วิธีวัดแรงบิดและความเร็วของมอเตอร์ในระบบ BLDC อุตสาหกรรมอย่างแม่นยำ

มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน (BLDC) เป็นส่วนสำคัญของโรงงานผลิตทางอุตสาหกรรม และนำไปใช้ในการใช้งานเซอร์โว การสั่งงาน การกำหนดตำแหน่ง และความเร็วตัวแปร ในการใช้งานเหล่านี้ การควบคุมการเคลื่อนไหวที่แม่นยำและการทำงานที่เสถียรถือเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจาก BLDC ทำงานบนหลักการของสนามแม่เหล็กที่กำลังเคลื่อนที่เพื่อสร้างแรงบิดของมอเตอร์ ความท้าทายในการควบคุมหลักเมื่อออกแบบระบบ BLDC ทางอุตสาหกรรมคือการวัดแรงบิดและความเร็วของมอเตอร์อย่างแม่นยำ

ในการจับแรงบิดของมอเตอร์ BLDC จำเป็นต้องวัดกระแสเฟสเหนี่ยวนำสองในสามพร้อมกันโดยใช้ตัวแปลงอนาล็อกสุ่มตัวอย่างแบบซิงโครนัสหลายช่องสัญญาณ-เป็น-ตัวแปลงดิจิทัล (ADC) ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีอัลกอริธึมที่เหมาะสมจะคำนวณกระแสเฟสชั่วขณะที่สาม กระบวนการนี้ให้บันทึกสภาพมอเตอร์ที่แม่นยำและทันที ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการพัฒนาระบบควบคุมแรงบิดของมอเตอร์ที่แข็งแกร่งและแม่นยำสูง

บทความนี้จะพูดคุยสั้นๆ เกี่ยวกับประเด็นต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมแรงบิดที่แม่นยำ รวมถึง{0}วิธีการประหยัดต้นทุนในการรับตัวต้านทานสับเปลี่ยนที่จำเป็น จากนั้นจะแนะนำเครื่องขยายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลความแม่นยำสูง AD8479 ของอุปกรณ์อะนาล็อกและตัวอย่าง-ช่องสัญญาณคู่-การประมาณ-การประมาณต่อเนื่อง-ของ AD7380 การประมาณ-ลงทะเบียน ADC (SAR{8}}ADC) และแสดงให้เห็นว่าสามารถนำไปใช้เพื่อให้ได้การวัดเฟสที่แม่นยำสำหรับการออกแบบระบบที่เชื่อถือได้ได้อย่างไร

หลักการทำงานของมอเตอร์ BLDC

มอเตอร์ BLDC เป็นมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่มีรูปคลื่นต้านแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) แรงเคลื่อนไฟฟ้าตอบโต้ที่ขั้วต่อที่สังเกตไม่คงที่ มันแตกต่างกันไปตามแรงบิดและความเร็วของโรเตอร์ แม้ว่าแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงจะไม่สามารถขับเคลื่อนมอเตอร์ BLDC ได้โดยตรง แต่หลักการพื้นฐานของการทำงานของ BLDC ก็คล้ายคลึงกับหลักการของมอเตอร์กระแสตรง

มอเตอร์ BLDC ประกอบด้วยโรเตอร์ที่มีแม่เหล็กถาวรและสเตเตอร์ที่มีขดลวดเหนี่ยวนำ โดยพื้นฐานแล้วมอเตอร์นี้เป็นมอเตอร์กระแสตรงแบบพลิกกลับ ซึ่งแปรงและตัวสับเปลี่ยนจะถูกกำจัดออก จากนั้นขดลวดจะเชื่อมต่อโดยตรงกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุม อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมจะเข้าควบคุมการทำงานของตัวสับเปลี่ยนและจ่ายพลังงานให้กับขดลวดในลำดับที่ถูกต้องเพื่อให้ได้การเคลื่อนที่ตามที่ต้องการ ขดลวดที่มีพลังงานจะหมุนไปรอบๆ สเตเตอร์ในรูปแบบที่ซิงโครไนซ์และสมดุล ขดลวดสเตเตอร์ที่มีพลังงานจะนำทางแม่เหล็กของโรเตอร์และเปลี่ยนเมื่อโรเตอร์อยู่ในแนวเดียวกับสเตเตอร์

ระบบมอเตอร์ BLDC ต้องการตัวขับมอเตอร์ BLDC ไร้เซ็นเซอร์สาม-เฟสซึ่งสร้างกระแสไฟฟ้าในขดลวดทั้งสามของมอเตอร์ (รูปที่ 1) วงจรนี้ใช้พลังงานจากขั้นตอนการแก้ไขตัวประกอบกำลังแบบดิจิทัล (PFC) พร้อมด้วยการควบคุมการไหลเข้าเพื่อให้พลังงานที่เสถียรแก่ไดรเวอร์แบบไม่มีเซนเซอร์สาม-เฟส

รูปที่ 1: ระบบควบคุมมอเตอร์ประกอบด้วย PFC สำหรับรักษาเสถียรภาพของแหล่งจ่ายไฟ ตัวขับแบบไม่มีเซ็นเซอร์สาม-เฟสสำหรับขดลวดมอเตอร์ BLDC ตัวต้านทานแบบแบ่งและ-แอมพลิฟายเออร์รับรู้กระแส- ADC แอมพลิฟายเออร์ซิงโครนัส และไมโครคอนโทรลเลอร์

กระแสกระตุ้นสามกระแสขับเคลื่อนมอเตอร์ BLDC ซึ่งแต่ละกระแสกระตุ้นและสร้างเฟสที่แตกต่างกันในการพัน เฟสเหล่านี้รวมกันเป็น 360 องศา ค่าเฟสที่แตกต่างกันมีความสำคัญ: เนื่องจากการกระตุ้นรวมของทั้งสามกิ่งจะคงอยู่ที่ 360 องศา พวกมันจึงถูกชดเชยเท่าๆ กันเพื่อรักษา 360 องศา เช่น. 90 องศา + 150 องศา + 120 องศา

แม้ว่าจะต้องทราบกระแสในขดลวดทั้งสามของระบบในเวลาที่กำหนด แต่การทำเช่นนี้ในระบบที่สมดุล จำเป็นต้องวัดกระแสในขดลวดสองในสามขดลวดเท่านั้น และคำนวณขดลวดที่สามโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ สามารถตรวจจับขดลวดทั้งสองนี้พร้อมกันได้โดยใช้ตัวต้านทานแบบแบ่งและแอมพลิฟายเออร์ตรวจจับกระแสไฟฟ้า

ต้องใช้ ADC การสุ่มตัวอย่างแบบซิงโครนัสสองช่อง-ที่ส่วนท้ายของเส้นทางสัญญาณเพื่อส่งการวัดแบบดิจิทัลไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ แอมพลิจูด เฟส และจังหวะเวลาของกระแสกระตุ้นแต่ละกระแสให้ข้อมูลแรงบิดของมอเตอร์และความเร็วที่จำเป็นสำหรับการควบคุมที่แม่นยำ

การตรวจจับกระแสด้วยตัวต้านทานทองแดงของบอร์ด PC

แม้ว่าจะมีข้อกังวลมากมายในการออกแบบการวัดและการเก็บข้อมูลที่แม่นยำ กระบวนการนี้เริ่มต้นที่ส่วนหน้าพร้อมกับความจำเป็นในการพัฒนาวิธีที่มีประสิทธิภาพและต้นทุนต่ำ-ในการตรวจจับสัญญาณเฟสของขดลวดมอเตอร์ BLDC ซึ่งสามารถทำได้โดยการวางตัวต้านทานบอร์ด PC แบบอินไลน์ (RSHUNT) มูลค่าต่ำ และใช้เครื่องขยายสัญญาณกระแส- เพื่อตรวจจับแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวต้านทานขนาดเล็กนี้ (รูปที่ 2) สมมติว่าค่าตัวต้านทานต่ำเพียงพอ แรงดันตกคร่อมก็ต่ำเช่นกัน และวิธีการวัดมีผลน้อยที่สุดต่อวงจรมอเตอร์

รูปที่ 2: ระบบตรวจจับเฟสของมอเตอร์ใช้ตัวต้านทานกระแสสลับ (RSHUNT) ที่มีแอมพลิฟายเออร์ความแม่นยำสูง- (เช่น AD8479 ของอุปกรณ์อะนาล็อก) และ ADC ความละเอียดสูง- (AD7380) เพื่อวัดเฟสมอเตอร์ทันที

ในรูปที่ 2 เครื่องขยายสัญญาณความรู้สึกในปัจจุบัน-จะจับแรงดันไฟฟ้าตกของ IPHASE x RSHUNT ในทันที จากนั้น SAR-ADC จะเปลี่ยนสัญญาณนี้ให้เป็นดิจิทัล ค่าการเลือกตัวต้านทานสับเปลี่ยนเกี่ยวข้องกับการโต้ตอบระหว่าง RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT และข้อผิดพลาดอินพุตของเครื่องขยายเสียง

การเพิ่มขึ้นของ RSHUNT จะส่งผลให้ VSHUNT เพิ่มขึ้น ข่าวดีก็คือ สิ่งนี้จะช่วยลดความสำคัญของข้อผิดพลาดแรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ต (VOS) ของเครื่องขยายเสียงและข้อผิดพลาดกระแสออฟเซ็ตอินพุต (IOS) ของเครื่องขยายเสียงได้ อย่างไรก็ตาม การสูญเสียพลังงาน ISHUNT x RSHUNT ของ RSHUNT ที่ใหญ่กว่าจะลดประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบ ในทำนองเดียวกัน อัตราพลังงาน RSHUNT อาจส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของระบบ เนื่องจากการกระจายพลังงาน ISHUNT x RSHUNT จะสร้างสถานะการทำความร้อนได้เอง- ซึ่งอาจทำให้ความต้านทาน RSHUNT เล็กน้อยเปลี่ยนแปลงได้

สำหรับ RSHUNT สามารถรับตัวต้านทานแบบพิเศษ-ได้จากซัพพลายเออร์หลายราย อย่างไรก็ตาม มีตัวเลือกต้นทุนต่ำ-สำหรับการผลิตตัวต้านทานแบบลวดพิมพ์สำหรับบอร์ด PC สำหรับ RSHUNT โดยใช้เทคนิคการจัดวางอย่างระมัดระวัง (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: เทคนิคการจัดวางบอร์ด PC อย่างพิถีพิถันให้-วิธีที่คุ้มค่าในการสร้างค่า RSHUNT ที่เหมาะสม

การคำนวณความต้านทานลวดพิมพ์ของบอร์ด PC สำหรับ RSHUNT

เนื่องจากอุณหภูมิที่สูงมากที่อาจเกิดขึ้นในการใช้งานทางอุตสาหกรรม จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาปัจจัยด้านอุณหภูมิในการออกแบบตัวต้านทานแบบสับเปลี่ยนแผงวงจร ในรูปที่ 3 ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (20) ของตัวต้านทานสับสายไฟที่พิมพ์ด้วยทองแดงของบอร์ด PC อยู่ที่ประมาณ +0.39%/ องศาที่ 20 องศา (ค่าสัมประสิทธิ์นี้จะแปรผันตามอุณหภูมิ) ความยาว (L) ความหนา (t) ความกว้าง (W) และความต้านทาน (rñ) เป็นตัวกำหนดความต้านทานของสายไฟที่พิมพ์บนบอร์ด PC

หากบอร์ด PC มีทองแดง (Cu) 1 ออนซ์ (ออนซ์) ความหนา (t) จะเท่ากับ 1.37 นิ้วต่อพันนิ้ว และความต้านทานไฟฟ้า (r) จะเท่ากับ 0.6787 ไมโครโอห์ม (µW) ต่อนิ้ว พื้นที่ลวดพิมพ์ของบอร์ด PC วัดในกล่องลวดพิมพ์ ( ) หรือพื้นที่ L/W ตัวอย่างเช่น เส้นพิมพ์ขนาด 2 นิ้ว (นิ้ว) ที่มีความกว้าง 0.25 นิ้ว สอดคล้องกับโครงสร้าง 8 โครงสร้าง

ใช้ตัวแปรข้างต้น คำนวณความต้านทานของสายไฟที่พิมพ์ R สำหรับทองแดง 1 ออนซ์บนบอร์ด PC ที่อุณหภูมิห้องตาม (สมการที่ 1):

สูตร1

โดยที่ T=อุณหภูมิของตัวต้านทาน

ตัวอย่างเช่น เริ่มต้นด้วยกระแสสูงสุด 1 แอมแปร์ (A) ต่อการแยกมอเตอร์ BLDC บนบอร์ด PC ทองแดงขนาด 1 ออนซ์ ความยาว RSENSE (L) 1 นิ้ว และความกว้างของสายไฟที่พิมพ์ 50 มิล (0.05 นิ้ว) สามารถใช้สมการ 2 และ 3 เพื่อคำนวณ RSHUNT ที่ 20 องศา :

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

 

สูตร 2

 

สูตร 3

คำนวณการกระจายพลังงานของตัวต้านทานนี้ที่กระแสสับเปลี่ยน 1 A โดยใช้สมการที่ 4:

สูตร 4

การแปลง ADC การสุ่มตัวอย่างแบบซิงโครนัส

ADC ในรูปที่ 2 แปลงแรงดันไฟฟ้าที่จุดหนึ่งในวงจรเฟสเป็นรูปแบบดิจิทัล ประเด็นสำคัญคือการวัดนี้ควรรวมแรงดันไฟฟ้าเฟสซิงโครไนซ์ของขดลวดทั้งสามเส้นด้วย นี่คือระบบที่สมดุล ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น จำเป็นต้องวัดขดลวดเพียงสองในสามขดลวดเท่านั้น ไมโครคอนโทรลเลอร์ภายนอกจะคำนวณแรงดันเฟสของขดลวดที่สาม
ADC สำหรับระบบควบคุมมอเตอร์นี้คือ AD7380 dual-channel synchronous sampling SAR-ADC (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: SAR สุ่มตัวอย่างแบบซิงโครนัส-สัญญาณรบกวนต่ำ-ช่องสัญญาณคู่-ที่รวดเร็ว (เช่น AD7380) จับสถานะทันทีของขดลวดมอเตอร์สองตัว

ในรูปที่ 4 AD8479 เป็นแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลที่มีความแม่นยำซึ่งมีช่วงแรงดันไฟฟ้าของโหมดร่วม-อินพุตขนาดใหญ่มาก (±600 โวลต์) เพื่อให้สามารถทนต่อออฟเซ็ตไดรฟ์กระแสไฟของมอเตอร์กว้างจากไดรฟ์แบบไร้เซ็นเซอร์สาม- เฟส คุณลักษณะของ AD8479 ช่วยให้สามารถแทนที่แอมพลิฟายเออร์แยกส่วนราคาแพงในแอปพลิเคชันที่ไม่จำเป็นต้องแยกกระแส

คุณลักษณะหลักของ AD8479 ยังรวมถึงแรงดันการชดเชยต่ำ การเบี่ยงเบนของแรงดันไฟฟ้าการชดเชยต่ำ การเบี่ยงเบนอัตราขยายต่ำ การเบี่ยงเบนการปฏิเสธโหมดร่วมต่ำ- และอัตราส่วนการปฏิเสธโหมดร่วมที่ยอดเยี่ยม (CMRR) ที่ยอดเยี่ยมเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงของมอเตอร์ที่รวดเร็ว AD7380/AD7381 มีขนาด 16-บิต/14- บิต สูง-ความเร็วสูง -กำลังต่ำ -ช่องสัญญาณคู่ -SAR สุ่มตัวอย่าง-แบบซิงโครนัส ตามลำดับ โดยมีอัตราปริมาณงานสูงถึง 4 M ตัวอย่างต่อวินาที อินพุตอะนาล็อกดิฟเฟอเรนเชียลยอมรับช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตโหมดทั่วไปที่หลากหลาย และมีแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงบัฟเฟอร์ (REF) 2.5 โวลต์ในตัว

เพื่อการควบคุมแรงบิดและความเร็วที่แม่นยำ สถาปัตยกรรม SAR-ADC การสุ่มตัวอย่างแบบซิงโครนัส-ช่องสัญญาณคู่จะจับเอาต์พุตของ-เครื่องขยายสัญญาณความรู้สึกปัจจุบัน-ทันที- เพื่อจุดประสงค์นี้ AD7380/AD7381 ได้รวม ADC ที่เหมือนกันสองตัวเข้ากับนาฬิกาซิงโครนัส และแต่ละตัวมีขั้นตอนการป้อนข้อมูลแบบ capacitive พร้อมเครือข่ายการกระจายประจุแบบ capacitive (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: แสดงขั้นตอนการแปลง ADC สำหรับหนึ่งในสองช่องสัญญาณของ AD7380 การรับสัญญาณเริ่มต้นเมื่อ SW3 เปิด และ SW1 และ SW2 ปิด ณ จุดนี้ แรงดันไฟฟ้าคร่อม CS จะแปรผันตาม AINx+ และ AINx- ส่งผลให้อินพุตตัวเปรียบเทียบไม่สมดุล

ในรูปที่ 5 VREF และกราวด์เป็นแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นคร่อมตัวเก็บประจุตัวอย่าง CS หากเปิด SW3 และปิด SW1 และ SW2 การรับสัญญาณจะเริ่มขึ้น เมื่อปิด SW1 และ SW2 แรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวเก็บประจุตัวอย่าง CS จะแปรผันตามแรงดันไฟฟ้าที่ AINx+ และ AINx- ส่งผลให้อินพุตตัวเปรียบเทียบสูญเสียความสมดุล จากนั้น SW1 และ SW2 จะถูกเปิดขึ้นและแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม CS จะถูกจับไว้

กระบวนการจับแรงดันไฟฟ้า CS เกี่ยวข้องกับตัวแปลงดิจิทัล-เป็น-ตัวแปลงอนาล็อก (DAC) ซึ่งจะเพิ่มและลบประจุจำนวนคงที่จาก CS เพื่อให้ตัวเปรียบเทียบกลับเข้าสู่สมดุล ณ จุดนี้ การแปลงเสร็จสมบูรณ์ โดยเปิด SW1 และ SW2 และปิด SW3 เพื่อเอาประจุที่เหลือออก และเตรียมพร้อมสำหรับรอบการสุ่มตัวอย่างถัดไป

ในระหว่างการแปลง DAC ตรรกะควบคุมจะสร้างโค้ดเอาต์พุต ADC และเข้าถึงข้อมูลอุปกรณ์ผ่านอินเทอร์เฟซแบบอนุกรม

สรุป

หากต้องการวัดแรงบิดและความเร็วของมอเตอร์ BLDC อย่างแม่นยำ ต้องใช้ตัวต้านทานสับเปลี่ยนต้นทุนต่ำที่แม่นยำ-ก่อน ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ตัวต้านทานนี้สามารถนำไปใช้ได้อย่างคุ้มค่า-โดยใช้สายไฟที่พิมพ์บนบอร์ด PC

ด้วยการเพิ่มอุปกรณ์นี้เข้ากับการผสมผสานระหว่างเครื่องขยายสัญญาณการรับรู้กระแสไฟฟ้า AD8479- และ SAR สุ่มตัวอย่างแบบซิงโครนัส AD7380 - ADC ของ AD7380 ผู้ออกแบบจึงสามารถสร้าง-ส่วนหน้าของระบบควบคุมความเร็วและแรงบิดที่มีความแม่นยำสูง-สำหรับแอปพลิเคชันควบคุมมอเตอร์ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง