Harjadeta alalisvoolumootorid (BLDC) on tööstusliku tootmistehase lahutamatu osa ning neid kasutatakse servo-, käitamis-, positsioneerimis- ja muutuva kiirusega rakendustes. Nendes rakendustes on täpne liikumise juhtimine ja stabiilne töö kriitilise tähtsusega. Kuna BLDC-d töötavad mootori pöördemomendi genereerimiseks liikuva magnetvälja põhimõttel, on tööstusliku BLDC-süsteemi projekteerimisel peamine juhtimisprobleem mootori pöördemomendi ja kiiruse täpne mõõtmine.
BLDC-mootori pöördemomendi tabamiseks tuleb kolmest indutseeritud faasivoolust kahte mõõta üheaegselt, kasutades mitmekanalilist sünkroonset diskreetset analoog{0}}to{1}}digitaalmuundurit (ADC). Vastavate algoritmidega mikrokontroller arvutab välja kolmanda hetkelise faasivoolu. See protsess annab täpse ja hetkelise salvestuse mootori seisukorrast, mis on kriitilise tähtsusega samm tugeva ja ülitäpse mootori pöördemomendi juhtimissüsteemi väljatöötamisel.
Selles artiklis käsitletakse lühidalt täpse pöördemomendi juhtimise saavutamisega seotud probleeme, sealhulgas kuluefektiivset meetodit vajaliku šunttakisti realiseerimiseks. Seejärel tutvustatakse Analog Devices'i AD8479 täppisdiferentsiaalvõimendit ja AD7380 kahe-kanali näidis-järgimise-aproximation-registri ADC (SAR-ADC) ja näidatakse, kuidas neid saab kasutada süsteemi täpsete mõõtmiste tegemiseks.
BLDC mootori tööpõhimõte
BLDC mootorid on püsimagnetitega sünkroonmootorid, millel on vastuelektromootorjõu (EMF) lainekuju. Vaadeldav terminali vastuelektromotoorjõud ei ole konstantne; see varieerub sõltuvalt rootori pöördemomendist ja kiirusest. Kuigi alalispingeallikas ei saa BLDC mootorit otseselt juhtida, on BLDC tööpõhimõte sarnane alalisvoolumootori omaga.
BLDC mootor koosneb püsimagnetitega rootorist ja induktsioonmähistega staatorist. See mootor on sisuliselt ümberpööratud alalisvoolumootor, milles on eemaldatud harjad ja kommutaator ning seejärel ühendatakse mähised otse juhtelektroonikaga. Juhtelektroonika võtab üle kommutaatori funktsiooni ja pingestab mähised õiges järjestuses, et saavutada soovitud liikumine. Pingestatud mähised pöörlevad ümber staatori sünkroniseeritud ja tasakaalustatud mustriga. Pingestatud staatori mähised juhivad rootori magneteid ja lülituvad, kui rootor on staatoriga joondatud.
BLDC mootorisüsteemid nõuavad kolme{0}}faasi andurita BLDC mootori draiverit, mis genereerib voolu mootori kolmes mähises (joonis 1). Ahela toiteallikaks on digitaalne võimsusteguri korrigeerimise (PFC) aste koos sisselülitusjuhtimisega, et anda kolmefaasilisele andurita draiverile stabiilne toide.
Joonis 1: Mootori juhtimissüsteem sisaldab PFC-d toiteallika stabiliseerimiseks, kolmefaasilist andurita draiverit BLDC mootori mähiste jaoks, šundi takisteid ja voolu-sensorvõimendeid, sünkroonvõimendit ADC ja mikrokontrollerit.
BLDC mootorit juhivad kolm ergutusvoolu, millest igaüks ergastab ja genereerib mähises erineva faasi, kusjuures need faasid on kokku 360 kraadi. Erinevad faasiväärtused on olulised: kuna kolme haru koguergastus hoitakse 360 kraadi juures, on need ühtlaselt nihutatud, et säilitada 360 kraadi, nt . 90 kraad + 150 kraad + 120 kraadi .
Kuigi süsteemi kõigis kolmes mähises peavad voolud olema igal ajahetkel teada, on selleks tasakaalustatud süsteemis vaja mõõta vaid kahe mähise voolud kolmest ja arvutada mikrokontrolleri abil välja kolmas mähis. Neid kahte mähist saab samaaegselt tuvastada šunttakisti ja voolutuvastusvõimendi abil.
Digitaalsete mõõtmiste saatmiseks mikrokontrollerile on signaalitee lõpus vaja kahe-kanaliga sünkroonset diskreetimisseadet. Iga ergutusvoolu amplituud, faas ja ajastus annavad täpseks juhtimiseks vajaliku mootori pöördemomendi ja kiiruse teabe.
Vooluandur PC-plaadi vasktakistitega
Kuigi selles täpses mõõtmis- ja andmehõivekujunduses on palju põhjust muretsemiseks, algab protsess algusest vajadusega töötada välja tõhus ja odav viis BLDC mootori mähiste faasisignaali tuvastamiseks. Seda saab saavutada, asetades väikese väärtusega arvutiplaadi takisti (RSHUNT) ja kasutades voolu-sensuvõimendit, et tuvastada selle väikese takisti pingelangus (joonis 2). Eeldades, et takisti väärtus on piisavalt madal, on ka pingelang väike ja mõõtmisstrateegial on mootori vooluringile minimaalne mõju.
Joonis 2. Mootori faasituvastussüsteem kasutab mootori hetkefaasi mõõtmiseks voolu šunttakistit (RSHUNT) koos suure-täppisvõimendiga (nt Analog Devices' AD8479) ja kõrge{5}eraldusvõimega ADC-ga (AD7380).
Joonisel 2 jäädvustab voolu-sensuvõimendi hetkelise IPHASE x RSHUNT pingelanguse. Seejärel digiteerib SAR-ADC selle signaali. Šundi takisti valiku väärtus hõlmab interaktsiooni RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT ja võimendi sisendvea vahel.
RSHUNT suurenemine toob kaasa VSHUNT suurenemise. Hea uudis on see, et see vähendab võimendi pinge nihke (VOS) ja sisendnihke voolu (IOS) vea olulisust. Suurema RSHUNT-i ISHUNT x RSHUNT võimsuskadu aga vähendab süsteemi energiatõhusust. Samamoodi võib RSHUNT võimsuse reiting mõjutada süsteemi töökindlust, kuna ISHUNT x RSHUNT võimsuse hajumine tekitab isesoojenemise oleku, mis võib põhjustada RSHUNT nominaalse takistuse muutumise.
RSHUNT jaoks saab eriotstarbelisi-takisteid hankida mitmelt tarnijalt. Siiski on RSHUNT jaoks PC-plaadile trükitud traattakistite tootmisele odav-alternatiiv, kasutades hoolikat paigutustehnikat (joonis 3).
Joonis 3: PC-plaadi täpsed paigutustehnikad pakuvad kulutõhusat viisi sobivate RSHUNT väärtuste loomiseks.
Arvutiplaadi prinditud traadi takistuse arvutamine RSHUNT jaoks
Tööstuslikes rakendustes esineda võivate äärmuslike temperatuuride tõttu on trükkplaadi šunttakistite projekteerimisel oluline arvestada temperatuuriteguritega. Joonisel 3 on vasest PC-plaadile trükitud traatšunditakisti temperatuurikoefitsient (20) ligikaudu +0.39%/kraadist 20 kraadi juures (see koefitsient muutub sõltuvalt temperatuurist). Pikkus (L), paksus (t), laius (W) ja takistus (rñ) määravad PC-plaadile trükitud traadi takistuse.
Kui PC-plaadil on 1 unts (unts) vaske (Cu), on paksus (t) 1,37 tolli tuhande kohta ja eritakistus (r) on 0,6787 mikrooomi (µW) tolli kohta. PC-plaadile trükitud traadi pindala mõõdetakse prinditud juhtmekastides ( ) või L/W alas. Näiteks 2-tolline (tolline) prindijoon laiusega 0,25 tolli vastab 8 struktuurile.
Kasutades ülaltoodud muutujaid, arvutage trükitud traadi takistus R 1 untsi vase kohta PC-plaadil toatemperatuuril (võrrand 1):
Vormel 1
kus T=takisti temperatuur.
Näiteks alustades maksimaalsest voolust 1 amper (A) BLDC mootori haru kohta 1 untsi vasest PC-plaadil, RSENSE pikkusega (L) 1 tolli ja prinditud traadi laiusega 50 miili (0,05 tolli), saab RSHUNT arvutamiseks 20 kraadi juures kasutada võrrandeid 2 ja 3:
Vormel 2
Vormel 3
Arvutage valemi 4 abil selle takisti võimsuse hajumine šundivoolul 1 A:
Vormel 4
Sünkroonse proovivõtu ADC teisendamine
Joonisel 2 kujutatud ADC teisendab pinge faasitsükli punktis digitaalseks esituseks. Peamine punkt on see, et see mõõtmine peaks hõlmama kõigi kolme mähise sünkroniseeritud faasipingeid. See on tasakaalustatud süsteem, nii et nagu varem mainitud, tuleb mõõta ainult kahte mähist kolmest; väline mikrokontroller arvutab kolmanda mähise faasipinge.
Selle mootori juhtimissüsteemi ADC-ks on AD7380 kahe{1}}kanaliga sünkroonne diskreetimisseade SAR-ADC (joonis 4).
Joonis 4. Kiire, madala-müraga, kahe-kanaliga sünkroonne diskreetimine SAR-ADC (nt AD7380) salvestab kahe mootorimähise hetkeseisu.
Joonisel 4 on AD8479 täppisdiferentsiaalvõimendi, millel on väga suur sisend--režiimi pingevahemik (±600 volti), mis talub kolmefaasiliste anduriteta ajamite laiaulatuslikke mootorivoolu nihkeid. AD8479 omadused võimaldavad asendada kulukaid isolatsioonirakendusi, kus vooluvõimendid pole vajalikud.
AD8479 põhifunktsioonide hulka kuuluvad ka madal kompensatsioonipinge, madal kompensatsioonipinge triiv, madal võimendustriiv, madal ühise-režiimi tagasilükkamise triiv ja suurepärane ühise-režiimi tagasilükkamise suhe (CMRR), et kohandada mootori kiireid variatsioone. AD7380/AD7381 on 16-}/14,{8} bitti vastavalt suure-kiirusega, väikese-võimsusega, kahe-kanaliga, sünkroonse-diskreetiga SAR-ADC-d, läbilaskevõimega kuni 4 M proovi sekundis. Diferentsiaalsed analoogsisendid aktsepteerivad laia valikut tavarežiimi sisendpingeid ja neil on sisseehitatud 2,5-voldine puhverdatud referentspinge (REF) pingeallikas.
Täpse pöördemomendi ja kiiruse juhtimiseks jäädvustab kahe-kanaliga sünkroonse diskreetimis-SAR-ADC arhitektuur praeguse-sensuvõimendi väljundi-lennult-. Sel eesmärgil sisaldab AD7380/AD7381 kahte identset sünkroonse kellaga ADC-d ja mõlemal on mahtuvuslik sisendaste koos mahtuvusliku laengu ümberjaotusvõrguga (joonis 5).
Joonis 5: näitab AD7380 ühe kahest kanalist ühe ADC teisenduse etappi. Signaali kogumine algab siis, kui SW3 on avatud ning SW1 ja SW2 on suletud. Sel hetkel varieerub CS-i pinge AINx+ ja AINx- võrra, põhjustades komparaatori sisendite tasakaalustamatust.
Joonisel 5 on VREF ja maandus näidiskondensaatori CS algpinged. Kui SW3 on avatud ning SW1 ja SW2 on suletud, käivitatakse signaali hankimine. Kui SW1 ja SW2 on suletud, varieerub pinge näidiskondensaatoril CS vastavalt pingele AINx+ ja AINx-, mistõttu komparaatori sisendid kaotavad tasakaalu. Seejärel avatakse SW1 ja SW2 ning fikseeritakse CS-i pinge.
CS-i pingehõiveprotsess hõlmab digitaal{0}}--analoogmuundurit (DAC), mis liidab ja lahutab CS-st kindla laengu, et viia võrdlusseade tagasi tasakaalu. Sel hetkel on konversioon lõppenud, avades SW1 ja SW2 ning sulgedes SW3, et eemaldada jääklaeng ja valmistuda järgmiseks proovivõtutsükliks.
DAC-i teisendamise ajal genereerib juhtimisloogika ADC väljundkoodi ja pääseb seadme andmetele juurde jadaliidese kaudu.
Kokkuvõte
BLDC mootori pöördemomendi ja kiiruse täpseks mõõtmiseks on esmalt vaja täpseid ja madala hinnaga{0}}sunttakisteid. Nagu eespool mainitud, saab seda takistit kulu-efektiivselt rakendada, kasutades PC-plaadile trükitud juhtmeid.
Lisades selle seadme AD8479 voolu-sensuvõimendi ja AD7380 sünkroonse-sämpliva SAR-ADC kombinatsioonile, saavad disainerid luua tugeva, suure-täpse pöördemomendi ja kiiruse juhtimissüsteemi mõõtmise esiotsa- mootorijuhtimisrakenduste jaoks karmides keskkondades.