Bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) stanowią integralną część przemysłowych zakładów produkcyjnych i są wykorzystywane w zastosowaniach serwo, uruchamiania, pozycjonowania i zmiennej prędkości. W tych zastosowaniach krytyczne znaczenie ma precyzyjna kontrola ruchu i stabilna praca. Ponieważ BLDC działają na zasadzie ruchomego pola magnetycznego w celu generowania momentu obrotowego silnika, głównym wyzwaniem w zakresie sterowania podczas projektowania przemysłowego systemu BLDC jest dokładny pomiar momentu obrotowego i prędkości silnika.
Aby uchwycić moment obrotowy silnika BLDC, należy jednocześnie zmierzyć dwa z trzech indukowanych prądów fazowych za pomocą wielokanałowego, synchronicznego próbkowania przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Mikrokontroler za pomocą odpowiednich algorytmów oblicza trzeci chwilowy prąd fazowy. Proces ten zapewnia dokładny i natychmiastowy zapis stanu silnika, co stanowi krytyczny krok w rozwoju solidnego i bardzo dokładnego systemu kontroli momentu obrotowego silnika.
W tym artykule pokrótce omówiono kwestie związane z uzyskaniem dokładnej kontroli momentu obrotowego, w tym opłacalną-metodę realizacji wymaganego rezystora bocznikowego. Następnie zaprezentowany zostanie precyzyjny wzmacniacz różnicowy AD8479 firmy Analog Devices oraz dwukanałowy-kanałowy-aproksymacyjny-rejestrator ADC (SAR{8}}ADC) AD7380 i pokaże, jak można je wykorzystać do uzyskania dokładnych pomiarów fazy w celu zapewnienia niezawodnego projektowania systemu.
Zasada działania silnika BLDC
Silniki BLDC to silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, generujące falę przeciwnej siły elektromotorycznej (EMF). Obserwowana końcowa przeciwna siła elektromotoryczna nie jest stała; zmienia się w zależności od momentu obrotowego i prędkości wirnika. Chociaż źródło napięcia prądu stałego nie może bezpośrednio napędzać silnika BLDC, podstawowa zasada działania BLDC jest podobna do zasady działania silnika prądu stałego.
Silnik BLDC składa się z wirnika z magnesami trwałymi i stojana z uzwojeniami indukcyjnymi. Silnik ten jest zasadniczo odwróconym silnikiem prądu stałego, w którym wyeliminowano szczotki i komutator, a uzwojenia są następnie podłączone bezpośrednio do elektroniki sterującej. Elektronika sterująca przejmuje funkcję komutatora i zasila uzwojenia w odpowiedniej kolejności, aby uzyskać pożądany ruch. Uzwojenia pod napięciem obracają się wokół stojana w zsynchronizowany, zrównoważony sposób. Zasilone uzwojenia stojana prowadzą magnesy wirnika i przełączają się, gdy wirnik jest ustawiony w jednej linii ze stojanem.
Układy silników BLDC wymagają trójfazowego-bezczujnikowego sterownika silnika BLDC, który generuje prąd w trzech uzwojeniach silnika (rysunek 1). Obwód jest zasilany przez stopień cyfrowej korekcji współczynnika mocy (PFC) z kontrolą rozruchu, aby zapewnić stabilne zasilanie trójfazowego sterownika bezczujnikowego.
Rysunek 1: Układ sterowania silnikiem obejmuje układ PFC stabilizujący zasilanie, trójfazowy-bezczujnikowy sterownik uzwojeń silnika BLDC, rezystory bocznikowe i wzmacniacze{{2}czujności prądu, przetwornik ADC wzmacniacza synchronicznego i mikrokontroler.
Silnik BLDC napędzają trzy prądy wzbudzenia, z których każdy wzbudza i generuje inną fazę w uzwojeniu, przy czym fazy te obejmują w sumie 360 stopni. Ważne są różne wartości faz: ponieważ całkowite wzbudzenie trzech gałęzi utrzymuje się na poziomie 360 stopni, są one równomiernie przesunięte, aby utrzymać 360 stopni, np.. 90 stopnia + 150 stopnia + 120 stopnia.
Chociaż prądy we wszystkich trzech uzwojeniach systemu muszą być znane w dowolnym momencie, aby to zrobić w zrównoważonym systemie, wystarczy zmierzyć prądy w dwóch z trzech uzwojeń i obliczyć trzecie uzwojenie za pomocą mikrokontrolera. Te dwa uzwojenia można wykryć jednocześnie za pomocą rezystora bocznikowego i wzmacniacza detekcji prądu.
Aby przesyłać pomiary cyfrowe do mikrokontrolera, na końcu ścieżki sygnałowej wymagany jest dwukanałowy, synchroniczny przetwornik ADC. Amplituda, faza i czas każdego prądu wzbudzenia dostarczają informacji o momencie obrotowym i prędkości silnika potrzebnych do precyzyjnego sterowania.
Pomiar prądu za pomocą rezystorów miedzianych na płytce drukowanej
Chociaż projekt precyzyjnego pomiaru i gromadzenia danych ma wiele powodów do obaw, proces zaczyna się od początku, wraz z koniecznością opracowania skutecznego i taniego- sposobu wykrywania sygnału fazowego uzwojeń silnika BLDC. Można to osiągnąć, umieszczając wbudowany rezystor na płycie PC o małej wartości (RSHUNT) i używając wzmacniacza wykrywającego prąd w celu wykrycia spadku napięcia na tym małym rezystorze (rysunek 2). Zakładając, że wartość rezystora jest wystarczająco niska, spadek napięcia jest również niski, a strategia pomiaru ma minimalny wpływ na obwody silnika.
Rysunek 2: System wykrywania fazy silnika wykorzystuje rezystor bocznikowy (RSHUNT) z-precyzyjnym wzmacniaczem (np. AD8479 firmy Analog Devices) i przetwornikiem ADC o wysokiej-rozdzielczości (AD7380) do pomiaru chwilowej fazy silnika.
Na rysunku 2 wzmacniacz-z czujnikiem prądu rejestruje chwilowy spadek napięcia IPHASE x RSHUNT. Następnie przetwornik SAR-ADC digitalizuje ten sygnał. Wartość wyboru rezystora bocznikowego uwzględnia interakcję pomiędzy RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT i błędem wejściowym wzmacniacza.
Wzrost RSHUNT spowoduje wzrost VSHUNT. Dobra wiadomość jest taka, że zmniejszy to znaczenie błędu przesunięcia napięcia (VOS) wzmacniacza i błędu prądu przesunięcia wejściowego (IOS). Jednakże utrata mocy ISHUNT x RSHUNT w większym RSHUNT zmniejsza wydajność energetyczną systemu. Podobnie moc znamionowa RSHUNT może wpływać na niezawodność systemu, ponieważ rozpraszanie mocy ISHUNT x RSHUNT tworzy stan-samonagrzewania, który może powodować zmianę nominalnej rezystancji RSHUNT.
W przypadku RSHUNT rezystory-specjalnego przeznaczenia można nabyć od kilku dostawców. Istnieje jednak tańsza-alternatywa dla produkcji rezystorów drutowych drukowanych na płytkach drukowanych dla RSHUNT przy użyciu technik starannego projektowania (rysunek 3).
Rysunek 3: Techniki skrupulatnego rozplanowania płytki drukowanej stanowią-ekonomiczny sposób na utworzenie odpowiednich wartości RSHUNT.
Obliczanie rezystancji przewodu drukowanego na płytce drukowanej dla RSHUNT
Ze względu na ekstremalne temperatury, które mogą wystąpić w zastosowaniach przemysłowych, ważne jest uwzględnienie czynników temperaturowych przy projektowaniu rezystorów bocznikowych na płytkach drukowanych. Na rysunku 3 współczynnik temperaturowy (20) rezystora bocznikowego z drutu miedzianego drukowanego na płytce drukowanej wynosi około +0.39%/stopień przy 20 stopniach (współczynnik ten zmienia się w zależności od temperatury). Długość (L), grubość (t), szerokość (W) i rezystywność (rñ) określają rezystancję drutu drukowanego na płycie PC.
Jeśli płytka drukowana zawiera 1 uncję (oz) miedzi (Cu), grubość (t) jest równa 1,37 cala na tysiąc, a rezystywność (r) jest równa 0,6787 mikrooma (µW) na cal. obszar przewodów drukowanych na płycie PC mierzony jest w skrzynkach przewodów drukowanych ( ) lub obszarze L/W. Na przykład 2-calowa (calowa) linia wydruku o szerokości 0,25 cala odpowiada 8 strukturom.
Korzystając z powyższych zmiennych, oblicz wydrukowaną rezystancję przewodu R dla 1 uncji miedzi na płytce drukowanej w temperaturze pokojowej za pomocą (Równanie 1):
Formuła 1
gdzie T=temperatura rezystora.
Na przykład, zaczynając od maksymalnego prądu 1 ampera (A) na gałąź silnika BLDC na 1 uncji miedzianej płytce drukowanej, długości RSENSE (L) wynoszącej 1 cal i wydrukowanej szerokości przewodu wynoszącej 50 milicali (0,05 cala), równania 2 i 3 można zastosować do obliczenia RSHUNT przy 20 stopniach:
Formuła 2
Formuła 3
Oblicz straty mocy tego rezystora przy prądzie bocznikowym 1 A, korzystając z równania 4:
Formuła 4
Synchroniczna konwersja próbkowania ADC
ADC na rysunku 2 przekształca napięcie w punkcie cyklu fazowego na reprezentację cyfrową. Kluczową kwestią jest to, że pomiar ten powinien obejmować zsynchronizowane napięcia fazowe wszystkich trzech uzwojeń. Jest to układ zrównoważony, więc jak wspomniano wcześniej, wystarczy zmierzyć tylko dwa z trzech uzwojeń; zewnętrzny mikrokontroler obliczy napięcie fazowe trzeciego uzwojenia.
Przetwornikiem ADC dla tego układu sterowania silnikiem jest dwukanałowy, synchroniczny próbkowanie SAR-ADC AD7380 (rysunek 4).
Rysunek 4: Szybki,-szumowy, dwukanałowy, synchroniczny próbkowanie SAR-ADC (np. AD7380) rejestruje chwilowy stan dwóch uzwojeń silnika.
Na rysunku 4 AD8479 to precyzyjny wzmacniacz różnicowy z bardzo dużym zakresem napięcia wejściowego wspólnego-(±600 woltów), który wytrzymuje duże przesunięcia prądu silnika w przypadku trójfazowych-przemienników bezczujnikowych. Charakterystyka AD8479 pozwala mu zastąpić drogie wzmacniacze izolacyjne w zastosowaniach, w których nie jest wymagana izolacja prądu.
Kluczowe cechy układu AD8479 obejmują również niskie napięcie kompensacji, niski dryft napięcia kompensacji, dryft niskiego wzmocnienia, niski dryft tłumienia-trybu wspólnego i doskonały współczynnik tłumienia-trybu wspólnego (CMRR), aby dostosować się do szybkich zmian silnika. Układy AD7380/AD7381 są 16-bitów/14-bitów, odpowiednio wysokie-szybkie,{11}}małej mocy, dwu-kanałowe, synchroniczne-próbkowanie SAR-ADC, odpowiednio, z przepustowością do 4 M próbek na sekundę. Różnicowe wejścia analogowe akceptują szeroki zakres napięć wejściowych w trybie wspólnym i mają wbudowane źródło napięcia referencyjnego o napięciu 2,5 V (REF).
Aby zapewnić precyzyjną kontrolę momentu obrotowego i prędkości, dwu-kanałowa, synchroniczna architektura próbkowania SAR{1}}ADC przechwytuje sygnał wyjściowy-wzmacniacza-prądu-w locie. W tym celu układy AD7380/AD7381 zawierają dwa identyczne przetworniki ADC z synchronicznymi zegarami, a każdy z nich ma pojemnościowy stopień wejściowy z pojemnościową siecią redystrybucji ładunku (rysunek 5).
Rysunek 5: Pokazuje stopień konwersji ADC dla jednego z dwóch kanałów AD7380. Odbiór sygnału rozpoczyna się, gdy SW3 jest otwarty, a SW1 i SW2 są zamknięte. W tym momencie napięcie na CS zmienia się w zależności od AINx+ i AINx-, co powoduje, że wejścia komparatora stają się niezrównoważone.
Na rysunku 5 VREF i masa to napięcia początkowe na przykładowym kondensatorze CS. Jeśli SW3 jest otwarty, a SW1 i SW2 są zamknięte, inicjowane jest pozyskiwanie sygnału. Kiedy SW1 i SW2 są zwarte, napięcie na przykładowym kondensatorze CS zmienia się wraz z napięciem na AINx+ i AINx-, powodując utratę równowagi na wejściach komparatora. Następnie otwierane są SW1 i SW2 i rejestrowane jest napięcie na CS.
Proces wychwytywania napięcia CS obejmuje przetwornik cyfrowo-na-analogowy (DAC), który dodaje i odejmuje stałą ilość ładunku od CS, aby przywrócić równowagę komparatora. W tym momencie konwersja jest zakończona, otwiera się SW1 i SW2 oraz zamyka SW3, aby usunąć ładunek resztkowy i przygotować się do następnego cyklu pobierania próbek.
Podczas konwersji DAC logika sterująca generuje kod wyjściowy ADC i uzyskuje dostęp do danych urządzenia poprzez interfejs szeregowy.
Streszczenie
Aby dokładnie zmierzyć moment obrotowy i prędkość silnika BLDC, najpierw potrzebne są dokładne,-kosztowe rezystory bocznikowe. Jak wspomniano powyżej, rezystor ten można-opłacalnie wdrożyć przy użyciu przewodów drukowanych na płytce drukowanej.
Dodając to urządzenie do kombinacji-wzmacniacza-prądu AD8479 i synchronicznego-próbkowania-ADC AD7380, projektanci mogą stworzyć solidny,-precyzyjny front systemu pomiaru momentu obrotowego i prędkości-do zastosowań związanych ze sterowaniem silnikiem w trudnych warunkach.