Bezuhlíkové jednosmerné (BLDC) motory sú neoddeliteľnou súčasťou priemyselného výrobného závodu a používajú sa v servomotoroch, pohonoch, polohovaní a aplikáciách s premenlivou rýchlosťou. V týchto aplikáciách je kritické presné ovládanie pohybu a stabilná prevádzka. Keďže BLDC fungujú na princípe pohybujúceho sa magnetického poľa na generovanie krútiaceho momentu motora, hlavnou výzvou pri navrhovaní priemyselného BLDC systému je presné meranie krútiaceho momentu a rýchlosti motora.
Na zachytenie krútiaceho momentu motora BLDC je potrebné súčasne merať dva z troch indukovaných fázových prúdov pomocou viackanálového synchrónneho vzorkovacieho analógového-na{1}}digitálneho prevodníka (ADC). Mikrokontrolér s príslušnými algoritmami vypočítava tretí okamžitý fázový prúd. Tento proces poskytuje presný a okamžitý záznam o stave motora, čo je kritický krok vo vývoji robustného a vysoko presného systému riadenia krútiaceho momentu motora.
Tento dokument bude stručne diskutovať o problémoch spojených s dosiahnutím presného riadenia krútiaceho momentu vrátane nákladovo{0}}efektívnej metódy realizácie požadovaného bočníkového odporu. Potom predstaví presný diferenciálny zosilňovač AD8479 od spoločnosti Analog Devices a dvojkanálový vzorkovací{5}}aproximačný-aproximačný-register ADC (SAR-ADC) AD7380 AD7380 a ukáže, ako ich možno použiť na získanie presných fázových meraní pre spoľahlivý návrh systému.
Princíp činnosti motora BLDC
BLDC motory sú synchrónne motory s permanentnými magnetmi s priebehom protielektromotorickej sily (EMF). Pozorovaná koncová protielektrická sila nie je konštantná; mení sa s krútiacim momentom rotora a rýchlosťou. Aj keď zdroj jednosmerného napätia nemôže priamo poháňať BLDC motor, základný princíp činnosti BLDC motora je podobný ako pri jednosmernom motore.
BLDC motor pozostáva z rotora s permanentnými magnetmi a statora s indukčným vinutím. Tento motor je v podstate preklopený jednosmerný motor, v ktorom sú eliminované kefy a komutátor a vinutia sú potom pripojené priamo k riadiacej elektronike. Riadiaca elektronika preberá funkciu komutátora a napája vinutia v správnom poradí, aby sa dosiahol požadovaný pohyb. Vinutia pod napätím sa otáčajú okolo statora v synchronizovanom, vyváženom vzore. Vinutia statora pod napätím vedú magnety rotora a spínajú sa, keď je rotor zarovnaný so statorom.
Systémy BLDC motorov vyžadujú trojfázový bezsenzorový budič BLDC motora, ktorý generuje prúd v troch vinutiach motora (obrázok 1). Obvod je napájaný stupňom digitálnej korekcie účinníka (PFC) s riadením nábehu, ktorý poskytuje stabilné napájanie trojfázovému bezsenzorovému meniču.
Obrázok 1: Systém riadenia motora obsahuje PFC na stabilizáciu napájacieho zdroja, trojfázový bezsenzorový budič pre vinutia motora BLDC, bočné odpory a zosilňovače-snímania prúdu, synchrónny zosilňovač ADC a mikrokontrolér.
Tri budiace prúdy poháňajú BLDC motor, z ktorých každý budí a generuje inú fázu vo vinutí, pričom tieto fázy spolu tvoria 360 stupňov. Rôzne hodnoty fázy sú dôležité: keďže celková excitácia troch vetiev je udržiavaná na 360 stupňoch , sú rovnomerne posunuté, aby sa udržali 360 stupňov , napr. . 90 stupeň + 150 stupeň + 120 stupeň .
Hoci prúdy vo všetkých troch vinutiach systému musia byť v danom čase známe, na to vo vyváženom systéme je potrebné zmerať prúdy iba v dvoch z troch vinutí a pomocou mikrokontroléra vypočítať tretie vinutie. Tieto dve vinutia môžu byť detekované súčasne pomocou bočného odporu a zosilňovača detekcie prúdu.
Na odoslanie digitálnych meraní do mikrokontroléra je na konci signálovej cesty potrebný dvojkanálový synchrónny vzorkovací ADC. Amplitúda, fáza a časovanie každého budiaceho prúdu poskytuje informácie o krútiacom momente a rýchlosti motora, ktoré sú potrebné pre presné riadenie.
Snímanie prúdu pomocou medených rezistorov dosky PC
Aj keď je pri tomto precíznom návrhu merania a získavania údajov veľa starostí, proces začína na začiatku s potrebou vyvinúť efektívny, nízkonákladový- spôsob snímania fázového signálu vinutia motora BLDC. Dá sa to dosiahnuť umiestnením odporu na doske PC s malou hodnotou (RSHUNT) a použitím zosilňovača na meranie prúdu- na zistenie poklesu napätia na tomto malom rezistore (obrázok 2). Za predpokladu, že hodnota odporu je dostatočne nízka, pokles napätia je tiež nízky a stratégia merania má minimálny vplyv na obvody motora.
Obrázok 2: Systém snímania fázy motora používa na meranie okamžitej fázy motora prúdový bočný rezistor (RSHUNT) s vysoko presným zosilňovačom (napr. Analog Devices AD8479) a ADC s vysokým -rozlíšením (AD7380).
Na obrázku 2, prúdový-zosilňovač zachytáva okamžitý pokles napätia IPHASE x RSHUNT. SAR-ADC potom tento signál digitalizuje. Hodnota výberu bočného odporu zahŕňa interakciu medzi RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT a chybou vstupu zosilňovača.
Zvýšenie RSHUNT bude mať za následok zvýšenie VSHUNT. Dobrou správou je, že to zmierni význam chyby odchýlky napätia (VOS) zosilňovača a chyby vstupného posunu prúdu (IOS). Strata výkonu ISHUNT x RSHUNT väčšieho RSHUNT však znižuje energetickú účinnosť systému. Podobne môže menovitý výkon RSHUNT ovplyvniť spoľahlivosť systému, pretože stratový výkon ISHUNT x RSHUNT vytvára stav seba-zahrievania, čo môže spôsobiť zmenu nominálneho odporu RSHUNT.
Pre RSHUNT je možné špeciálne-odpory získať od niekoľkých dodávateľov. Existuje však lacná- alternatíva výroby rezistorov s plošnými spojmi s plošnými spojmi pre RSHUNT s použitím starostlivých techník rozloženia (obrázok 3).
Obrázok 3: Dôkladné techniky rozloženia dosky PC poskytujú cenovo-efektívny spôsob vytvárania vhodných hodnôt RSHUNT.
Výpočet odporu drôtu tlačenej dosky PC pre RSHUNT
Z dôvodu extrémnych teplôt, ktoré sa môžu vyskytnúť v priemyselných aplikáciách, je dôležité vziať do úvahy teplotné faktory pri návrhu bočníkových rezistorov dosiek plošných spojov. Na obrázku 3 je teplotný koeficient ( 20) drôteného bočníka s potlačou medenej PC dosky približne +0.39 %/stupeň pri 20 stupňoch (tento koeficient sa mení s teplotou). Dĺžka (L), hrúbka (t), šírka (W) a rezistivita (rñ) určujú odpor drôtu tlačenej dosky PC.
Ak má doska PC 1 uncu (oz) medi (Cu), hrúbka (t) sa rovná 1,37 palca na tisíc a merný odpor (r) sa rovná 0,6787 mikroohmov (µW) na palec. plocha vytlačeného drôtu na doske PC sa meria v krabiciach s plošnými spojmi ( ) alebo v oblasti L/W. Napríklad 2-palcová (in.) tlačová čiara so šírkou 0,25 palca zodpovedá 8 štruktúram.
Pomocou vyššie uvedených premenných vypočítajte vytlačený odpor drôtu R pre 1 uncu medi na doske PC pri izbovej teplote podľa (Rovnica 1):
Formula 1
kde T=teplota rezistora.
Napríklad, počnúc maximálnym prúdom 1 ampér (A) na vetvu motora BLDC na 1 uncovej medenej doske PC, dĺžkou RSENSE (L) 1 palec a šírkou vytlačeného vodiča 50 mil (0,05 palca), rovnice 2 a 3 možno použiť na výpočet RSHUNT pri 20 stupňoch:
Formula 2
Formula 3
Vypočítajte stratový výkon tohto odporu pri bočnom prúde 1 A pomocou rovnice 4:
Formula 4
Synchrónne vzorkovanie ADC konverzia
ADC na obrázku 2 prevádza napätie v bode fázového cyklu na digitálne znázornenie. Kľúčovým bodom je, že toto meranie by malo zahŕňať synchronizované fázové napätia všetkých troch vinutí. Toto je vyvážený systém, takže ako už bolo spomenuté, je potrebné merať iba dve z troch vinutí; externý mikrokontrolér vypočíta fázové napätie tretieho vinutia.
ADC pre tento riadiaci systém motora je AD7380 dvojkanálový-synchrónny odber vzoriek SAR-ADC (obrázok 4).
Obrázok 4: Rýchly, nízkošumový, dvojkanálový{2}}synchrónny vzorkovací prevodník SAR-ADC (napr. AD7380) s dvojitým{2}}zisťovaním zachytáva okamžitý stav dvoch vinutí motora.
Na obrázku 4 je AD8479 presný diferenciálny zosilňovač s veľmi veľkým rozsahom vstupného napätia v bežnom{2}}režime (±600 voltov), aby odolal širokým odchýlkam motorového prúdu od trojfázových, bezsenzorových pohonov. Charakteristiky AD8479 mu umožňujú nahradiť drahé izolačné zosilňovače v aplikáciách, kde sa nevyžaduje izolácia prúdu.
Kľúčové vlastnosti AD8479 tiež zahŕňajú nízke kompenzačné napätie, nízky kompenzačný drift napätia, nízky drift zosilnenia, nízky drift odmietnutia spoločného-režimu a vynikajúci pomer odmietnutia spoločného-režimu (CMRR) na prispôsobenie sa rýchlym zmenám motora. AD7380/AD7381 sú 16-bitové/14-bitové, vysoko{10}}rýchlosť, nízky{11}}výkon, dvojkanálový{12}}kanál, synchrónne{15}}vzorkovanie SAR-ADC, v tomto poradí, s priepustnosťou až 4 miliónov vzoriek za sekundu. Diferenciálne analógové vstupy akceptujú široký rozsah vstupných napätí v bežnom režime a majú zabudovaný 2,5-voltový vyrovnávaný referenčný zdroj (REF).
Pre presnú reguláciu krútiaceho momentu a otáčok zachytáva dvojkanálová architektúra synchrónneho vzorkovania SAR-ADC výstup aktuálneho -zosilňovača snímania-- za behu. Na tento účel AD7380/AD7381 obsahuje dva identické ADC so synchrónnymi hodinami a každý má kapacitný vstupný stupeň so sieťou kapacitnej redistribúcie náboja (obrázok 5).
Obrázok 5: Zobrazuje fázu konverzie ADC pre jeden z dvoch kanálov AD7380. Zber signálu sa spustí, keď je spínač SW3 otvorený a spínač SW1 a SW2 sú zatvorené. V tomto bode sa napätie v CS mení s AINx+ a AINx-, čo spôsobuje, že vstupy komparátora sa stanú nevyváženými.
Na obrázku 5 sú VREF a zem počiatočné napätia na vzorovom kondenzátore CS. Ak je SW3 otvorený a SW1 a SW2 sú zatvorené, spustí sa získavanie signálu. Keď sú SW1 a SW2 zatvorené, napätie na vzorkovom kondenzátore CS sa mení s napätím na AINx+ a AINx-, čo spôsobuje stratu rovnováhy vstupov komparátora. SW1 a SW2 sa potom otvoria a zachytí sa napätie na CS.
Proces zachytávania napätia CS zahŕňa digitálny{0}}na{1}}prevodník (DAC), ktorý pridáva a odčítava pevné množstvo náboja od CS, aby sa komparátor vrátil do rovnováhy. V tomto bode je konverzia dokončená, otvorením SW1 a SW2 a zatvorením SW3 sa odstráni zvyškový náboj a pripraví sa na ďalší cyklus odberu vzoriek.
Počas konverzie DAC riadiaca logika generuje výstupný kód ADC a pristupuje k údajom zariadenia cez sériové rozhranie.
Zhrnutie
Na presné meranie krútiaceho momentu a otáčok motora BLDC sú najskôr potrebné presné, lacné{0}}odpory. Ako je uvedené vyššie, tento odpor možno nákladovo-efektívne implementovať pomocou káblov s plošnými spojmi.
Pridaním tohto zariadenia ku kombinácii zosilňovača AD8479-snímania prúdu a synchrónneho -vzorkovacieho SAR-ADC AD7380 môžu dizajnéri vytvoriť robustný, vysoko{5}}presný systém merania krútiaceho momentu a rýchlosti-pre aplikácie riadenia motorov v náročných prostrediach.