD7380 a ukáže, jak je lze použít k získání přesných fázových měření pro spolehlivý návrh systému.
Princip činnosti motoru BLDC
BLDC motory jsou synchronní motory s permanentními magnety s tvarem vlny proti elektromotorické síle (EMF). Pozorovaná koncová protielektrická síla není konstantní; mění se s točivým momentem rotoru a rychlostí. Ačkoli zdroj stejnosměrného napětí nemůže přímo pohánět BLDC motor, základní princip činnosti BLDC je podobný jako u stejnosměrného motoru.
BLDC motor se skládá z rotoru s permanentními magnety a statoru s indukčním vinutím. Tento motor je v podstatě překlopený stejnosměrný motor, u kterého odpadají kartáče a komutátor a vinutí jsou pak připojena přímo k řídicí elektronice. Řídící elektronika převezme funkci komutátoru a nabudí vinutí ve správném pořadí, aby se dosáhlo požadovaného pohybu. Vinutí pod napětím rotují kolem statoru v synchronizovaném, vyváženém vzoru. Vybuzená vinutí statoru vedou magnety rotoru a spínají se, když je rotor vyrovnán se statorem.
Systémy BLDC motorů vyžadují třífázový bezsenzorový ovladač BLDC motoru, který generuje proud ve třech vinutích motoru (obrázek 1). Obvod je napájen stupněm digitální korekce účiníku (PFC) s řízením náběhu, který zajišťuje stabilní napájení třífázového bezsenzorového měniče.
Obrázek 1: Systém řízení motoru obsahuje PFC pro stabilizaci napájecího zdroje, třífázový bezsenzorový ovladač pro vinutí motoru BLDC, bočníkové odpory a zesilovače se snímáním proudu-, synchronní zesilovač ADC a mikrokontrolér.
Tři budicí proudy pohánějí BLDC motor, z nichž každý budí a generuje jinou fázi ve vinutí, přičemž tyto fáze mají celkem 360 stupňů. Různé hodnoty fáze jsou důležité: protože celková excitace tří větví je udržována na 360 stupních , jsou rovnoměrně posunuty tak, aby udržely 360 stupňů , např. . 90 stupeň + 150 stupeň + 120 stupeň .
Ačkoli proudy ve všech třech vinutích systému musí být v daném okamžiku známy, k tomu ve vyváženém systému je nutné pouze změřit proudy ve dvou ze tří vinutí a vypočítat třetí vinutí pomocí mikrokontroléru. Tato dvě vinutí mohou být detekována současně pomocí bočníkového rezistoru a zesilovače detekce proudu.
K odeslání digitálních měření do mikrokontroléru je na konci signálové cesty vyžadován dvoukanálový synchronní vzorkovací ADC. Amplituda, fáze a časování každého budícího proudu poskytuje informace o kroutícím momentu a otáčkách motoru potřebné pro přesné řízení.
Snímání proudu pomocí měděných rezistorů na desce PC
I když je v tomto přesném návrhu měření a sběru dat mnoho starostí, proces začíná na začátku s potřebou vyvinout účinný, levný- způsob snímání fázového signálu vinutí motoru BLDC. Toho lze dosáhnout umístěním odporu na desce PC s malou hodnotou (RSHUNT) a použitím zesilovače se snímáním proudu -pro detekci poklesu napětí na tomto malém odporu (obrázek 2). Za předpokladu, že hodnota odporu je dostatečně nízká, pokles napětí je také nízký a strategie měření má minimální vliv na obvody motoru.
Obrázek 2: Systém snímání fáze motoru používá k měření okamžité fáze motoru proudový bočník (RSHUNT) s vysoce přesným zesilovačem (např. Analog Devices AD8479) a ADC s vysokým -rozlišením (AD7380).
Na obrázku 2 zachycuje proudový-zesilovač okamžitý pokles napětí IPHASE x RSHUNT. SAR-ADC pak tento signál digitalizuje. Hodnota volby bočníkového rezistoru zahrnuje interakci mezi RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT a chybou vstupu zesilovače.
Zvýšení RSHUNT bude mít za následek zvýšení VSHUNT. Dobrou zprávou je, že to zmírní význam chyby napěťového offsetu (VOS) zesilovače a chyby vstupního offsetu proudu (IOS). Ztráta výkonu ISHUNT x RSHUNT většího RSHUNT však snižuje energetickou účinnost systému. Podobně může jmenovitý výkon RSHUNT ovlivnit spolehlivost systému, protože ztrátový výkon ISHUNT x RSHUNT vytváří stav vlastního-zahřívání, což může způsobit změnu nominálního odporu RSHUNT.
Pro RSHUNT lze speciální-odpory získat od několika dodavatelů. Existuje však levná- alternativa k výrobě tištěných drátových rezistorů na desce PC pro RSHUNT pomocí pečlivých technik rozvržení (obrázek 3).
Obrázek 3: Pečlivé techniky rozložení desky PC poskytují nákladově-efektivní způsob, jak vytvořit vhodné hodnoty RSHUNT.
Výpočet odporu tištěného vodiče desky PC pro RSHUNT
Vzhledem k extrémním teplotám, které se mohou vyskytnout v průmyslových aplikacích, je důležité vzít v úvahu teplotní faktory při návrhu bočníkových rezistorů na desce plošných spojů. Na obrázku 3 je teplotní koeficient (20) tištěného bočníku na měděné desce PC přibližně +0.39 %/stupeň při 20 stupních (tento koeficient se mění s teplotou). Délka (L), tloušťka (t), šířka (W) a měrný odpor (rñ) určují odpor tištěného drátu desky PC.
Pokud má PC deska 1 unci (oz) mědi (Cu), tloušťka (t) se rovná 1,37 palce na tisíc a měrný odpor (r) je 0,6787 mikroohmů (µW) na palec. plocha potištěného vodiče na desce PC se měří v krabicích s potištěnými vodiči ( ) nebo v ploše L/W. Například 2 palce (in.) tisková čára o šířce 0,25 palce odpovídá 8 strukturám.
Pomocí výše uvedených proměnných vypočítejte odpor tištěného vodiče R pro 1 unci mědi na desce PC při pokojové teplotě podle (Rovnice 1):
Formule 1
kde T=teplota rezistoru.
Například počínaje maximálním proudem 1 ampér (A) na větev BLDC motoru na měděné desce PC o hmotnosti 1 unce, délkou RSENSE (L) 1 palec a šířkou tištěného vodiče 50 mil (0,05 palce), lze rovnice 2 a 3 použít k výpočtu RSHUNT při 20 stupních:
Formule 2
Formule 3
Vypočítejte ztrátový výkon tohoto rezistoru při bočním proudu 1 A pomocí rovnice 4:
Formule 4
Synchronní vzorkování ADC konverze
ADC na obrázku 2 převádí napětí v bodě fázového cyklu na digitální reprezentaci. Klíčovým bodem je, že toto měření by mělo zahrnovat synchronizovaná fázová napětí všech tří vinutí. Jedná se o vyvážený systém, takže jak již bylo zmíněno dříve, je třeba měřit pouze dvě ze tří vinutí; externí mikrokontrolér vypočítá fázové napětí třetího vinutí.
ADC pro tento systém řízení motoru je AD7380 dvoukanálový -synchronní synchronní vzorkovací SAR-ADC (obrázek 4).
Obrázek 4: Rychlý, nízkošumový, dvoukanálový{2}}synchronní vzorkovací SAR-ADC (např. AD7380) zachycuje okamžitý stav dvou vinutí motoru.
Na obrázku 4 je AD8479 přesný diferenciální zesilovač s velmi velkým rozsahem vstupního napětí v běžném-režimu (±600 voltů), aby odolal širokým odchylkám motorového proudu od třífázových bezsenzorových měničů. Charakteristiky AD8479 mu umožňují nahradit drahé izolační zesilovače v aplikacích, kde není vyžadována proudová izolace.
Mezi klíčové vlastnosti AD8479 patří také nízké kompenzační napětí, nízký kompenzační drift, nízký drift zisku, nízký drift odmítnutí společného-režimu a vynikající poměr odmítnutí společného-režimu (CMRR) pro přizpůsobení rychlým změnám motoru. AD7380/AD7381 jsou 16-bit/14-bit vysoká-rychlost, nízká{11}}spotřeba, dvoukanálový{12}}kanálový, synchronní{15}}sampling SAR-ADC s propustností až 4 milionů vzorků za sekundu. Diferenciální analogové vstupy akceptují širokou škálu vstupních napětí v běžném režimu a mají vestavěný 2,5voltový referenční zdroj referenčního napětí (REF).
Pro přesné řízení točivého momentu a rychlosti zachycuje dvoukanálová architektura synchronního vzorkování SAR-ADC výstup aktuálního-zesilovače snímání--za běhu. Pro tento účel AD7380/AD7381 obsahuje dva identické ADC se synchronními hodinami a každý má kapacitní vstupní stupeň s kapacitní sítí pro redistribuci náboje (obrázek 5).
Obrázek 5: Ukazuje fázi převodu ADC pro jeden ze dvou kanálů AD7380. Sběr signálu začíná, když je rozpojený SW3 a sepnutý SW1 a SW2. V tomto bodě se napětí na CS mění s AINx+ a AINx-, což způsobuje nevyváženost vstupů komparátoru.
Na obrázku 5 jsou VREF a zem počáteční napětí na vzorkovém kondenzátoru CS. Pokud se otevře SW3 a sepnou SW1 a SW2, je zahájeno získávání signálu. Když jsou SW1 a SW2 sepnuté, napětí na vzorkovém kondenzátoru CS se mění s napětím na AINx+ a AINx-, což způsobuje ztrátu rovnováhy vstupů komparátoru. SW1 a SW2 se poté otevřou a zachytí se napětí na CS.
Proces zachycení napětí CS zahrnuje digitální{0}}na{1}}analogový převodník (DAC), který přidává a odečítá pevnou částku náboje od CS, aby se komparátor vrátil do rovnováhy. V tomto okamžiku je konverze dokončena, otevřením SW1 a SW2 a uzavřením SW3 se odstraní zbytkový náboj a připraví se na další vzorkovací cyklus.
Během převodu DAC řídicí logika generuje výstupní kód ADC a přistupuje k datům zařízení přes sériové rozhraní.
Shrnutí
K přesnému měření točivého momentu a rychlosti motoru BLDC jsou nejprve vyžadovány přesné,{0}}levné bočníkové odpory. Jak je uvedeno výše, tento rezistor lze nákladově-efektivně implementovat pomocí tištěných vodičů na desce PC.
Přidáním tohoto zařízení ke kombinaci zesilovače AD8479-proudového snímání a AD7380 synchronního-vzorkování SAR-ADC mohou konstruktéři vytvořit robustní, vysoce{5}}přesný systém měření točivého momentu a rychlosti-pro aplikace řízení motorů v náročných prostředích.