Precis reglering av vridmoment och varvtal för BLDC-motorer i industritillämpningar

BLDC-motorer (borstlösa likströmsmotorer) används inom industrin, framförallt i tillämpningar inom servo, styrdon, positionering och varvtalsreglering. I dessa tillämpningar är det avgörande att kunna uppnå precis rörelsestyrning och stabil drift. BLDC-motorer är uppbyggda kring ett rörligt magnetfält som genererar motorns vridmoment. Vid konstruktion av industriella BLDC-system är den största utmaningen vid styrning att korrekt kunna mäta motorns vridmoment och varvtal.

För att BLDC-motorns vridmoment ska kunna registreras, måste induktiv ström för två av de tre faserna mätas simultant med flerkanals A/D-omvandlare med simultansampling. En microcontroller med anpassade algoritmer beräknar momentan ström för den tredje fasen. I denna process tas en precis ögonblicksbild av motorns tillstånd, vilket är ett viktigt steg vid utveckling av en robust motorvridmomentstyrning med hög precision.

I denna artikel tar vi kort upp problem och utmaningar relaterade till precis vridmomentstyrning, bland annat kostnadseffektiva sätt att implementera shuntmotstånd. Vi kommer även att introducera differentialförstärkare AD8479 med hög precision och A/D-omvandlare AD7380 med successivt approximationsregister och dubbel sampling (SAR-A/D-omvandlare) – båda från Analog Devices – och visa hur dessa kan användas för att uppnå noggrann fasmätning och på så sätt uppnå robust systemdesign.

Hur fungerar BLDC-motorer?

En BLDC-motor är en synkronmotor med permanentmagneter med BEMF-vågform (motelektromotorisk kraft). Den observerade anslutningens BEMF är inte konstant (den förändras med rotorns vridmoment och dess varvtal). Till skillnad mot en DC-motor driver inte likspänningskällan BLDC-motorn direkt, men de grundläggande driftprinciperna för de båda motortyperna är ganska lika.

BLDC-motorn har en rotor med permanentmagneter och stator med induktiva lindningar. Denna motortyp är i stora drag en DC-motor som har vrängts ut och in genom att borstar och kommutator elimineras och på vilken lindningarna därefter ansluts direkt till styrelektroniken. Styrelektroniken ersätter kommutatorns funktion och strömsätter lindningarna i korrekt sekvens för önskad rörelse. De strömsatta lindningarna roterar i ett synkroniserat och balanserat mönster runt statorn. Den strömsatta statorlindningen leder rotormagneten och bryter precis när rotorn riktas in med statorn.

BLDC-motorsystemet måste ha en sensorlös BLDC-motordrivkrets med tre faser som genererar strömmen i motorns tre lindningar (figur 1). Kretsen strömförsörjs via ett digitalt effektfaktorkorrigeringssteg (PFC) med reglering av inrusningsström som säkerställer stabil effekt för den sensorlösa drivkretsen med tre faser.

Figur 1: Motorstyrsystemet består av en PFC som stabiliserar effekten, en sensorlös drivkrets med tre faser för BLDC-motorns lindningar, shuntmotstånd och strömavkännande förstärkare, en simultan A/D-omvandlare för förstärkare och en microcontroller. (Bildkälla: DigiKey)

Tre exciteringsströmmar driver BLDC-motorn. Dessa strömsätter och genererar faserna i lindningarna, var och en med fasförskjutning som sammanlagt blir 360°. Dessa olika fasvärden är viktiga: När exciteringen för de tre benen upprätthåller totalt 360° balanserar de ut jämnt till 360°, till exempel 90° + 150° + 120°.

Strömmen i ett systems alla tre lindningar måste alltid vara känd, och i ett balanserat system kan man detektera detta genom att mäta strömmen endast i två av de tre lindningarna. Den tredje lindningen beräknas med en microcontroller. De två lindningarna detekteras simultant med shuntmotstånd och strömavkännande förstärkare.

Vid signalvägens slut behövs en A/D-omvandlare med dubbel simultansampling som skickar digital mätdata till microcontrollern. Magnitud, fas och timing för varje exciteringsström ger den information om motorns vridmoment och varvtal som krävs för precis reglering.

Strömavkänning med kopparmotstånd på kretskort

Det finns mycket man behöver ta hänsyn till vid design av en så precis mätning och dataregistrering, men processen startar i front-end med utveckling av ett effektivt och billigt sätt att detektera fassignalen på BLDC-motorns lindningar. Detta kan utföras genom att använda ett inbyggt kretskortsmotstånd med lågt värde (R_SHUNT) och strömavkännande förstärkare för att detektera spänningsfall över detta lilla motstånd (figur 2). Om vi utgår från att motståndets värde är tillräckligt lågt kommer spänningsfallet också att bli litet, vilket betyder att mätmetoden har minimal påverkan på motorkretsen.

Figur 2: Fasdetekteringssystem för motor med strömshuntmotstånd (R_SHUNT) för mätning av momentan fas för motorn med högprecisionsförstärkare som Analog Devices AD8479 och A/D-omvandlare med hög upplösning (AD7380). (Bildkälla: DigiKey)

I figur 2 registrerar den strömavkännande förstärkaren momentant spänningsfall för I_PHASE x R_SHUNT. Därefter omvandlas signalen till en digital signal av SAR-A/D-omvandlaren Shuntmotståndets strömvärde omfattar interaktion mellan R_SHUNT, V_SHUNT, I_SHUNT och förstärkarens ingångsfel.

En ökning av R_SHUNT leder till en ökning av V_SHUNT. Den goda nyheten är att detta minskar betydelsen för förstärkarens spänningsavvikelse (V_OS) och strömoffset för ingångens bias (I_OS). Hur som helst reducerar strömförlusten för I_SHUNT x R_SHUNT med stor R_SHUNT systemets verkningsgrad. Det är även så att effektklassningen för R_SHUNT påverkar systemets tillförlitlighet eftersom effektavledningen för I_SHUNT x R_SHUNT kan generera ett själuppvärmande tillstånd som i sin tur kan leda till förändring av nominellt motstånd för R_SHUNT.

Flera leverantörer har motstånd som är särskilt avsedda för R_SHUNT. Ett billigt alternativ är emellertid att använda precisa layouttekniker för att skapa resistans i kretskortspår för R_SHUNT (figur 3).

Figur 3: Precisa tekniker för kretskortslayout är ett kostnadseffektivt sätt att generera korrekt värde för R_SHUNT. (Bildkälla: DigiKey)

Beräkning av kretskortspår för R_SHUNT

Eftersom det kan förekomma extrem temperatur i industriella tillämpningar är det viktigt att ta med temperaturen i beräkningen vid kretskortsdesign med shuntmotstånd. I figur 3 är temperaturkoefficienten (α₂₀) för ett shuntmotstånd i ett kopparkretskorts spår vid 20 °C cirka + 0,39 %/°C (koefficienten varierar med temperaturen). Längd (L), tjocklek (t), bredd (W) och resistivitet (rñ) avgör motståndet för kretskortspåret.

För ett kretskort med 1 ounce (oz) koppar (Cu) är tjockleken (t) 1,37 tusendelar av en tum och resistiviteten (r) är 0,6787 µOhm per tum. Kretskortspårets area mäts som spårets kvadrat (•), vilket utgör arean av L x W (där W = width). Exempel: ett 2-tumsspår med bredd 0,25 tum är en 8 •-struktur.

Med variablerna ovan beräknas motståndet (R_•) vid rumstemperatur för ett kretskort med 1 oz koppar med ekvation 1:

Ekvation 1

T = temperatur vid motståndet.

Exempel: genom att starta med 1 A ström (max.) per ben för BLDC-motor på ett kretskort med 1 oz koppar kan längden (L) för R_SENSE på 1 tum och spårbredden 0,05 tum för R_SHUNT vid rumstemperatur 20 °C beräknas med ekvation 2 och 3:

Ekvation 2

Ekvation 3

Effektavledningen för detta motstånd med 1 A shuntström beräknas med ekvation 4:

Ekvation 4

Omvandling med simultansamplande A/D-omvandlare

A/D-omvandlaren i figur 2 omvandlar spänningen till en digital representation vid en punkt i fascykeln. Det är mycket viktigt att simultan fasspänning för alla tre lindningar omfattas av denna mätning. Detta är ett balanserat system, så precis som vi antydde tidigare behöver endast två av tre lindningar mätas (en extern microcontroller beräknar fasspänning för den tredje lindningen).

En lämplig A/D-omvandlare för detta motorstyrsystem är SAR-A/D-omvandlaren AD7380 med dubbel simultansampling (figur 4).

Figur 4: En snabb SAR-A/D-omvandlare med dubbel simultansampling och lågt brus som AD7380 kan registrera en momentan bild av två av motorns tre lindningar. (Bildkälla: DigiKey)

AD8479 (figur 4) är en differentialförstärkare med hög precision och mycket högt ingående common-mode-spänningsintervall (± 600 V) som klarar av stora strömavvikelser för motordrivningen från den trefasiga, sensorlösa drivkretsen. AD8479 har egenskaper som gör att den kan ersätta dyra isoleringsförstärkare i tillämpningar där det inte krävs galvanisk isolering.

Andra viktiga egenskaper för AD8479 är låg offsetspänning, låg offsetspänningsdrift, låg förstärkningsdrift, låg CMR-drift (common-mode rejection drift) och utmärkt CMRR (common-mode rejection ratio) för att hantera snabba förändringar för motorn.

AD7380/AD7381 är strömsnåla SAR-A/D-omvandlare (16/14 bitar) med dubbel simultansampling och hög hastighet med genomströmning på upp till 4 miljoner samplingar/sek. Den analoga differentialingången kan hantera många olika inkommande common-mode-spänningar. En buffrad intern referens (REF) på 2,5 V är inkluderad.

För att uppnå precis styrning av vridmoment och varvtal utför SAR-A/D-omvandlaren med dubbel simultansampling en momentan registrering av utgången på den strömavkännande förstärkaren. För detta har AD7380/AD7381 två identiska, interna A/D-omvandlare som klockas simultant. Båda dessa har också ett kapacitivt ingångssteg med kapacitivt distributionsnätverk för laddning (figur 5).

Figur 5: Omvandlingssteg för en av de två kanalerna för A/D-omvandlare av typen Analog Devices AD7380 Signalregistreringen börjar när S_W3 öppnas och S_W1 och S_W2 är stängda. Vid den punkten ändras spänningen över C_S till A_INx+ och A_INx- vilket leder till att komparatoringångarna blir obalanserade. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 5 är V_REF och jord den inledande spänningen över samplingskondensatorerna C_S. Signalregistreringen öppnas genom att S_W3 öppnas och S_W1 och S_W2 stängs. När S_W1 och S_W2 stängs ändras spänningen över samplingskondensatorerna C_{S baserat på spänningen vid} A_INx+ och A_INx- vilket leder till att komparatoringångarna blir obalanserade. Därefter öppnas SW1 och SW2 och spänningen över C_S registreras.

Vid spänningsregistreringsprocessen för C_S används D/A-omvandlare (DAC). D/A-omvandlarna adderar och subtraherar fasta laddningsmängder från C_S för att återställa balanserat tillstånd för komparatorn. Vid denna punkt är omvandlingen slutförd, S_W1 och S_W2 öppnas och S_W3 stängs för att avlägsna restladdning och förbereda för nästa samplingscykel.

Under den tid DAC-omvandlingen pågår genererar styrlogiken A/D-omvandlarens utgångskod och data hämtas från enheten via ett seriellt gränssnitt.

Slutsats

Korrekt mätning av BLDC-motorers vridmoment och varvtal börjar med ett korrekt och billigt shuntmotstånd. Detta kan, som vi har visat, implementeras kostnadseffektivt med ett kretskortspår.

Genom att addera detta till kombinationen av en strömavkännande förstärkare AD8479 och en SAR-A/D-omvandlare AD7380 med simultansampling, kan konstruktörer bygga ett robust, precist styrsystem för mätning av vridmoment och hastighet i front-end för motorstyrningstillämpningar i hård miljö.