Sådan styres en BLDC-motors moment og hastighed nøjagtigt i industriapplikationer

Børsteløse DC-motorer (BLDC-motorer) er en integreret del af produktionsindustrien, primært til anvendelsesområder med servo, aktivering, positionering og variabel hastighed. Inden for disse applikationer er nøjagtig bevægelsesstyring og stabil drift altafgørende. Fordi BLDC-motorer fungerer ud fra princippet om et MOV-magnetfelt (metaloxidvaristor) for at frembringe motorens bevægelse, er den primære styringsudfordring i forbindelse med design af et industrielt BLDC-system at lave en nøjagtig måling af motorens moment og hastighed.

For at registrere BLDC-motorens moment skal to af de tre induktionsstrømfaser måles samtidigt med en analog-til-digital-konverter (ADC) med flere kanaler til samtidig sampling. En mikrocontroller med egnede algoritmer beregner den tredje momentane fasestrøm. Denne proces tager et nøjagtigt, momentant øjebliksbillede af motorens tilstand, hvilket er et afgørende skridt i udviklingen af et robust system til styring af motormoment med høj nøjagtighed.

I denne artikel diskuteres kort de problemer, der er forbundet med at opnå nøjagtig måling og styring af moment, herunder en omkostningseffektiv måde at implementere en påkrævet shuntmodstand på. Dernæst præsenteres AD8479-præcisionsdifferenceforstærkeren og AD7380-ADC'en (SAR-ADC – "successive approximation register ADC") til dobbelt sampling, begge fra Analog Devices, og det vises, hvordan de kan bruges til at opnå nøjagtige fasemålinger for et robust systemdesign.

Sådan fungerer BLDC-motorer

En BLDC-motor er en synkronmotor med permanente magneter med en modelektromotorisk kraft (EMF)-bølgeform. Den observerede modelektromotoriske kraft ved terminalen er ikke konstant; den skifter både i forhold til rotorens moment og hastighed. Selvom BLDC-motoren ikke drives direkte af en DC-spændingskilde, minder den grundlæggende BLDC-funktionsmåde om en DC-motor.

BLDC-motoren har en rotor med permanente magneter og en stator med induktionsspoler. Denne type motor er i bund og grund en DC-motor, man har vendt vrangen ud på ved at eliminere børsterne og kommutatoren og så forbinde spolerne direkte til styreelektronikken. Styreelektronikken erstatter kommutatorfunktionen og sender strøm gennem spolerne i den rigtige rækkefølge for den krævede bevægelse. De strømførende beviklinger på spolerne roterer i et synkroniseret, balanceret mønster rundt om statoren.  Den eldrevne spole på statoren leder rotormagneten og skifter, idet rotoren kommer på linje med statoren.

BLDC-motorsystemet kræver en trefaset BLDC-motordriver uden sensor, der genererer strømmen i motorens tre spoler (figur 1). Kredsløbet leveres via et trin med digital strømfaktorkorrektion (PFC) med startstrømstødskontrol, der giver stabil strøm til den trefasede sensorfri driver.

Figur 1: Motorkontrolsystem består af en PFC til at stabilisere strømmen, en trefaset sensorfri driver til BLDC-motorspolerne, shuntmodstande og strømsensorforstærkere, en simultanforstærker-ADC samt en mikrocontroller. (Billedkilde: DigiKey)

Tre magnetiseringsstrømme driver BLDC-motoren, som hver især sender strøm gennem og skaber faserne i spolerne, som hver har forskellige faser, der tilsammen giver 360°. De forskellige faseværdier er af stor betydning: Da magnetiseringen af de tre ben giver 360° tilsammen, afbalancerer de hinanden jævnt til 360°, for eksempel 90° + 150° + 120°.

Mens strømmen i alle tre spoler i et system til enhver tid skal være kendt, er det kun nødvendigt at måle strømmen i to af de tre spoler for at opnå dette i et balanceret system. Den tredje spole beregnes ved hjælp af en mikrocontroller. De to spoler måles samtidigt ved hjælp af shuntmodstande og strømsensorforstærkere.

I enden af signalbanen skal der være en ADC til dobbelt samtidig sampling, som sender de digitale måledata til mikrocontrolleren. Størrelsesorden, fase og timing for hver magnetiseringsstrøm giver de oplysninger om motormoment og -hastighed, der er nødvendige for at opnå nøjagtig styring.

Strømregistrering ved hjælp af PCB-kobbermodstande

Mens der er meget at bekymre sig om i sådan et nøjagtigt målings- og dataopsamlingsdesign, starter processen i front-enden med udviklingen af en effektiv og billig metode til at registrere fasesignalet i BLDC-motorens spole. Dette kan gøres ved at anbringe en inline PCB-modstand med en lav værdi (R_SHUNT) og bruge en strømregistreringsforstærker til at registrere spændingsfaldet hen over denne lille modstand (figur 2). Hvis vi antager, at værdien er lav nok, vil spændingsfaldet også være lavt, og målestrategien vil have minimal indvirkning på motorkredsløbet.

Figur 2: Motorfaseregistreringssystem med en strømshuntmodstand (R_SHUNT) til at måle den momentane motorfase med en forstærker med høj præcision, f.eks. Analog Devices' AD8479 og en højopløselig ADC (AD7380). (Billedkilde: DigiKey)

I figur 2 registrerer strømregistreringsforstærkeren det momentane spændingsfald for I_PHASE x R_SHUNT. SAR-ADC'en digitaliserer så dette signal. Shuntstrømmodstandens valgte værdi omfatter interaktioner mellem R_SHUNT, V_SHUNT, I_SHUNT og forstærkerindgangsfejl.

En stigning i R_SHUNT medfører en stigning i V_SHUNT. Den gode nyhed er, at dette gør forstærkerens spændings-offset (V_OS) og fejl i indgangens formagnetiseringsstrøm (I_OS) mindre væsentlige. Men strømtabet for I_SHUNT x R_SHUNT med en stor R_SHUNT reducerer systemets strømeffektivitet. Derudover påvirker den nominelle effekt for R_SHUNT systemets pålidelighed, da effektafledningen for I_SHUNT x R_SHUNT kan skabe en selvopvarmende tilstand, som kan medføre en ændring af den nominelle R_SHUNT-modstand.

Til R_SHUNT fås der modstande til specielle formål fra adskillige leverandører. Et billigere alternativ er dog at benytte omhyggelige layoutteknikker til fremstilling af en PCB-banemodstand til R_SHUNT (figur 3).

Figur 3: Omhyggelige PCB-layouttekniker er en omkostningseffektiv metode til at skabe den rette R_SHUNT-værdi. (Billedkilde: DigiKey)

Beregning af PCB-bane for R_SHUNT

Da der kan forekomme ekstreme temperaturer i industriapplikationer, er det vigtigt at tage højde for temperaturen i designet af en PCB-shuntmodstand. I figur 3 er temperaturkoefficienten (α₂₀) for en shuntmodstand i en PCB-bane af kobber ved 20 °C cirka +0,39 %/°C (koefficienten varierer afhængigt af temperatur). Længde (L), tykkelse (t), bredde (W) og resistivitet (rñ) bestemmer PCB-banens modstand.

Hvis et PCB har 1 oz (28 gram) kobber (Cu), så er tykkelsen (t) lig med 1,37 tusindedele af en tomme, og resistiviteten (r) er lig med 0,6787 mikro-ohm (µW) pr. tomme. PBC-banearealet måles i banekvadrat eller "trace square" (•), som er arealet af L/W. For eksempel er en bane på 2" (5,08 cm) med en bredde på 0,25" (6,35 mm) en konstruktion på 8 •.

Med ovenstående variabler beregnes modstanden i PCB'ets Cu-bane på 1 oz (28 gram), R_•, ved stuetemperatur ved hjælp af (Ligning 1):

 Ligning 1

Hvor T = temperatur ved modstanden.

Hvis der eksempelvis startes med en (maksimal) strømstyrke på 1 ampere (A) pr. BLDC-motorben på et 1 oz (28 gram) Cu-PBC, en R_SENSE-længde (L) på 1" (2,54 cm) og en banebredde på 50 mil (1,27 mm), kan R_SHUNT ved 20 °C beregnes ved hjælp af Ligning 2 og 3:

 Ligning 2

 Ligning 3

Effektafledningen for denne modstand med en shuntstrøm på 1 A beregnes ved hjælp af Ligning 4:

 Ligning 4

ADC-konvertering med samtidig sampling

ADC'en i figur 2 konverterer spændingen på et sted i fasecyklussen til en digital repræsentation. Det er afgørende, at den simultane fasespænding i alle tre spoler er en del af denne måling. Dette er et balanceret system, og som der blev hentydet til tidligere, er det kun nødvendigt at måle to af de tre spoler, da en ekstern mikrocontroller beregner fasespændingen i den tredje spole.

En passende ADC til dette motorkontrolsystem er AD7380 SAR-ADC til dobbelt samtidig sampling (figur 4).

Figur 4: En hurtig, støjsvag SAR-ADC til dobbelt samtidig sampling som f.eks. AD7380 kan tage et øjebliksbillede af to af motorspolerne. (Billedkilde: DigiKey)

I figur 4 er AD8479 en præcisionsdifferenceforstærker med et meget højt common-mode spændingsområde på indgangen (±600 volt), så den kan klare store motordrivstrømudsving fra den trefasede sensorfri driver. AD8479's karakteristika er således, at den kan erstatte omkostningstunge skilleforstærkere i anvendelseseksempler, hvor der ikke kræves en skilleflade med galvanisk isolering.

Af væsentlige karakteristika for AD8479 kan også nævnes lav offsetspænding, lav "drift" på offsetspænding, lav forstærknings-"drift", low common-mode afvisnings-"drift" og et fremragende common-mode dæmpningsforhold (CMRR) til at håndtere hurtige motorforandringer.

AD7380/AD7381 er henholdsvis 16-bit og 14-bit SAR-ADC'er til dobbelt samtidig sampling med høj hastighed og lav effekt, som har throughput-hastigheder op til 4 Msamples/s. Den differentierede analoge indgang tager imod en bred vifte af common-mode indgangsspændinger. Der medfølger en intern 2,5-volts reference (REF) med buffer.

For at opnå nøjagtig moment- og hastighedskontrol udfører SAR-ADC-strukturen til dobbelt samtidig sampling en øjebliksregistrering af strømsensorforstærkerens output. Til dette formål har AD7380/AD7381 to identiske, interne ADC'er med simultan taktstyring (clocking). De har også hver især et kapacitivt indgangstrin med et kapacitivt netværk til omfordeling af ladning (figur 5).

Figur 5: Her vises ADC-konverteringstrinnet for en af de to kanaler i AD7380. Signaloptagelsen starter, når S_W3 åbnes, og S_W1 og S_W2 lukkes. På det tidspunkt skifter spændingen hen over C_S til A_INx+ og A_INx-, hvilket gør, at komparatorindgangene bliver ubalancerede. (Billedkilde: Analog Devices)

I figur 5 er V_REF og jord startspændingerne hen over samplingkondensatorerne, C_S. Åbning af S_W3 og lukning af S_W1 og S_W2 igangsætter signaloptagelsen. Når S_W1 og S_W2 lukker, ændres spændingen hen over samplingkondensatorerne, C_S i forhold til spændingen ved A_INx+ og A_INx-, hvilket medfører, at komparatorindgangene bliver ubalancerede. SW1 og SW2 åbnes så, og spændingen hen over C_S registreres.

Processen for registrering af spænding på C_S indbefatter digital-til-analog-konvertere (DAC'er). DAC'erne tilføjer og fratrækker faste ladningsstørrelser fra C_S for at få komparatoren tilbage i balanceret tilstand. På dette tidspunkt er konverteringen fuldført, S_W1 og S_W2 er åbnet, og S_W3 er lukket for at fjerne restladning og gøre klar til den næste samplingcyklus.

Under DAC-konverteringen genererer kontrollogikken ADC-outputkoden, og dataene aflæses fra enheden via en seriegrænseflade.

Konklusion

Den nøjagtige måling af BLDC-motorens moment og hastighed starter med en nøjagtig, prisbillig shuntmodstand. Som vist kan dette implementeres på omkostningseffektiv vis ved hjælp af en PCB-bane.

Ved at føje dette til kombinationen af en AD8479 strømregistreringsforstærker og en AD7380 SAR-ADC til samtidig sampling kan en designer skabe et robust moment- og hastighedskontrolsystem med høj præcision med front-end-måling til motorkontrolapplikationer i barske miljøer.