DC (BLDC) motori bez četkica su sastavni dio industrijskog proizvodnog pogona i koriste se u servo, aktiviranju, pozicioniranju i primjenama s promjenjivom brzinom. U ovim aplikacijama, precizna kontrola pokreta i stabilan rad su kritični. Budući da BLDC-ovi rade na principu pokretnog magnetnog polja za generiranje obrtnog momenta motora, glavni izazov upravljanja pri dizajniranju industrijskog BLDC sistema je precizno mjerenje momenta i brzine motora.
Da bi se uhvatio obrtni moment BLDC motora, dvije od tri inducirane fazne struje moraju se istovremeno mjeriti pomoću višekanalnog analognog{0}}u-digitalnog pretvarača (ADC) sinhronog uzorkovanja. Mikrokontroler sa odgovarajućim algoritmima izračunava treću trenutnu faznu struju. Ovaj proces obezbeđuje tačan i trenutan zapis o stanju motora, što je kritičan korak u razvoju robusnog i veoma preciznog sistema kontrole obrtnog momenta motora.
Ovaj rad će ukratko raspravljati o pitanjima vezanim za postizanje precizne kontrole momenta, uključujući isplativ{0}}metodu realizacije potrebnog šant otpornika. Zatim će predstaviti precizno diferencijalno pojačalo kompanije Analog Devices AD8479 i AD7380 dual-uzorak kanala-aproksimaciju sukcesivnog-aproksimacijskog-registra ADC (SAR-ADC) i pokazati kako se oni mogu koristiti za dobijanje pouzdanih tačnih mjerenja faze dizajna sistema.
Princip rada BLDC motora
BLDC motori su sinhroni motori s permanentnim magnetima sa valnim oblikom protuelektromotorne sile (EMF). Opažena terminalna kontra elektromotorna sila nije konstantna; varira sa obrtnim momentom i brzinom rotora. Iako izvor istosmjernog napona ne može direktno pokretati BLDC motor, osnovni princip rada BLDC motora sličan je onom kod DC motora.
BLDC motor se sastoji od rotora sa trajnim magnetima i statora sa indukcijskim namotajima. Ovaj motor je u suštini preokrenuti DC motor u kojem su četke i komutator eliminisani, a namotaji se zatim direktno povezuju na kontrolnu elektroniku. Upravljačka elektronika preuzima funkciju komutatora i napaja namotaje u ispravnom redoslijedu kako bi se postiglo željeno kretanje. Namotaji pod naponom rotiraju oko statora sinhronizovano, uravnoteženo. Namotaji statora pod naponom vode magnete rotora i prebacuju se kada je rotor poravnat sa statorom.
Sistemi BLDC motora zahtijevaju trofazni pokretač BLDC motora bez senzora koji generiše struju u tri namotaja motora (Slika 1). Kolo se napaja stepenom digitalne korekcije faktora snage (PFC) sa kontrolom naleta kako bi se osiguralo stabilno napajanje trofaznog drajvera bez senzora.
Slika 1: Sistem upravljanja motorom uključuje PFC za stabilizaciju napajanja, trofazni bezsenzorski drajver za namotaje BLDC motora, šant otpornike i pojačivače struje{2}}, sinhroni ADC pojačavač i mikrokontroler.
Tri pobudne struje pokreću BLDC motor, od kojih svaka pobuđuje i generiše različitu fazu u namotaju, ove faze imaju ukupno 360 stepeni. Različite vrijednosti faze su važne: pošto se ukupna ekscitacija tri grane održava na 360 stepeni, one su ravnomjerno pomjerene kako bi se održale 360 stepeni, npr. . 90 stepen + 150 stepen + 120 stepen.
Iako struje u sva tri namotaja sistema moraju biti poznate u svakom trenutku, da bi se to uradilo u balansiranom sistemu potrebno je samo izmjeriti struje u dva od tri namotaja i izračunati treći namotaj pomoću mikrokontrolera. Ova dva namotaja mogu se istovremeno detektovati pomoću šant otpornika i pojačivača za detekciju struje.
Za slanje digitalnih mjerenja mikrokontroleru potreban je dvokanalni sinhroni ADC za uzorkovanje na kraju puta signala. Amplituda, faza i tajming svake pobudne struje pružaju informacije o momentu i brzini motora potrebne za preciznu kontrolu.
Senzor struje sa bakrenim otpornicima na PC ploči
Iako postoji mnogo razloga za zabrinutost u ovom preciznom dizajnu mjerenja i prikupljanja podataka, proces počinje na prednjoj strani sa potrebom da se razvije efikasan, jeftin-način da se osjeti fazni signal namotaja BLDC motora. Ovo se može postići postavljanjem inline otpornika na PC ploči male vrijednosti (RSHUNT) i korištenjem strujnog-pojačala za detekciju pada napona na ovom malom otporniku (slika 2). Pod pretpostavkom da je vrijednost otpornika dovoljno niska, pad napona je također nizak i strategija mjerenja ima minimalan utjecaj na strujno kolo motora.
Slika 2: Sistem senzora faze motora koristi strujni šant otpornik (RSHUNT) sa visoko{1}}preciznim pojačalom (npr. AD8479 Analog Devices) i ADC visoke{5}}rezolucije (AD7380) za mjerenje trenutne faze motora.
Na slici 2, trenutno-sense pojačalo bilježi trenutni pad napona IPHASE x RSHUNT. SAR-ADC zatim digitalizuje ovaj signal. Vrijednost odabira šant otpornika uključuje interakciju između RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT i ulazne greške pojačala.
Povećanje RSHUNT-a će rezultirati povećanjem VSHUNT-a. Dobra vijest je da će ovo ublažiti značaj greške pomaka napona pojačala (VOS) i greške ulazne struje offseta (IOS). Međutim, gubitak snage ISHUNT x RSHUNT većeg RSHUNT-a smanjuje energetsku efikasnost sistema. Slično, RSHUNT ocjena snage može utjecati na pouzdanost sistema jer ISHUNT x RSHUNT disipacija snage stvara stanje-samogrijavanja, što može uzrokovati promjenu nominalnog otpora RSHUNT-a.
Za RSHUNT, otpornici specijalne-namjene se mogu nabaviti od nekoliko dobavljača. Međutim, postoji jeftina-alternativa za proizvodnju žičanih otpornika sa štampanom pločom za RSHUNT koristeći pažljive tehnike rasporeda (Slika 3).
Slika 3: Pažljive tehnike rasporeda PC ploče pružaju isplativ-način za kreiranje odgovarajućih RSHUNT vrijednosti.
Izračunavanje otpornosti štampane žice na PC ploči za RSHUNT
Zbog ekstremnih temperatura koje se mogu pojaviti u industrijskim aplikacijama, važno je uzeti u obzir temperaturne faktore u dizajnu šant otpornika na ploči. Na slici 3, temperaturni koeficijent (20) šant otpornika sa štampanom žicom na bakarnoj PC ploči je približno +0.39%/ stepen na 20 stepeni (ovaj koeficijent varira sa temperaturom). Dužina (L), debljina (t), širina (W) i otpornost (rñ) određuju otpornost žice na štampanoj ploči.
Ako PC ploča ima 1 uncu (oz) bakra (Cu), debljina (t) je jednaka 1,37 inča na hiljadu, a otpornost (r) je jednaka 0,6787 mikrooma (µW) po inču. površina štampane žice na štampanoj ploči meri se u štampanim žičanim kutijama ( ) ili L/W oblasti. Na primjer, linija za ispis od 2 inča (in.) širine 0,25 inča odgovara 8 struktura.
Koristeći gornje varijable, izračunajte otpor štampane žice R za 1 uncu bakra na PC ploči na sobnoj temperaturi prema (jednačina 1):
Formula1
gdje je T=temperatura otpornika.
Na primjer, počevši s maksimalnom strujom od 1 ampera (A) po grani BLDC motora na bakrenoj PC ploči od 1 unce, dužinom RSENSE (L) od 1 inča i širinom štampane žice od 50 mil (0,05 inča), jednačine 2 i 3 mogu se koristiti za izračunavanje RSHUNT-a na 20 stepeni:
Formula 2
Formula 3
Izračunajte rasipanje snage ovog otpornika pri struji šanta od 1 A koristeći jednadžbu 4:
Formula 4
ADC konverzija sinkronog uzorkovanja
ADC na slici 2 pretvara napon u tački faznog ciklusa u digitalni prikaz. Ključna stvar je da ovo mjerenje treba uključiti sinhronizirane fazne napone sva tri namotaja. Ovo je balansiran sistem, pa kao što je ranije pomenuto, potrebno je izmeriti samo dva od tri namotaja; eksterni mikrokontroler će izračunati fazni napon trećeg namotaja.
ADC za ovaj sistem upravljanja motorom je AD7380 dvokanalni-ADC za sinhrono uzorkovanje SAR-AD7 (Slika 4).
Slika 4: Brzi, niski-šumni, dvokanalni sinhroni SAR-ADC za uzorkovanje (npr. AD7380) bilježi trenutno stanje dva namotaja motora.
Na slici 4, AD8479 je precizno diferencijalno pojačalo sa veoma velikim ulaznim rasponom napona zajedničkog{2}}moda (±600 volti) da izdrži široke pomake pogona struje motora od trofaznih, bez senzorskih pogona. Karakteristike AD8479 dozvoljavaju da zamijeni skupa izolaciona pojačala u aplikacijama gdje nije potrebna izolacija struje.
Ključne karakteristike AD8479 također uključuju nizak napon kompenzacije, nizak pomak napona kompenzacije, nizak pomak u pojačanju, nizak pomak odbijanja zajedničkog-moda i odličan omjer odbijanja zajedničkog{2}}moda (CMRR) za prilagođavanje brzim varijacijama motora. AD7380/AD7381{8} 16 bita, 16 bita{1} velika-brzina, mala-snaga, dual-kanalni, sinhroni-sampling SAR-ADC, respektivno, sa brzinama protoka do 4 M uzoraka u sekundi. Diferencijalni analogni ulazi prihvataju širok raspon zajedničkih ulaznih napona i imaju ugrađeni 2,5-voltni baferirani referentni (REF) izvor napona.
Za preciznu kontrolu obrtnog momenta i brzine, dual-kanalno sinhrono uzorkovanje SAR-ADC arhitektura bilježi izlaz trenutnog-sense pojačala u--letu. U tu svrhu, AD7380/AD7381 uključuje dva identična ADC-a sa sinhronim taktovima, a svaki ima kapacitivni ulazni stepen sa kapacitivnom mrežom za preraspodjelu naboja (slika 5).
Slika 5: Prikazuje stepen konverzije ADC-a za jedan od dva kanala AD7380. Prikupljanje signala počinje kada je SW3 otvoren, a SW1 i SW2 zatvoreni. U ovom trenutku, napon na CS varira sa AINx+ i AINx-, uzrokujući da ulazi komparatora postanu neuravnoteženi.
Na slici 5, VREF i uzemljenje su početni naponi na kondenzatoru uzorka CS. Ako je SW3 otvoren, a SW1 i SW2 zatvoreni, započinje akvizicija signala. Kada su SW1 i SW2 zatvoreni, napon na kondenzatoru uzorka CS varira sa naponom na AINx+ i AINx-, što dovodi do gubitka balansa na ulazima komparatora. SW1 i SW2 se tada otvaraju i hvata se napon na CS.
Proces hvatanja CS napona uključuje digitalni-u-analogni pretvarač (DAC), koji dodaje i oduzima fiksnu količinu naelektrisanja od CS-a kako bi se komparator vratio u ravnotežu. U ovom trenutku, konverzija je završena, otvarajući SW1 i SW2 i zatvarajući SW3 kako bi se uklonio preostalo punjenje i pripremio za sljedeći ciklus uzorkovanja.
Tokom DAC konverzije, kontrolna logika generiše ADC izlazni kod i pristupa podacima uređaja preko serijskog interfejsa.
Rezime
Za precizno mjerenje obrtnog momenta i brzine BLDC motora, najprije su potrebni precizni, jeftini -otpornici. Kao što je gore spomenuto, ovaj otpornik se može -efikasno implementirati korištenjem štampanih žica na PC ploči.
Dodavanjem ovog uređaja kombinaciji AD8479 strujnog-pojačala i AD7380 sinhronog-uzorkovanja SAR-ADC-a, dizajneri mogu kreirati robustan, visoko{5}}precizan prednji dio sistema za mjerenje obrtnog momenta i brzine-za aplikacije kontrole motora u teškim uslovima.