DC (BLDC) motori bez četkica sastavni su dio industrijskog proizvodnog pogona i koriste se u servo, aktivacijskim, pozicionirajućim i aplikacijama s promjenjivom brzinom. U ovim primjenama precizna kontrola pokreta i stabilan rad su kritični. Budući da BLDC rade na principu pokretnog magnetskog polja za generiranje okretnog momenta motora, glavni kontrolni izazov pri projektiranju industrijskog BLDC sustava je točno izmjeriti okretni moment i brzinu motora.
Da bi se uhvatio okretni moment BLDC motora, dvije od tri inducirane fazne struje moraju se mjeriti istovremeno pomoću višekanalnog analognog-u-digitalnog pretvarača (ADC) za uzorkovanje. Mikrokontroler s odgovarajućim algoritmima izračunava treću trenutnu faznu struju. Ovaj proces osigurava točnu i trenutnu evidenciju stanja motora, što je ključni korak u razvoju robusnog i vrlo preciznog sustava za kontrolu momenta motora.
U ovom će se dokumentu ukratko raspravljati o problemima povezanim s postizanjem točne kontrole momenta, uključujući-isplativu metodu realizacije potrebnog otpornika za usmjeravanje. Zatim će predstaviti Analog Devices AD8479 precizno diferencijalno pojačalo i AD7380 dvo-kanalni uzorak-aproksimacije sukcesivne-aproksimacije-registra ADC (SAR-ADC) i pokazati kako se mogu koristiti za dobivanje točnih faznih mjerenja za pouzdan dizajn sustava.
Princip rada BLDC motora
BLDC motori su sinkroni motori s trajnim magnetima s valnim oblikom protuelektromotorne sile (EMF). Promatrana terminalna protuelektromotorna sila nije konstantna; varira s momentom i brzinom rotora. Iako izvor istosmjernog napona ne može izravno pokretati BLDC motor, osnovni princip rada BLDC sličan je onom kod istosmjernog motora.
BLDC motor sastoji se od rotora s permanentnim magnetima i statora s indukcijskim namotima. Ovaj motor je u biti obrnuti istosmjerni motor u kojem su četkice i komutator eliminirani, a namoti su zatim spojeni izravno na upravljačku elektroniku. Upravljačka elektronika preuzima funkciju komutatora i napaja namote pravilnim redoslijedom kako bi se postiglo željeno gibanje. Namoti pod naponom rotiraju se oko statora u sinkroniziranom, uravnoteženom uzorku. Namoti statora pod naponom vode magnete rotora i prebacuju se kada je rotor poravnat sa statorom.
Sustavi BLDC motora zahtijevaju tro-fazni pokretački program BLDC motora bez senzora koji generira struju u tri namota motora (Slika 1). Krug se napaja putem stupnja digitalne korekcije faktora snage (PFC) s kontrolom udarnog udara kako bi se osiguralo stabilno napajanje trofaznog pokretača bez senzora.
Slika 1: Sustav upravljanja motorom uključuje PFC za stabilizaciju napajanja, tro-fazni pokretački program bez senzora za namotaje BLDC motora, skretničke otpornike i strujna{2}}pojačivača, ADC sinkronog pojačala i mikrokontroler.
Tri pobudne struje pokreću BLDC motor, od kojih svaka pobuđuje i generira drugu fazu u namotu, te faze čine ukupno 360 stupnjeva. Različite fazne vrijednosti su važne: budući da se ukupna pobuda tri grane održava na 360 stupnjeva, one su ravnomjerno pomaknute kako bi se održao 360 stupnjeva, npr. . 90 stupanj + 150 stupanj + 120 stupanj.
Iako struje u sva tri namota sustava moraju biti poznate u bilo kojem trenutku, da bi se to učinilo u uravnoteženom sustavu potrebno je samo izmjeriti struje u dva od tri namota i izračunati treći namot pomoću mikrokontrolera. Ova dva namota mogu se detektirati istovremeno korištenjem shunt otpornika i strujnog pojačala za detekciju.
Dvo-kanalni ADC za sinkrono uzorkovanje potreban je na kraju putanje signala za slanje digitalnih mjerenja mikrokontroleru. Amplituda, faza i vrijeme svake pobudne struje daju informacije o momentu motora i brzini potrebne za preciznu kontrolu.
Senzor struje s bakrenim otpornicima PC ploče
Iako postoji mnogo razloga za brigu u ovom preciznom dizajnu mjerenja i prikupljanja podataka, proces počinje na prednjem kraju s potrebom da se razvije učinkovit, jeftin-način za detektiranje faznog signala namota BLDC motora. To se može postići postavljanjem ugrađenog otpornika na PC ploči male vrijednosti (RSHUNT) i korištenjem strujnog-pojačivača za otkrivanje 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 učinak na strujni krug motora.
Slika 2: Sustav za senzor faze motora koristi otpornik struje (RSHUNT) s visoko{1}}preciznim pojačalom (npr. AD8479 tvrtke Analog Devices) i ADC visoke-razlučivosti (AD7380) za mjerenje trenutne faze motora.
Na slici 2, strujno{1}}pojačalo bilježi trenutni IPHASE x RSHUNT pad napona. SAR-ADC zatim digitalizira ovaj signal. Vrijednost odabira shunt otpornika uključuje interakciju između RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT i pogreške ulaza pojačala.
Povećanje RSHUNT-a rezultirat će povećanjem VSHUNT-a. Dobra vijest je da će ovo ublažiti značaj pogreške pomaka napona (VOS) pojačala i pogreške ulazne pomaka struje (IOS). Međutim, gubitak snage ISHUNT x RSHUNT kod većeg RSHUNT-a smanjuje učinkovitost napajanja sustava. Slično, RSHUNT nazivna snaga može utjecati na pouzdanost sustava jer rasipanje snage ISHUNT x RSHUNT stvara stanje samo-grijanja, što može uzrokovati promjenu nominalnog RSHUNT otpora.
Za RSHUNT, otpornici-specijalne namjene mogu se nabaviti od nekoliko dobavljača. Međutim, postoji- jeftina alternativa proizvodnji otpornika s tiskanom žicom na PC pločici za RSHUNT korištenjem pažljivih tehnika rasporeda (Slika 3).
Slika 3: Pedantne tehnike rasporeda PC ploče pružaju isplativ-način za stvaranje odgovarajućih RSHUNT vrijednosti.
Izračunavanje otpora tiskane žice PC ploče za RSHUNT
Zbog ekstremnih temperatura koje se mogu pojaviti u industrijskim primjenama, važno je uzeti u obzir temperaturne čimbenike pri projektiranju otpornika sklopnih ploča. Na slici 3, temperaturni koeficijent (20) otpornika s tiskanom žicom bakrene PC ploče je približno +0.39%/ stupanj na 20 stupnjeva (ovaj koeficijent varira s temperaturom). Duljina (L), debljina (t), širina (W) i otpornost (rñ) određuju otpor tiskane žice na PC pločici.
Ako PC ploča ima 1 uncu (oz) bakra (Cu), debljina (t) je jednaka 1,37 inča na tisuću, a otpor (r) je jednak 0,6787 mikroohma (µW) po inču. površina tiskane žice na PC ploči mjeri se u kutijama s tiskanom žicom ( ) ili L/W području. Na primjer, ispisna linija od 2 inča (in.) širine 0,25 inča odgovara 8 struktura.
Koristeći gornje varijable, izračunajte ispisani otpor žice R za 1 uncu bakra na PC ploči na sobnoj temperaturi pomoću (jednadžbe 1):
Formula1
gdje je T=temperatura otpornika.
Na primjer, počevši od maksimalne struje od 1 ampera (A) po grani BLDC motora na bakrenoj PC ploči od 1 unce, RSENSE duljine (L) od 1 inča i tiskane širine žice od 50 mil (0,05 inča), jednadžbe 2 i 3 mogu se koristiti za izračunavanje RSHUNT na 20 stupnjeva:
Formula 2
Formula 3
Izračunajte rasipanje snage ovog otpornika pri struji shunta od 1 A pomoću jednadžbe 4:
Formula 4
ADC pretvorba sinkronog uzorkovanja
ADC na slici 2 pretvara napon u točki faznog ciklusa u digitalni prikaz. Ključna točka je da ovo mjerenje treba uključiti sinkronizirane fazne napone sva tri namota. Ovo je uravnotežen sustav, pa kao što je ranije spomenuto, potrebno je izmjeriti samo dva od tri namota; vanjski mikrokontroler će izračunati fazni napon trećeg namota.
ADC za ovaj sustav upravljanja motorom je AD7380 dvo-kanalni sinkroni SAR{2}}ADC za uzorkovanje (Slika 4).
Slika 4: Brzi, -šumni, dvo-kanalni sinkroni SAR{3}}ADC uzorkovanja (npr. AD7380) bilježi trenutno stanje dva namota motora.
Na slici 4, AD8479 je precizno diferencijalno pojačalo s vrlo velikim ulaznim rasponom napona zajedničkog-moda (±600 volti) kako bi izdržao široke pomake pogona struje motora od tro-faznih pogona bez senzora. Karakteristike AD8479 omogućuju mu da zamijeni skupa izolacijska pojačala u aplikacijama gdje nije potrebna strujna izolacija.
Ključne značajke AD8479 također uključuju nizak kompenzacijski napon, nizak kompenzacijski pomak napona, mali pomak pojačanja, mali pomak uobičajenog-moda odbijanja i izvrstan omjer odbijanja zajedničkog-moda (CMRR) za prilagodbu brzim varijacijama motora. AD7380/AD7381 su 16-bit/14-bit, velike-brzine,-snage, dvokanalni-kanalni, sinkroni-SAR{16}}uzorkovanje-ADC-ovi, s brzinama protoka do 4 milijuna uzoraka u sekundi. Diferencijalni analogni ulazi prihvaćaju širok raspon uobičajenih ulaznih napona i imaju ugrađeni 2,5-voltni međuspremnik referentni (REF) izvor napona.
Za preciznu kontrolu okretnog momenta i brzine, dvo-kanalna arhitektura sinkronog uzorkovanja SAR-ADC hvata izlaz trenutnog-sens pojačala u--hodu. U tu svrhu, AD7380/AD7381 uključuje dva identična ADC-a sa sinkronim satovima, a svaki ima kapacitivni ulazni stupanj s kapacitivnom mrežom preraspodjele naboja (slika 5).
Slika 5: Prikazuje stupanj ADC pretvorbe za jedan od dva kanala AD7380. Akvizicija signala počinje kada je SW3 otvoren, a SW1 i SW2 zatvoreni. U ovoj točki, napon preko CS-a varira s AINx+ i AINx-, uzrokujući da ulazi komparatora postanu neuravnoteženi.
Na slici 5, VREF i uzemljenje su početni naponi na uzorku kondenzatora CS. Ako je SW3 otvoren, a SW1 i SW2 zatvoreni, započinje prikupljanje signala. Kada su SW1 i SW2 zatvoreni, napon na uzorku kondenzatora CS varira s naponom na AINx+ i AINx-, uzrokujući gubitak ravnoteže na ulazima komparatora. SW1 i SW2 se tada otvaraju i hvata se napon preko CS-a.
Proces hvatanja napona CS-a uključuje digitalno-u-analogni pretvarač (DAC), koji dodaje i oduzima fiksnu količinu naboja od CS-a kako bi se komparator vratio u ravnotežu. U ovoj je točki pretvorba dovršena, otvaranjem SW1 i SW2 i zatvaranjem SW3 za uklanjanje zaostalog naboja i pripremu za sljedeći ciklus uzorkovanja.
Tijekom DAC pretvorbe, upravljačka logika generira ADC izlazni kod i pristupa podacima uređaja putem serijskog sučelja.
Sažetak
Za točno mjerenje okretnog momenta i brzine BLDC motora najprije su potrebni točni,-cijenovni šant otpornici. Kao što je gore spomenuto, ovaj se otpornik može -isplativo implementirati korištenjem tiskanih žica na PC ploči.
Dodavanjem ovog uređaja kombinaciji AD8479 strujnog{1}}pojačala i AD7380 sinkronog{3}}uzorkovanja SAR-ADC, dizajneri mogu stvoriti robustan, visoko-precizan sustav za mjerenje momenta i brzine-za aplikacije kontrole motora u teškim okruženjima.