Brushless DC (BLDC) varikliai yra neatsiejama pramoninės gamybos įmonės dalis ir naudojami servo, paleidimo, padėties nustatymo ir kintamo greičio įrenginiuose. Šiose programose labai svarbus tikslus judesių valdymas ir stabilus veikimas. Kadangi BLDC veikia judančio magnetinio lauko principu, kad sukurtų variklio sukimo momentą, pagrindinis valdymo iššūkis projektuojant pramoninę BLDC sistemą yra tiksliai išmatuoti variklio sukimo momentą ir greitį.
Norint užfiksuoti BLDC variklio sukimo momentą, dvi iš trijų indukuotų fazių srovių turi būti matuojamos vienu metu, naudojant daugiakanalio sinchroninio atrankos analoginį -į{1}}skaitmeninį keitiklį (ADC). Mikrovaldiklis su atitinkamais algoritmais apskaičiuoja trečiąją momentinę fazės srovę. Šis procesas leidžia tiksliai ir akimirksniu užregistruoti variklio būklę, o tai yra svarbus žingsnis kuriant tvirtą ir labai tikslią variklio sukimo momento valdymo sistemą.
Šiame dokumente trumpai aptariamos problemos, susijusios su tiksliu sukimo momento valdymu, įskaitant ekonomišką{0}}reikiamo šunto rezistoriaus realizavimo būdą. Tada bus pristatytas Analog Devices AD8479 tikslus diferencialinis stiprintuvas ir AD7380 dviejų-kanalų pavyzdinis-approksimacijos nuoseklus-approximation{7}}ADC (SAR-ADC) registras ir parodyta, kaip juos galima naudoti norint gauti patikimus sistemos projektavimo matavimus.
BLDC variklio veikimo principas
BLDC varikliai yra nuolatinio magneto sinchroniniai varikliai su priešingos elektrovaros jėgos (EMF) bangos forma. Stebėta gnybtų priešpriešinė elektrovaros jėga nėra pastovi; jis kinta priklausomai nuo rotoriaus sukimo momento ir greičio. Nors nuolatinės srovės įtampos šaltinis negali tiesiogiai valdyti BLDC variklio, pagrindinis BLDC veikimo principas yra panašus į nuolatinės srovės variklio.
BLDC variklis susideda iš rotoriaus su nuolatiniais magnetais ir statoriaus su indukcinėmis apvijomis. Šis variklis iš esmės yra apverstas nuolatinės srovės variklis, kuriame pašalinami šepečiai ir komutatorius, o apvijos yra tiesiogiai prijungtos prie valdymo elektronikos. Valdymo elektronika perima komutatoriaus funkciją ir įjungia apvijas tinkama seka, kad būtų pasiektas norimas judėjimas. Įtampos apvijos sukasi aplink statorių sinchronizuotai, subalansuotai. Įtampančios statoriaus apvijos nukreipia rotoriaus magnetus ir persijungia, kai rotorius sulygiuotas su statoriumi.
BLDC variklių sistemoms reikalinga trijų{0}}fazių BLDC variklio tvarkyklė be jutiklių, kuri generuoja srovę trijose variklio apvijose (1 pav.). Grandinę maitina skaitmeninės galios koeficiento korekcijos (PFC) pakopa su įsijungimo valdymu, kad būtų užtikrintas stabilus trijų -fazių be jutiklio tvarkyklės maitinimas.
1 pav. Variklio valdymo sistemą sudaro PFC, skirtas maitinimo šaltiniui stabilizuoti, trifazė BLDC variklio apvijų tvarkyklė be jutiklių, šunto rezistoriai ir srovės-jutimo stiprintuvai, sinchroninis stiprintuvas ADC ir mikrovaldiklis.
Trys sužadinimo srovės varo BLDC variklį, kurių kiekviena sužadina ir generuoja skirtingą apvijos fazę, kurių bendras dydis yra 360 laipsnių. Skirtingos fazių reikšmės yra svarbios: kadangi bendras trijų šakų sužadinimas palaikomas 360 laipsnių kampu, jos yra tolygiai paslinktos, kad būtų išlaikytas 360 laipsnių, pvz., . 90 laipsnis + 150 laipsnis + 120 laipsnis.
Nors visų trijų sistemos apvijų srovės turi būti žinomos bet kuriuo metu, norint tai padaryti subalansuotoje sistemoje, tereikia išmatuoti sroves dviejose iš trijų apvijų ir naudojant mikrovaldiklį apskaičiuoti trečiąją apviją. Šias dvi apvijas galima aptikti vienu metu naudojant šunto rezistorių ir srovės aptikimo stiprintuvą.
Norint siųsti skaitmeninius matavimus į mikrovaldiklį, signalo kelio pabaigoje reikalingas dviejų-kanalų sinchroninio atrankos ADC. Kiekvienos sužadinimo srovės amplitudė, fazė ir laikas suteikia variklio sukimo momento ir greičio informaciją, reikalingą tiksliam valdymui.
Srovės jutiklis su PC plokštės variniais rezistoriais
Nors dėl šio tikslaus matavimo ir duomenų gavimo plano reikia daug susirūpinti, procesas prasideda pradžioje, kai reikia sukurti veiksmingą, nebrangų būdą BLDC variklio apvijų faziniam signalui pajusti. Tai galima padaryti įdėjus mažos vertės vidinį kompiuterio plokštės rezistorių (RSHUNT) ir naudojant srovės -jutimo stiprintuvą, kad aptiktų įtampos kritimą šiame mažame rezistoriuje (2 pav.). Darant prielaidą, kad rezistoriaus vertė yra pakankamai maža, įtampos kritimas taip pat yra mažas, o matavimo strategija turi minimalų poveikį variklio grandinei.
2 pav. Variklio fazės jutimo sistema naudoja srovės šunto rezistorių (RSHUNT) su didelio tikslumo stiprintuvu (pvz., Analoginių įrenginių AD8479) ir didelės raiškos ADC (AD7380) momentinei variklio fazei matuoti.
2 paveiksle dabartinis-jutimo stiprintuvas fiksuoja momentinį IPHASE x RSHUNT įtampos kritimą. Tada SAR-ADC suskaitmenina šį signalą. Šunto rezistoriaus pasirinkimo vertė apima sąveiką tarp RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT ir stiprintuvo įvesties klaidos.
Padidinus RSHUNT, padidės VSHUNT. Geros naujienos yra tai, kad tai sumažins stiprintuvo įtampos poslinkio (VOS) ir įvesties poslinkio srovės (IOS) klaidos reikšmę. Tačiau didesnio RSHUNT ISHUNT x RSHUNT galios praradimas sumažina sistemos energijos vartojimo efektyvumą. Panašiai RSHUNT galios įvertinimas gali turėti įtakos sistemos patikimumui, nes ISHUNT x RSHUNT galios išsklaidymas sukuria savaiminio įkaitimo būseną, dėl kurios gali pasikeisti vardinis RSHUNT pasipriešinimas.
RSHUNT specialios paskirties{0}}rezistorius galima įsigyti iš kelių tiekėjų. Tačiau yra pigi alternatyva PC plokštės spausdintų laidų rezistorių, skirtų RSHUNT, gamybai, naudojant kruopščius išdėstymo būdus (3 pav.).
3 pav. Kruopštus kompiuterio plokštės išdėstymo būdas yra ekonomiškas būdas sukurti tinkamas RSHUNT vertes.
RSHUNT kompiuterio plokštės spausdintinės vielos varžos skaičiavimas
Dėl ekstremalių temperatūrų, kurios gali atsirasti pramonėje, svarbu atsižvelgti į temperatūros veiksnius projektuojant grandinių plokščių šuntavimo rezistorius. 3 paveiksle varinės PC plokštės spausdintos vielos šunto rezistoriaus temperatūros koeficientas (20) yra maždaug +0.39 %/laipsnis esant 20 laipsnių (šis koeficientas kinta priklausomai nuo temperatūros). Ilgis (L), storis (t), plotis (W) ir varža (rñ) lemia PC plokštės spausdintos vielos varžą.
Jei PC plokštėje yra 1 uncija (oz) vario (Cu), storis (t) yra lygus 1,37 colio tūkstančiui, o varža (r) yra 0,6787 mikroomų (µW) colyje. PC plokštės spausdintos vielos plotas matuojamas spausdintų laidų dėžutėse ( ) arba L/W srityje. Pavyzdžiui, 2 colių (colių) 0,25 colio pločio spausdinimo linija atitinka 8 struktūras.
Naudodami aukščiau pateiktus kintamuosius, apskaičiuokite spausdintinės vielos varžą R 1 uncijai vario ant PC plokštės kambario temperatūroje pagal (1 lygtis):
Formulė1
kur T=rezistoriaus temperatūra.
Pavyzdžiui, pradedant nuo maksimalios 1 ampero (A) srovės vienai BLDC variklio šakai ant 1 uncijos vario PC plokštės, RSENSE ilgio (L) 1 colio ir spausdinto laido pločio 50 mylių (0,05 colio), 2 ir 3 lygtis gali būti naudojamos apskaičiuojant RSHUNT esant 20 laipsnių:
Formulė 2
Formulė 3
Apskaičiuokite šio rezistoriaus galios išsklaidymą esant 1 A šunto srovei, naudodami 4 lygtį:
Formulė 4
Sinchroninio atrankos ADC konvertavimas
ADC 2 paveiksle konvertuoja įtampą fazės ciklo taške į skaitmeninį vaizdą. Svarbiausia, kad šis matavimas turėtų apimti visų trijų apvijų sinchronizuotą fazių įtampą. Tai subalansuota sistema, todėl, kaip minėta anksčiau, reikia išmatuoti tik dvi iš trijų apvijų; išorinis mikrovaldiklis apskaičiuos trečiosios apvijos fazės įtampą.
Šios variklio valdymo sistemos ADC yra AD7380 dviejų{1}}kanalų sinchroninio atrankos SAR-ADC (4 pav.).
4 pav. Greitas, mažo-triukšmo, dviejų{2}}kanalų sinchroninis atrankos SAR-ADC (pvz., AD7380) fiksuoja momentinę dviejų variklio apvijų būseną.
4 paveiksle AD8479 yra tikslus diferencialinis stiprintuvas su labai dideliu įvesties bendrojo -režimo įtampos diapazonu (± 600 voltų), kad atlaikytų didelius variklio srovės poslinkius iš trijų-fazių, be jutiklių pavarų. AD8479 charakteristikos leidžia pakeisti brangias izoliacines programas, kuriose nereikia srovės stiprintuvų.
Pagrindinės AD8479 savybės taip pat apima žemą kompensavimo įtampą, mažą kompensavimo įtampos dreifu, mažo stiprinimo poslinkį, mažą bendrojo -režimo atmetimo poslinkį ir puikų bendrąjį-režimo atmetimo koeficientą (CMRR), kad prisitaikytų prie greitų variklio variacijų. Atitinkamai didelės-greitos, mažos-galios, dviejų-kanalų, sinchroninio-atrinkimo SAR-ADC, kurių pralaidumo sparta siekia iki 4 M mėginių per sekundę. Diferencialiniai analoginiai įėjimai priima platų bendrojo režimo įėjimo įtampų diapazoną ir turi įmontuotą 2,5 volto buferinės atskaitos (REF) įtampos šaltinį.
Tiksliam sukimo momento ir greičio valdymui dviejų{0}}kanalų sinchroninio atrankos SAR-ADC architektūra fiksuoja esamo-jutimo stiprintuvo išvestį-skraidydamas-. Šiuo tikslu AD7380/AD7381 turi du identiškus ADC su sinchroniniais laikrodžiais ir kiekvienas turi talpinę įvesties pakopą su talpiniu įkrovos perskirstymo tinklu (5 pav.).
5 paveikslas: rodomas vieno iš dviejų AD7380 kanalų ADC konvertavimo etapas. Signalo gavimas pradedamas, kai SW3 yra atidarytas, o SW1 ir SW2 yra uždaryti. Šiuo metu CS įtampa kinta priklausomai nuo AINx+ ir AINx-, todėl lyginamojo įvestis tampa nesubalansuota.
5 paveiksle VREF ir įžeminimas yra pradinė įtampa per mėginio kondensatorių CS. Jei SW3 atidaromas, o SW1 ir SW2 uždaromi, signalo gavimas pradedamas. Kai SW1 ir SW2 yra uždaryti, mėginio kondensatoriaus CS įtampa kinta priklausomai nuo įtampos ties AINx+ ir AINx-, todėl lyginamojo įėjimai praranda pusiausvyrą. Tada atidaromi SW1 ir SW2 ir fiksuojama CS įtampa.
CS įtampos fiksavimo procesas apima skaitmeninį -į-analoginį keitiklį (DAC), kuris prideda ir atima fiksuotą CS įkrovimo sumą, kad lyginamoji priemonė vėl būtų subalansuota. Šiuo metu konversija baigta, atidarant SW1 ir SW2 ir uždarant SW3, kad būtų pašalintas likutinis įkrovimas ir pasiruošimas kitam mėginių ėmimo ciklui.
DAC konvertavimo metu valdymo logika generuoja ADC išvesties kodą ir per nuosekliąją sąsają pasiekia įrenginio duomenis.
Santrauka
Norint tiksliai išmatuoti BLDC variklio sukimo momentą ir greitį, pirmiausia reikia tikslių, nebrangių{0}}sunto rezistorių. Kaip minėta pirmiau, šis rezistorius gali būti ekonomiškai{2}}efektyviai įdiegtas naudojant PC plokštės spausdintus laidus.
Pridėjus šį įrenginį prie AD8479 srovės-jutimo stiprintuvo ir AD7380 sinchroninio-atrinkimo SAR-ADC, dizaineriai gali sukurti tvirtą, didelio-tikslumo sukimo momento ir greičio valdymo sistemos matavimo priekinę dalį-, skirtą variklio valdymo programoms atšiaurioje aplinkoje.