Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) являются неотъемлемой частью промышленного производства и используются в сервоприводах, приводах, позиционировании и регулируемых скоростях. В этих приложениях решающее значение имеют точное управление движением и стабильная работа. Поскольку BLDC работают по принципу движущегося магнитного поля для создания крутящего момента двигателя, основной задачей управления при проектировании промышленной системы BLDC является точное измерение крутящего момента и скорости двигателя.
Чтобы зарегистрировать крутящий момент двигателя BLDC, необходимо одновременно измерить два из трех наведенных фазных токов с помощью многоканального аналого--в-цифрового преобразователя (АЦП) с синхронной выборкой. Микроконтроллер с помощью соответствующих алгоритмов рассчитывает третий мгновенный фазный ток. Этот процесс обеспечивает точную и мгновенную регистрацию состояния двигателя, что является важным шагом в разработке надежной и высокоточной системы управления крутящим моментом двигателя.
В этой статье кратко обсуждаются вопросы, связанные с достижением точного управления крутящим моментом, включая экономичный-метод реализации необходимого шунтирующего резистора. Затем компания Analog Devices представит прецизионный дифференциальный усилитель AD8479 и двухканальный-выборочный-аппроксимационный АЦП последовательного-приближения-регистров (SAR-АЦП) AD7380 и покажет, как их можно использовать для получения точных измерений фазы для надежного проектирования систем.
Принцип работы двигателя BLDC
Двигатели BLDC — это синхронные двигатели с постоянными магнитами с формой волны противодействия электродвижущей силы (ЭДС). Наблюдаемая терминальная противоэлектродвижущая сила не является постоянной; он зависит от крутящего момента и скорости ротора. Хотя источник постоянного напряжения не может напрямую управлять двигателем BLDC, основной принцип работы BLDC аналогичен принципу работы двигателя постоянного тока.
Двигатель BLDC состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с индукционными обмотками. Этот двигатель по существу представляет собой перевернутый двигатель постоянного тока, в котором отсутствуют щетки и коммутатор, а обмотки подключаются непосредственно к управляющей электронике. Управляющая электроника берет на себя функцию коммутатора и подает питание на обмотки в правильной последовательности для получения желаемого движения. Обмотки под напряжением вращаются вокруг статора синхронно и сбалансированно. Обмотки статора, находящиеся под напряжением, направляют магниты ротора и переключаются, когда ротор выравнивается со статором.
Для систем двигателей BLDC требуется трехфазный бессенсорный драйвер двигателя BLDC, который генерирует ток в трех обмотках двигателя (рис. 1). Схема питается от каскада цифровой коррекции коэффициента мощности (PFC) с контролем бросков напряжения для обеспечения стабильного питания трехфазного бессенсорного драйвера.
Рис. 1. Система управления двигателем включает в себя PFC для стабилизации источника питания, трехфазный-бездатчиковый драйвер для обмоток двигателя BLDC, шунтирующие резисторы и усилители датчиков тока-, синхронный усилитель АЦП и микроконтроллер.
Три тока возбуждения приводят в действие двигатель BLDC, каждый из которых возбуждает и генерирует отдельную фазу обмотки, общий угол этих фаз составляет 360 градусов. Различные значения фазы важны: поскольку общее возбуждение трех ветвей поддерживается на уровне 360 градусов, они равномерно смещены для поддержания 360 градусов, например, . 90 степень + 150 степень + 120 степень.
Хотя токи во всех трех обмотках системы должны быть известны в любой момент времени, для этого в сбалансированной системе необходимо лишь измерить токи в двух из трех обмоток и рассчитать третью обмотку с помощью микроконтроллера. Эти две обмотки можно обнаружить одновременно с помощью шунтирующего резистора и усилителя обнаружения тока.
В конце пути прохождения сигнала требуется двухканальный-АЦП с синхронной выборкой для отправки цифровых измерений в микроконтроллер. Амплитуда, фаза и время каждого тока возбуждения предоставляют информацию о крутящем моменте и скорости двигателя, необходимую для точного управления.
Измерение тока с помощью медных резисторов на печатной плате
Несмотря на то, что при таком точном измерении и сборе данных есть над чем побеспокоиться, процесс начинается на начальном этапе с необходимости разработки эффективного и недорогого-способа измерения фазового сигнала обмоток двигателя BLDC. Этого можно добиться, установив небольшой встроенный резистор на печатной плате (RSHUNT) и используя усилитель тока-для обнаружения падения напряжения на этом небольшом резисторе (рис. 2). Если предположить, что номинал резистора достаточно мал, падение напряжения также будет небольшим, и стратегия измерения окажет минимальное влияние на схему двигателя.
Рис. 2. В системе определения фазы двигателя используется токовый шунтирующий резистор (RSHUNT) с высокоточным-усилителем (например, AD8479 компании Analog Devices) и АЦП с высоким-разрешением (AD7380) для измерения мгновенной фазы двигателя.
На рисунке 2 усилитель тока- фиксирует мгновенное падение напряжения IPHASE x RSHUNT. Затем SAR-АЦП оцифровывает этот сигнал. Выбор значения шунтирующего резистора зависит от взаимодействия между RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT и ошибкой входа усилителя.
Увеличение RSHUNT приведет к увеличению VSHUNT. Хорошей новостью является то, что это уменьшит значимость ошибки смещения напряжения (VOS) усилителя и ошибки входного тока смещения (IOS). Однако потеря мощности ISHUNT x RSHUNT в более крупном RSHUNT снижает энергоэффективность системы. Аналогично, номинальная мощность RSHUNT может влиять на надежность системы, поскольку рассеяние мощности ISHUNT x RSHUNT создает состояние само-нагрева, что может привести к изменению номинального сопротивления RSHUNT.
Для RSHUNT резисторы специального-назначения можно приобрести у нескольких поставщиков. Однако существует недорогая-альтернатива производству печатных проволочных резисторов для печатных плат для RSHUNT с использованием тщательной техники компоновки (рис. 3).
Рис. 3. Тщательная компоновка печатной платы обеспечивает экономичный-способ создания соответствующих значений RSHUNT.
Расчет сопротивления печатной платы печатной платы для RSHUNT
Из-за экстремальных температур, которые могут возникнуть в промышленности, важно учитывать температурные факторы при проектировании шунтирующих резисторов печатных плат. На рисунке 3 температурный коэффициент (20) шунтирующего резистора с печатным проводом медной печатной платы составляет примерно +0.39%/градус при 20 градусах (этот коэффициент меняется в зависимости от температуры). Длина (L), толщина (t), ширина (W) и удельное сопротивление (rñ) определяют сопротивление печатной платы печатной платы.
Если на печатной плате содержится 1 унция (унция) меди (Cu), толщина (t) равна 1,37 дюйма на тысячу, а удельное сопротивление (r) равно 0,6787 микроом (мкВт) на дюйм. Площадь печатных проводов печатной платы измеряется в печатных коробках ( ) или в площади L/W. Например, линия печати длиной 2 дюйма (дюйма) и шириной 0,25 дюйма соответствует 8 структурам.
Используя приведенные выше переменные, рассчитайте сопротивление печатного провода R для 1 унции меди на печатной плате при комнатной температуре по (уравнению 1):
Формула1
где Т=температура резистора.
Например, начиная с максимального тока 1 ампер (А) на каждую ветвь двигателя BLDC на медной печатной плате весом 1 унцию, длины RSENSE (L) 1 дюйм и ширины печатного провода 50 мил (0,05 дюйма), уравнения 2 и 3 можно использовать для расчета RSHUNT при 20 градусах:
Формула 2
Формула 3
Рассчитайте рассеиваемую мощность этого резистора при токе шунта 1 А, используя уравнение 4:
Формула 4
Преобразование АЦП с синхронной выборкой
АЦП на рисунке 2 преобразует напряжение в определенной точке фазового цикла в цифровое представление. Ключевым моментом является то, что это измерение должно включать синхронизированные фазные напряжения всех трех обмоток. Это сбалансированная система, поэтому, как упоминалось ранее, необходимо измерить только две из трех обмоток; внешний микроконтроллер рассчитает фазное напряжение третьей обмотки.
АЦП для этой системы управления двигателем представляет собой двухканальный -АЦП с синхронной выборкой SAR-AD7380 (рис. 4).
Рис. 4. Быстрый, малошумящий, двух-аналоговый преобразователь SAR с синхронной выборкой-АЦП (например, AD7380) фиксирует мгновенное состояние двух обмоток двигателя.
На рис. 4 AD8479 представляет собой прецизионный дифференциальный усилитель с очень большим диапазоном входного синфазного напряжения (±600 В), позволяющий выдерживать большие смещения тока двигателя от трехфазных приводов без датчиков. Характеристики AD8479 позволяют ему заменить дорогие изолирующие усилители в приложениях, где не требуется изоляция тока.
Ключевые особенности AD8479 также включают низкое напряжение компенсации, малый дрейф компенсационного напряжения, малый дрейф коэффициента усиления, малый дрейф отклонения синфазного-мода и превосходный коэффициент подавления синфазного-мода (CMRR), позволяющий адаптироваться к быстрым изменениям двигателя. AD7380/AD7381 имеют разрядность 16-бит/14-бит, Высоко-скоростные, мало-мощные, двух-канальные АЦП с синхронной-выборкой SAR-соответственно, с пропускной способностью до 4 млн выборок в секунду. Дифференциальные аналоговые входы принимают широкий диапазон синфазных входных напряжений и имеют встроенный источник опорного напряжения с буферизацией (REF) напряжением 2,5 В.
Для точного управления крутящим моментом и скоростью используется двухканальная архитектура SAR с синхронной выборкой-АЦП, которая захватывает выходной сигнал-усилителя датчика тока "на лету". Для этой цели AD7380/AD7381 включает в себя два идентичных АЦП с синхронными тактовыми импульсами, каждый из которых имеет емкостный входной каскад с емкостной сетью перераспределения заряда (рис. 5).
Рисунок 5: Показан этап преобразования АЦП для одного из двух каналов AD7380. Регистрация сигнала начинается, когда SW3 открыт, а SW1 и SW2 закрыты. В этот момент напряжение на CS меняется в зависимости от AINx+ и AINx-, в результате чего входы компаратора становятся несбалансированными.
На рисунке 5 VREF и земля — это начальные напряжения на конденсаторе CS образца. Если SW3 разомкнут, а SW1 и SW2 замкнуты, инициируется сбор сигнала. Когда SW1 и SW2 закрыты, напряжение на выборочном конденсаторе CS изменяется в зависимости от напряжения на AINx+ и AINx-, что приводит к потере баланса входов компаратора. Затем SW1 и SW2 размыкаются и фиксируется напряжение на CS.
В процессе захвата напряжения CS используется цифро--в-аналоговый преобразователь (DAC), который добавляет и вычитает фиксированную величину заряда из CS, чтобы вернуть компаратор обратно в баланс. На этом этапе преобразование завершено: SW1 и SW2 открываются, а SW3 закрываются, чтобы удалить остаточный заряд и подготовиться к следующему циклу отбора проб.
Во время преобразования ЦАП логика управления генерирует выходной код АЦП и получает доступ к данным устройства через последовательный интерфейс.
Краткое содержание
Для точного измерения крутящего момента и скорости двигателя BLDC в первую очередь необходимы точные и недорогие-шунтирующие резисторы. Как упоминалось выше, этот резистор можно -эффективно реализовать с использованием печатных проводов печатной платы.
Добавляя это устройство к комбинации усилителя-датчика тока-AD8479 и синхронного-семплирования SAR-АЦП AD7380, разработчики могут создать надежную, высокоточную систему измерения крутящего момента и скорости-для приложений управления двигателями в суровых условиях.