Fırçasız DC (BLDC) motorlar endüstriyel üretim tesislerinin ayrılmaz bir parçasıdır ve servo, çalıştırma, konumlandırma ve değişken hız uygulamalarında kullanılır. Bu uygulamalarda hassas hareket kontrolü ve kararlı çalışma kritik öneme sahiptir. BLDC'ler, motor torku oluşturmak için hareketli bir manyetik alan prensibiyle çalıştığından, endüstriyel bir BLDC sistemi tasarlarken ana kontrol zorluğu, motorun torkunu ve hızını doğru bir şekilde ölçmektir.
Bir BLDC motorun torkunu yakalamak için, endüklenen üç faz akımından ikisinin, çok kanallı bir senkronize örnekleme analog--dijital dönüştürücü (ADC) kullanılarak eşzamanlı olarak ölçülmesi gerekir. Uygun algoritmalara sahip bir mikrodenetleyici üçüncü anlık faz akımını hesaplar. Bu süreç, sağlam ve son derece hassas bir motor tork kontrol sisteminin geliştirilmesinde kritik bir adım olan motor durumunun doğru ve anlık kaydını sağlar.
Bu makalede, gerekli şönt direncini gerçekleştirmenin uygun maliyetli bir yöntemi de dahil olmak üzere, doğru tork kontrolü elde etmeyle ilgili sorunlar kısaca tartışılacaktır. Daha sonra Analog Devices'ın AD8479 hassas diferansiyel amplifikatörünü ve AD7380 çift-kanal örneğini-ardışık yaklaşım-yaklaşım-kaydedi ADC'sini (SAR-ADC) tanıtacak ve bunların güvenilir sistem tasarımı için doğru faz ölçümleri elde etmek üzere nasıl kullanılabileceğini gösterecektir.
BLDC Motorun Çalışma Prensibi
BLDC motorlar, karşı elektromotor kuvveti (EMF) dalga biçimine sahip sabit mıknatıslı senkron motorlardır. Gözlemlenen terminal sayacı elektromotor kuvveti sabit değildir; rotor torku ve hızına göre değişir. Her ne kadar bir DC gerilim kaynağı bir BLDC motoru doğrudan süremese de, bir BLDC'nin temel çalışma prensibi DC motorunkine benzer.
Bir BLDC motoru, kalıcı mıknatıslı bir rotor ve endüksiyon sargılı bir statordan oluşur. Bu motor aslında fırçaların ve komütatörün ortadan kaldırıldığı ve sargıların doğrudan kontrol elektroniğine bağlandığı ters çevrilmiş bir DC motordur. Kontrol elektroniği, komütatörün işlevini devralır ve istenen hareketi elde etmek için sargılara doğru sırayla enerji verir. Enerji verilen sargılar statorun etrafında senkronize, dengeli bir düzende döner. Enerji verilen stator sargıları, rotor mıknatıslarını yönlendirir ve rotor stator ile hizalandığında anahtarlanır.
BLDC motor sistemleri, motorun üç sargısında akım üreten üç-fazlı sensörsüz bir BLDC motor sürücüsüne ihtiyaç duyar (Şekil 1). Devre, üç-fazlı sensörsüz sürücüye kararlı güç sağlamak için ani kontrole sahip bir dijital güç faktörü düzeltme (PFC) aşaması tarafından çalıştırılır.
Şekil 1: Motor kontrol sistemi, güç kaynağını stabilize etmek için bir PFC, BLDC motor sargıları için üç-fazlı sensörsüz bir sürücü, şönt dirençler ve akım-algı amplifikatörleri, bir senkronize amplifikatör ADC ve bir mikro denetleyici içerir.
Üç uyarma akımı BLDC motorunu çalıştırır; bunların her biri sargıda farklı bir fazı uyarır ve üretir; bu fazlar toplam 360 derecedir. Farklı faz değerleri önemlidir: üç dalın toplam uyarımı 360 derecede muhafaza edildiğinden, 360 dereceyi korumak için eşit şekilde dengelenirler, örneğin. 90 derece + 150 derece + 120 derece.
Sistemin her üç sargısındaki akımların herhangi bir zamanda bilinmesi gerekmesine rağmen, dengeli bir sistemde bunu yapmak için yalnızca üç sargının ikisindeki akımları ölçmek ve mikro denetleyiciyi kullanarak üçüncü sargıyı hesaplamak gerekir. Bu iki sargı, bir şönt direnç ve bir akım tespit amplifikatörü kullanılarak aynı anda tespit edilebilir.
Dijital ölçümleri mikro denetleyiciye göndermek için sinyal yolunun sonunda iki-kanallı eşzamanlı örnekleme ADC'si gereklidir. Her bir uyarma akımının genliği, fazı ve zamanlaması, hassas kontrol için gereken motor torku ve hız bilgisini sağlar.
PC Kartı Bakır Dirençleri ile Akım Algılama
Bu hassas ölçüm ve veri toplama tasarımında endişe edilecek çok şey olsa da süreç, BLDC motor sargılarının faz sinyalini algılamak için etkili, düşük-maliyetli bir yol geliştirme ihtiyacıyla ön uçta başlar. Bu, küçük değerli bir hat içi PC kartı direnci (RSHUNT) yerleştirilerek ve bu küçük direnç üzerindeki voltaj düşüşünü tespit etmek için bir akım-algı amplifikatörü kullanılarak gerçekleştirilebilir (Şekil 2). Direnç değerinin yeterince düşük olduğu varsayılırsa gerilim düşüşü de düşüktür ve ölçüm stratejisinin motor devresi üzerinde minimum etkisi vardır.
Şekil 2: Bir motor faz algılama sistemi, anlık motor fazını ölçmek için yüksek-hassas amplifikatöre (örneğin, Analog Devices AD8479) ve yüksek-çözünürlüklü ADC'ye (AD7380) sahip bir akım şönt direnci (RSHUNT) kullanır.
Şekil 2'de, akım-algı yükselticisi anlık IPHASE x RSHUNT voltaj düşüşünü yakalar. SAR-ADC daha sonra bu sinyali dijitalleştirir. Şönt direnç seçim değeri RSHUNT, VSHUNT, ISHONT ile amplifikatör giriş hatası arasındaki etkileşimi içerir.
RSHUNT'taki bir artış VSHUNT'ta bir artışla sonuçlanacaktır. İyi haber şu ki bu, amplifikatörün voltaj ofseti (VOS) hatası ve giriş ofset akımı (IOS) hatasının önemini azaltacaktır. Ancak daha büyük bir RSHUNT'un ISHONT x RSHUNT güç kaybı sistemin güç verimliliğini azaltır. Benzer şekilde, RSHUNT güç oranı sistem güvenilirliğini etkileyebilir çünkü ISHONT x RSHUNT güç dağıtımı, nominal RSHUNT direncinin değişmesine neden olabilecek bir kendi kendine-ısınma durumu oluşturur.
RSHUNT için, özel-amaçlı dirençler çeşitli tedarikçilerden temin edilebilir. Ancak RSHUNT için PC kartı baskılı tel dirençlerini dikkatli yerleşim teknikleri kullanarak üretmenin düşük-maliyetli bir alternatifi vardır (Şekil 3).
Şekil 3: Titiz PC kartı düzeni teknikleri, uygun RSHUNT değerlerini oluşturmanın-maliyet açısından verimli bir yolunu sağlar.
RSHUNT için PC Kartı Baskılı Tel Direncinin Hesaplanması
Endüstriyel uygulamalarda oluşabilecek aşırı sıcaklıklar nedeniyle devre kartı şönt dirençlerinin tasarımında sıcaklık faktörlerinin dikkate alınması önemlidir. Şekil 3'te, bakır PC kartı baskılı tel şönt direncinin sıcaklık katsayısı (20) 20 derecede yaklaşık %+0.39/ derecedir (bu katsayı sıcaklığa göre değişir). Uzunluk (L), kalınlık (t), genişlik (W) ve direnç (rñ), PC kartı baskılı tel direncini belirler.
PC kartında 1 ons (oz) bakır (Cu) varsa, kalınlık (t) binde 1,37 inç'e ve direnç (r) inç başına 0,6787 mikroohm'a (μW) eşittir. PC kartı baskılı kablo alanı, baskılı kablo kutuları ( ) veya L/W alanında ölçülür. Örneğin 0,25 inç genişliğe sahip 2 inç (inç) baskı çizgisi 8 yapıya karşılık gelir.
Yukarıdaki değişkenleri kullanarak, oda sıcaklığında PC kartı üzerindeki 1 ons bakır için basılı tel direnci R'yi (Denklem 1) kullanarak hesaplayın:
Formül1
burada T=direncin sıcaklığı.
Örneğin, 1 ons bakır PC kartı üzerindeki BLDC motor dalı başına maksimum 1 amper (A) akım, 1 inç RSENSE uzunluğu (L) ve 50 mil (0,05 inç) baskılı kablo genişliği ile başlayarak, denklem 2 ve 3, 20 derecede RSHUNT'u hesaplamak için kullanılabilir:
Formül 2
Formül 3
Denklem 4'ü kullanarak bu direncin 1 A şönt akımındaki güç tüketimini hesaplayın:
Formül 4
Senkron Örnekleme ADC Dönüşümü
Şekil 2'deki ADC, faz döngüsündeki bir noktadaki voltajı dijital gösterime dönüştürür. Kilit nokta, bu ölçümün her üç sargının senkronize faz gerilimlerini içermesi gerektiğidir. Bu dengeli bir sistemdir, dolayısıyla daha önce de belirtildiği gibi üç sargıdan yalnızca ikisinin ölçülmesi gerekir; harici bir mikrokontrolör üçüncü sargının faz voltajını hesaplayacaktır.
Bu motor kontrol sisteminin ADC'si, AD7380 çift-kanal eşzamanlı örnekleme SAR-ADC'sidir (Şekil 4).
Şekil 4: Hızlı, düşük-gürültülü, çift-kanallı eşzamanlı örnekleme SAR-ADC'si (örneğin, AD7380), iki motor sargısının anlık durumunu yakalar.
Şekil 4'te, AD8479, üç-fazlı, sensörsüz sürücülerden gelen geniş motor akımı sürücü sapmalarına dayanacak çok geniş giriş ortak-mod voltaj aralığına (±600 volt) sahip hassas bir diferansiyel amplifikatördür. AD8479'un özellikleri, akım izolasyonunun gerekli olmadığı uygulamalarda pahalı izolasyon amplifikatörlerinin yerini almasına olanak tanır.
AD8479'un temel özellikleri arasında ayrıca hızlı motor değişimlerine uyum sağlamak için düşük dengeleme voltajı, düşük dengeleme voltajı sapması, düşük kazanç sapması, düşük ortak-mod reddetme sapması ve mükemmel ortak-mod reddetme oranı (CMRR) yer alır. AD7380/AD7381, Sırasıyla 16-bit/14-bit, yüksek-hız, düşük-güç, çift-kanal, eşzamanlı-örnekleme SAR-ADC'leri, saniyede 4 milyon örneğe kadar aktarım hızları. Diferansiyel analog girişler, geniş bir yelpazedeki ortak mod giriş voltajlarını kabul eder ve yerleşik bir 2,5 volt tamponlu referans (REF) voltaj kaynağına sahiptir.
Hassas tork ve hız kontrolü için, çift-kanallı eşzamanlı örnekleme SAR-ADC mimarisi, akım-algı amplifikatörünün çıkışını-anında-yakalar. Bu amaçla AD7380/AD7381, senkronize saatlere sahip iki özdeş ADC içerir ve her biri, kapasitif yük yeniden dağıtım ağına sahip kapasitif bir giriş aşamasına sahiptir (Şekil 5).
Şekil 5: AD7380'in iki kanalından biri için ADC dönüşüm aşamasını gösterir. Sinyal edinimi SW3 açıkken ve SW1 ve SW2 kapalıyken başlar. Bu noktada CS üzerindeki voltaj AINx+ ve AINx- ile değişerek karşılaştırıcı girişlerinin dengesiz olmasına neden olur.
Şekil 5'te VREF ve toprak örnek kapasitör CS'deki başlangıç gerilimleridir. SW3 açılırsa ve SW1 ve SW2 kapatılırsa sinyal edinimi başlatılır. SW1 ve SW2 kapatıldığında, örnek kapasitör CS üzerindeki voltaj, AINx+ ve AINx-'deki voltaja göre değişir ve karşılaştırıcı girişlerinin dengesini kaybetmesine neden olur. Daha sonra SW1 ve SW2 açılır ve CS üzerindeki voltaj yakalanır.
CS voltajı yakalama işlemi, karşılaştırıcıyı yeniden dengeye getirmek için CS'ye sabit miktarda yük ekleyen ve çıkaran bir dijital-analoga-dönüştürücüyü (DAC) içerir. Bu noktada, artık yükü çıkarmak ve bir sonraki örnekleme döngüsüne hazırlanmak için SW1 ve SW2 açılarak ve SW3 kapatılarak dönüşüm tamamlanır.
DAC dönüşümü sırasında kontrol mantığı ADC çıkış kodunu üretir ve seri arayüz üzerinden cihaz verilerine erişir.
Özet
BLDC motor torkunu ve hızını doğru bir şekilde ölçmek için öncelikle doğru, düşük{0}maliyetli şönt dirençlere ihtiyaç vardır. Yukarıda belirtildiği gibi, bu direnç, PC kartı baskılı kablolar kullanılarak-uygun maliyetli bir şekilde uygulanabilir.
Bu cihazı AD8479 akım-algı amplifikatörü ve AD7380 senkronize-örnekleme SAR-ADC'sinin birleşimine ekleyerek, tasarımcılar zorlu ortamlardaki motor kontrol uygulamaları için sağlam, yüksek-hassas tork ve hız kontrol sistemi ölçüm ön ucu{- oluşturabilirler.