Motoarele fără perii de curent continuu (BLDC) sunt o parte integrantă a fabricii de producție industrială și sunt utilizate în aplicații de servo, acționare, poziționare și viteză variabilă. În aceste aplicații, controlul precis al mișcării și funcționarea stabilă sunt esențiale. Deoarece BLDC funcționează pe principiul unui câmp magnetic în mișcare pentru a genera cuplul motorului, principala provocare de control atunci când se proiectează un sistem BLDC industrial este măsurarea cu precizie a cuplului și a vitezei motorului.
Pentru a capta cuplul unui motor BLDC, doi dintre cei trei curenți de fază induși trebuie măsurați simultan folosind un convertor analog-la-de eșantionare sincronă multicanal (ADC). Un microcontroler cu algoritmii corespunzători calculează al treilea curent de fază instantaneu. Acest proces oferă o înregistrare precisă și instantanee a stării motorului, care este un pas critic în dezvoltarea unui sistem de control al cuplului motorului robust și foarte precis.
Această lucrare va discuta pe scurt problemele asociate cu obținerea unui control precis al cuplului, inclusiv o metodă rentabilă-de realizare a rezistenței de șunt necesare. Apoi, va introduce amplificatorul diferențial de precizie AD8479 de la Analog Devices și registrul ADC (SAR-ADC) de aproximare-aproximație- succesivă a eșantionului de canal dublu-AD7380 și va arăta cum pot fi utilizate pentru a obține măsurători precise de fază pentru proiectarea fiabilă a sistemului.
Principiul de funcționare al motorului BLDC
Motoarele BLDC sunt motoare sincrone cu magnet permanenți cu o formă de undă contra forței electromotoare (EMF). Forța electromotoare a contorului terminalului observată nu este constantă; variază în funcție de cuplul și viteza rotorului. Deși o sursă de tensiune DC nu poate conduce direct un motor BLDC, principiul de bază al funcționării unui BLDC este similar cu cel al unui motor DC.
Un motor BLDC este format dintr-un rotor cu magneți permanenți și un stator cu înfășurări de inducție. Acest motor este în esență un motor de curent continuu inversat în care periile și comutatorul sunt eliminate, iar înfășurările sunt apoi conectate direct la electronica de control. Electronica de control preia funcția comutatorului și alimentează înfășurările în ordinea corectă pentru a obține mișcarea dorită. Înfășurările sub tensiune se rotesc în jurul statorului într-un model sincronizat, echilibrat. Înfășurările statorului sub tensiune ghidează magneții rotorului și comută atunci când rotorul este aliniat cu statorul.
Sistemele de motoare BLDC necesită un driver trifazat de motor BLDC fără senzori care generează curent în cele trei înfășurări ale motorului (Figura 1). Circuitul este alimentat de o treaptă de corecție digitală a factorului de putere (PFC) cu control la pornire pentru a furniza putere stabilă driverului trifazat fără senzori.
Figura 1: Sistemul de control al motorului include un PFC pentru stabilizarea sursei de alimentare, un driver trifazat fără senzori pentru înfășurările motorului BLDC, rezistențe de șunt și amplificatoare de detecție de curent-, un ADC amplificator sincron și un microcontroler.
Trei curenți de excitație antrenează motorul BLDC, fiecare dintre care excită și generează o fază diferită în înfășurare, aceste faze totalizând 360 de grade. Diferitele valori ale fazei sunt importante: deoarece excitația totală a celor trei ramuri este menținută la 360 de grade, acestea sunt compensate uniform pentru a menține 360 de grade, de exemplu . 90 grad + 150 grad + 120 grad.
Deși curenții din toate cele trei înfășurări ale sistemului trebuie cunoscuți la un moment dat, pentru a face acest lucru într-un sistem echilibrat este necesar doar să se măsoare curenții din două din cele trei înfășurări și să se calculeze a treia înfășurare folosind microcontrolerul. Aceste două înfășurări pot fi detectate simultan folosind un rezistor de șunt și un amplificator de detectare a curentului.
Un ADC de eșantionare sincron cu două-canale este necesar la sfârșitul căii semnalului pentru a trimite măsurătorile digitale către microcontroler. Amplitudinea, faza și sincronizarea fiecărui curent de excitație furnizează informații despre cuplul și viteza motorului necesare pentru un control precis.
Detectarea curentului cu rezistoare de cupru de pe placă PC
Deși sunt multe de îngrijorat în acest proiect precis de măsurare și achiziție de date, procesul începe din partea inițială cu necesitatea de a dezvolta o modalitate eficientă, cu costuri reduse{0}}de a detecta semnalul de fază al înfășurărilor motorului BLDC. Acest lucru poate fi realizat prin plasarea unui rezistor de placă PC în linie de valoare mică (RSHUNT) și folosind un amplificator de curent-pentru a detecta căderea de tensiune pe acest rezistor mic (Figura 2). Presupunând că valoarea rezistorului este suficient de mică, căderea de tensiune este, de asemenea, scăzută, iar strategia de măsurare are un efect minim asupra circuitelor motorului.
Figura 2: Un sistem de detectare a fazei motorului folosește un rezistor de șunt de curent (RSHUNT) cu un amplificator de-înaltă precizie (de exemplu, AD8479 de la Analog Devices) și un ADC de-înaltă rezoluție (AD7380) pentru a măsura faza instantanee a motorului.
În Figura 2, amplificatorul de curent-captează căderea instantanee de tensiune IPHASE x RSHUNT. SAR-ADC-ul digitizează apoi acest semnal. Valoarea de selecție a rezistenței de șunt implică interacțiunea dintre RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT și eroarea de intrare a amplificatorului.
O creștere a RSHUNT va duce la o creștere a VSHUNT. Vestea bună este că aceasta va atenua semnificația erorii de compensare a tensiunii (VOS) a amplificatorului și a erorii curentului de compensare de intrare (IOS). Cu toate acestea, pierderea de putere ISHUNT x RSHUNT a unui RSHUNT mai mare reduce eficiența energetică a sistemului. În mod similar, puterea nominală RSHUNT poate afecta fiabilitatea sistemului, deoarece disiparea puterii ISHUNT x RSHUNT creează o stare de auto-încălzire, care poate determina modificarea rezistenței nominale RSHUNT.
Pentru RSHUNT, rezistențele cu scop special-poate fi obținute de la mai mulți furnizori. Cu toate acestea, există o alternativă cu cost redus-la fabricarea rezistențelor de fir imprimate pe placă de computer pentru RSHUNT, folosind tehnici de aranjare atentă (Figura 3).
Figura 3: Tehnicile meticuloase de aranjare a plăcii PC oferă o modalitate-eficientă din punct de vedere al costurilor de a crea valori RSHUNT adecvate.
Calculul rezistenței firului imprimat pe placă de calculator pentru RSHUNT
Din cauza temperaturilor extreme care pot apărea în aplicațiile industriale, este important să se ia în considerare factorii de temperatură în proiectarea rezistențelor de derivație a plăcilor de circuite. În Figura 3, coeficientul de temperatură ( 20) al unui rezistor de șunt cu fir imprimat pe o placă de cupru este de aproximativ +0.39%/grad la 20 de grade (acest coeficient variază în funcție de temperatură). Lungimea (L), grosimea (t), lățimea (W) și rezistivitatea (rñ) determină rezistența firului imprimat plăcii de computer.
Dacă placa PC are 1 uncie (oz) de cupru (Cu), grosimea (t) este egală cu 1,37 inci la mie, iar rezistivitatea (r) este egală cu 0,6787 microohmi (µW) pe inch. suprafața cablului imprimat pe placa PC este măsurată în cutii de cablu tipărite ( ) sau în zona L/W. De exemplu, o linie de imprimare de 2 inchi (inchi) cu o lățime de 0,25 inchi corespunde la 8 structuri.
Folosind variabilele de mai sus, calculați rezistența firului imprimat R pentru 1 uncie de cupru pe o placă PC la temperatura camerei prin (Ecuația 1):
Formula 1
unde T=temperatura rezistorului.
De exemplu, începând cu un curent maxim de 1 amper (A) per ramură de motor BLDC pe o placă PC de cupru de 1 uncie, o lungime RSENSE (L) de 1 inch și o lățime a firului imprimat de 50 mils (0,05 inchi), ecuațiile 2 și 3 pot fi utilizate pentru a calcula RSHUNT la 20 de grade:
Formula 2
Formula 3
Calculați puterea disipată a acestui rezistor la un curent de șunt de 1 A utilizând ecuația 4:
Formula 4
Conversie ADC de eșantionare sincronă
ADC din Figura 2 convertește tensiunea dintr-un punct din ciclul de fază într-o reprezentare digitală. Punctul cheie este că această măsurătoare ar trebui să includă tensiunile de fază sincronizate ale tuturor celor trei înfășurări. Acesta este un sistem echilibrat, așa că, așa cum am menționat mai devreme, doar două din cele trei înfășurări trebuie măsurate; un microcontroler extern va calcula tensiunea de fază a celei de-a treia înfășurări.
ADC-ul pentru acest sistem de control al motorului este ADC-ul AD7380 cu dublu-canal de eșantionare sincronă SAR-ADC (Figura 4).
Figura 4: Un SAR-ADC rapid, cu zgomot redus, cu două-canaluri de eșantionare sincronă (de exemplu, AD7380) surprinde starea instantanee a două înfășurări ale motorului.
În Figura 4, AD8479 este un amplificator diferențial de precizie cu o gamă foarte mare de tensiune în mod comun-de intrare (±600 volți) pentru a rezista decalajelor largi ale curentului motorului de la unități trifazate, fără senzori. Caracteristicile AD8479 îi permit să înlocuiască amplificatoarele de izolare scumpe în aplicațiile în care izolarea curentului nu este necesară.
Caracteristicile cheie ale AD8479 includ, de asemenea, tensiune de compensare scăzută, deviație scăzută a tensiunii de compensare, deviație scăzută a câștigului, deviație scăzută de respingere în modul-comun și raport excelent de respingere în modul-comun (CMRR) pentru a se adapta la variații rapide ale motorului. ADC-uri SAR-de eșantionare-înaltă,-scăzută,-canal dublu,-sincrone-de eșantionare, cu rate de transfer de până la 4 milioane de mostre pe secundă. Intrările analogice diferențiale acceptă o gamă largă de tensiuni de intrare în mod comun și au o sursă de tensiune de referință tamponată (REF) de 2,5 volți încorporată.
Pentru un control precis al cuplului și al vitezei, arhitectura SAR-ADC de eșantionare sincronă cu dublu-canal captează din mers ieșirea-amplificatorului de detectare-de curent. În acest scop, AD7380/AD7381 încorporează două ADC-uri identice cu ceasuri sincrone și fiecare are o etapă de intrare capacitivă cu o rețea capacitivă de redistribuire a sarcinii (Figura 5).
Figura 5: Arată etapa de conversie ADC pentru unul dintre cele două canale ale AD7380. Achiziția semnalului începe când SW3 este deschis și SW1 și SW2 sunt închise. În acest moment, tensiunea pe CS variază cu AINx+ și AINx-, determinând dezechilibrul intrărilor comparatorului.
În Figura 5, VREF și masă sunt tensiunile inițiale pe condensatorul eșantion CS. Dacă SW3 este deschis și SW1 și SW2 sunt închise, achiziția semnalului este inițiată. Când SW1 și SW2 sunt închise, tensiunea pe condensatorul eșantionului CS variază cu tensiunea la AINx+ și AINx-, determinând pierderea echilibrului intrărilor comparatorului. SW1 și SW2 sunt apoi deschise și tensiunea pe CS este capturată.
Procesul de captare a tensiunii CS implică un convertor digital-în-analogic (DAC), care adaugă și scade o cantitate fixă de încărcare din CS pentru a aduce comparatorul înapoi în echilibru. În acest moment, conversia este completă, deschizând SW1 și SW2 și închizând SW3 pentru a elimina încărcătura reziduală și a se pregăti pentru următorul ciclu de prelevare.
În timpul conversiei DAC, logica de control generează codul de ieșire ADC și accesează datele dispozitivului prin interfața serială.
Rezumat
Pentru a măsura cu precizie cuplul și turația motorului BLDC, sunt necesare mai întâi rezistențe de șunt precise, cu -cost redus. După cum s-a menționat mai sus, acest rezistor poate fi implementat-în mod eficient din punct de vedere al costurilor, folosind fire imprimate pe placa de computer.
Adăugând acest dispozitiv la combinația dintre amplificatorul de-detectare de curent AD8479 și AD7380{3}}SAR-de eșantionare sincronă AD7380, proiectanții pot crea un front-sistem de control al cuplului și al vitezei robust, de înaltă precizie, pentru aplicații de control al motoarelor în medii dure.