Bezsuku līdzstrāvas (BLDC) motori ir rūpnieciskās ražošanas iekārtas neatņemama sastāvdaļa un tiek izmantoti servo, iedarbināšanas, pozicionēšanas un mainīga ātruma lietojumos. Šajos lietojumos svarīga ir precīza kustības kontrole un stabila darbība. Tā kā BLDC darbojas pēc kustīga magnētiskā lauka principa, lai radītu motora griezes momentu, galvenais kontroles izaicinājums, izstrādājot rūpniecisko BLDC sistēmu, ir precīzi izmērīt motora griezes momentu un ātrumu.
Lai uztvertu BLDC motora griezes momentu, divas no trim inducētajām fāzes strāvām ir jāmēra vienlaikus, izmantojot daudzkanālu sinhrono iztveršanas analogo{0}}uz{1}}digitālo pārveidotāju (ADC). Mikrokontrolleris ar atbilstošiem algoritmiem aprēķina trešo momentāno fāzes strāvu. Šis process nodrošina precīzu un tūlītēju motora stāvokļa ierakstu, kas ir būtisks solis spēcīgas un ļoti precīzas motora griezes momenta kontroles sistēmas izstrādē.
Šajā rakstā īsumā tiks apspriesti jautājumi, kas saistīti ar precīzas griezes momenta kontroles panākšanu, tostarp izmaksu ziņā efektīva metode vajadzīgā šunta rezistora realizācijai. Pēc tam tiks ieviests Analog Devices precizitātes diferenciālais pastiprinātājs AD8479 un AD7380 divu -kanālu parauga-secīgās aproksimācijas-aproksimācijas-reģistrs ADC (SAR-ADC) un parādīts, kā tos var izmantot, lai iegūtu uzticamus, precīzus sistēmas projektēšanas fāzes.
BLDC motora darbības princips
BLDC motori ir pastāvīgo magnētu sinhronie motori ar pretelektromotora spēka (EMF) viļņu formu. Novērotais gala pretelektromotora spēks nav nemainīgs; tas mainās atkarībā no rotora griezes momenta un ātruma. Lai gan līdzstrāvas sprieguma avots nevar tieši vadīt BLDC motoru, BLDC darbības pamatprincips ir līdzīgs līdzstrāvas motoram.
BLDC motors sastāv no rotora ar pastāvīgajiem magnētiem un statora ar indukcijas tinumiem. Šis motors būtībā ir pagriezts līdzstrāvas motors, kurā tiek noņemtas sukas un komutators, un pēc tam tinumi tiek tieši savienoti ar vadības elektroniku. Vadības elektronika pārņem komutatora funkciju un iedarbina tinumus pareizā secībā, lai iegūtu vēlamo kustību. Spriegotie tinumi rotē ap statoru sinhronizētā, līdzsvarotā veidā. Spriegotie statora tinumi vada rotora magnētus un pārslēdzas, kad rotors ir izlīdzināts ar statoru.
BLDC motoru sistēmām ir nepieciešams trīs{0}}fāzu BLDC motora draiveris bez sensoriem, kas ģenerē strāvu trīs motora tinumos (1. attēls). Ķēdi darbina digitālā jaudas koeficienta korekcijas (PFC) stadija ar iedarbināšanas vadību, lai nodrošinātu stabilu jaudu trīsfāzu bezsensoru draiverim.
1. attēls. Motora vadības sistēma ietver PFC strāvas padeves stabilizēšanai, trīs-fāzu bezsensoru draiveri BLDC motora tinumiem, šunta rezistorus un strāvas-sensoru pastiprinātājus, sinhrono pastiprinātāju ADC un mikrokontrolleri.
Trīs ierosmes strāvas darbina BLDC motoru, no kurām katra ierosina un tinumā ģenerē atšķirīgu fāzi, šīs fāzes kopā veido 360 grādus. Atšķirīgās fāzes vērtības ir svarīgas: tā kā trīs zaru kopējā ierosme tiek uzturēta 360 grādos, tās ir vienmērīgi nobīdītas, lai saglabātu 360 grādus, piemēram, . 90 grāds + 150 grāds + 120 grāds.
Lai gan jebkurā brīdī ir jāzina strāvas visos trīs sistēmas tinumos, lai to izdarītu līdzsvarotā sistēmā, ir nepieciešams tikai izmērīt strāvas divos no trim tinumiem un, izmantojot mikrokontrolleri, aprēķināt trešo tinumu. Šos divus tinumus var noteikt vienlaikus, izmantojot šunta rezistoru un strāvas noteikšanas pastiprinātāju.
Lai nosūtītu digitālos mērījumus uz mikrokontrolleru, signāla ceļa galā ir nepieciešams divu-kanālu sinhronās iztveršanas ADC. Katras ierosmes strāvas amplitūda, fāze un laiks nodrošina motora griezes momenta un ātruma informāciju, kas nepieciešama precīzai kontrolei.
Strāvas noteikšana ar datora plates vara rezistoriem
Lai gan šajā precīzajā mērījumu un datu iegūšanas dizainā ir daudz jāuztraucas, process sākas pašā sākumā ar nepieciešamību izstrādāt efektīvu, zemu{0}}maksu veidu, kā uztvert BLDC motora tinumu fāzes signālu. To var paveikt, ievietojot nelielas vērtības inline PC plates rezistoru (RSHUNT) un izmantojot strāvas-sense pastiprinātāju, lai noteiktu sprieguma kritumu šajā mazajā rezistorā (2. attēls). Pieņemot, ka rezistora vērtība ir pietiekami zema, arī sprieguma kritums ir zems un mērīšanas stratēģijai ir minimāla ietekme uz motora shēmu.
2. attēls. Motora fāzes noteikšanas sistēma izmanto strāvas šunta rezistoru (RSHUNT) ar augstas precizitātes pastiprinātāju (piemēram, Analog Devices' AD8479) un augstas izšķirtspējas ADC (AD7380), lai izmērītu momentāno motora fāzi.
2. attēlā strāvas-sensu pastiprinātājs fiksē momentāno IPHASE x RSHUNT sprieguma kritumu. Pēc tam SAR-ADC digitalizē šo signālu. Šunta rezistora izvēles vērtība ietver mijiedarbību starp RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT un pastiprinātāja ievades kļūdu.
Palielinot RSHUNT, palielināsies VSHUNT. Labā ziņa ir tā, ka tas mazinās pastiprinātāja sprieguma nobīdes (VOS) kļūdas un ievades nobīdes strāvas (IOS) kļūdas nozīmi. Tomēr lielāka RSHUNT ISHUNT x RSHUNT jaudas zudums samazina sistēmas jaudas efektivitāti. Līdzīgi RSHUNT jaudas novērtējums var ietekmēt sistēmas uzticamību, jo ISHUNT x RSHUNT jaudas izkliede rada paš-uzsilšanas stāvokli, kas var izraisīt nominālās RSHUNT pretestības izmaiņas.
RSHUNT īpašam{0}}nolūka rezistorus var iegādāties no vairākiem piegādātājiem. Tomēr ir zemu -izmaksu alternatīva RSHUNT vadu rezistoru ražošanai uz PC plates, izmantojot rūpīgas izkārtojuma metodes (3. attēls).
3. attēls. Rūpīgas PC plates izkārtojuma metodes nodrošina izmaksu ziņā efektīvu veidu, kā izveidot atbilstošas RSHUNT vērtības.
Datora plates drukāto vadu pretestības aprēķināšana RSHUNT
Tā kā rūpnieciskos lietojumos var rasties ārkārtējas temperatūras, ir svarīgi ņemt vērā temperatūras faktorus, izstrādājot shēmas plates šunta rezistorus. 3. attēlā redzams, ka vara PC plates drukātā stiepļu šunta rezistora temperatūras koeficients (20) ir aptuveni +0.39%/grādi 20 grādu temperatūrā (šis koeficients mainās atkarībā no temperatūras). Garums (L), biezums (t), platums (W) un pretestība (rñ) nosaka PC plates drukātās stieples pretestību.
Ja PC platei ir 1 unce (oz) vara (Cu), biezums (t) ir vienāds ar 1,37 collām uz tūkstoti un pretestība (r) ir vienāda ar 0,6787 mikroomi (µW) uz collu. PC plates apdrukāto vadu laukums tiek mērīts drukātajos vadu kastēs ( ) vai L/W zonā. Piemēram, 2 collu (collas) drukas līnija ar platumu 0,25 collas atbilst 8 struktūrām.
Izmantojot iepriekš minētos mainīgos, aprēķiniet drukātās stieples pretestību R 1 uncei vara uz PC plates istabas temperatūrā ar (1. vienādojums):
Formula1
kur T=rezistora temperatūra.
Piemēram, sākot ar maksimālo strāvu 1 ampēru (A) uz vienu BLDC motora atzaru uz 1 unces vara PC plates, RSENSE garumu (L) 1 collu un drukātā stieples platumu 50 jūdzes (0,05 collas), 2. un 3. vienādojumus var izmantot, lai aprēķinātu RSHUNT pie 20 grādiem:
Formula 2
Formula 3
Aprēķiniet šī rezistora jaudas izkliedi pie šunta strāvas 1 A, izmantojot 4. vienādojumu:
Formula 4
Sinhronās izlases ADC konvertēšana
2. attēlā redzamais ADC pārveido spriegumu fāzes cikla punktā digitālā attēlojumā. Galvenais ir tas, ka šim mērījumam jāietver visu trīs tinumu sinhronizētie fāzes spriegumi. Šī ir līdzsvarota sistēma, tāpēc, kā minēts iepriekš, ir jāmēra tikai divi no trim tinumiem; ārējais mikrokontrolleris aprēķinās trešā tinuma fāzes spriegumu.
Šīs motora vadības sistēmas ADC ir AD7380 divu{1}}kanālu sinhronās iztveršanas SAR-ADC (4. attēls).
4. attēls. Ātra, zema-trokšņa, divu{2}}kanālu sinhronā iztveršanas SAR-ADC (piem., AD7380) uztver divu motora tinumu momentāno stāvokli.
4. attēlā AD8479 ir precīzs diferenciālais pastiprinātājs ar ļoti lielu ieejas kopējā -režīma sprieguma diapazonu (±600 volti), lai izturētu plašu motora strāvas piedziņas nobīdi no trīs-fāzu, bezsensoru diskdziņiem. AD8479 raksturlielumi ļauj to aizstāt dārgās lietojumprogrammās, kur nav nepieciešami strāvas pastiprinātāji.
Galvenās AD8479 funkcijas ietver arī zemu kompensācijas spriegumu, zemu kompensācijas sprieguma novirzi, zemu pastiprinājuma novirzi, zemu kopējā-režīma noraidīšanas koeficientu un lielisku kopējo-režīmu noraidīšanas koeficientu (CMRR), lai pielāgotos ātrai motora variācijai. AD7380/AD7381 ir 16-}}/14 biti,{8}} attiecīgi ātrdarbīgi, maza{11}}jaudas, divu{12}}kanālu, sinhroni{15}}iztveršanas SAR-ADC ar caurlaides ātrumu līdz 4 M paraugu sekundē. Diferenciālās analogās ieejas pieņem plašu kopējā režīma ieejas spriegumu klāstu, un tām ir iebūvēts 2,5 voltu buferētā atsauces (REF) sprieguma avots.
Precīzai griezes momenta un ātruma kontrolei divu{0}}kanālu sinhronās iztveršanas SAR-ADC arhitektūra tver pašreizējā-sajūtas pastiprinātāja izvadi-no-lidojuma laikā. Šim nolūkam AD7380/AD7381 ir iekļauti divi identiski ADC ar sinhroniem pulksteņiem, un katram ir kapacitatīvā ieejas stadija ar kapacitatīvo lādiņu pārdales tīklu (5. attēls).
5. attēls: parāda ADC pārveidošanas stadiju vienam no diviem AD7380 kanāliem. Signāla iegūšana sākas, kad SW3 ir atvērts un SW1 un SW2 ir aizvērti. Šajā brīdī CS spriegums mainās atkarībā no AINx+ un AINx-, izraisot salīdzinājuma ieejas nelīdzsvarotību.
5. attēlā VREF un zemējums ir sākotnējie spriegumi pāri parauga kondensatoram CS. Ja SW3 ir atvērts un SW1 un SW2 ir aizvērti, tiek uzsākta signāla iegūšana. Kad SW1 un SW2 ir aizvērti, spriegums pāri parauga kondensatoram CS mainās atkarībā no sprieguma pie AINx+ un AINx-, izraisot salīdzinājuma ieeju līdzsvara zudumu. Pēc tam tiek atvērti SW1 un SW2, un tiek fiksēts spriegums pāri CS.
CS sprieguma uztveršanas process ietver digitālo{0}}uz-analogo pārveidotāju (DAC), kas saskaita un atņem no CS fiksētu lādiņa summu, lai salīdzinājuma ierīce atkal nonāk līdzsvarā. Šajā brīdī pārveidošana ir pabeigta, atverot SW1 un SW2 un aizverot SW3, lai noņemtu atlikušo lādiņu un sagatavotos nākamajam paraugu ņemšanas ciklam.
DAC pārveidošanas laikā vadības loģika ģenerē ADC izvades kodu un piekļūst ierīces datiem, izmantojot seriālo interfeisu.
Kopsavilkums
Lai precīzi izmērītu BLDC motora griezes momentu un ātrumu, vispirms ir nepieciešami precīzi, zemu{0}}maksas šunta rezistori. Kā minēts iepriekš, šo rezistoru var rentabli ieviest, izmantojot PC plates drukātos vadus.
Pievienojot šo ierīci AD8479 strāvas-sajūtu pastiprinātāja un AD7380 sinhronās-iztveršanas SAR-ADC kombinācijai, dizaineri var izveidot stabilu, augstas -precizitātes griezes momenta un ātruma kontroles sistēmas mērīšanas priekšpusi- motora vadības lietojumprogrammām skarbos apstākļos.