Jak dokładnie sterować momentem obrotowym i prędkością bezszczotkowego silnika prądu stałego (BLDC) w zastosowaniach przemysłowych

Bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) są integralną częścią produkcji przemysłowej i są wykorzystywane przede wszystkim w serwomechanizmach, napędach, pozycjonowaniu i zastosowaniach o zmiennej prędkości. W tych zastosowaniach kluczowe znaczenie ma precyzyjne sterowanie ruchem i stabilne działanie. Ponieważ bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) wykorzystują zasadę ruchomego pola magnetycznego w celu wytworzenia momentu obrotowego, podczas projektowania przemysłowego systemu BLDC podstawową kwestią w zakresie sterowania jest dokładny pomiar momentu obrotowego i prędkości silnika.

Aby zmierzyć moment obrotowy silnika BLDC należy jednocześnie mierzyć dwa z trzech indukcyjnych prądów fazowych za pomocą wielokanałowego, jednoczesnego próbkowania przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC). Mikrokontroler z odpowiednimi algorytmami oblicza trzeci chwilowy prąd fazowy. Proces ten polega na dokładnym, natychmiastowym zobrazowaniu stanu silnika, co jest kluczowym elementem rozwoju wysoce precyzyjnego, solidnego systemu sterowania momentem obrotowym silnika.

W niniejszym artykule omówiono pokrótce zagadnienia związane z precyzyjnym sterowaniem momentem obrotowym, włącznie z ekonomicznymi sposobami wdrożenia wymaganego rezystora bocznikowego. W dalszej części przedstawiono precyzyjny wzmacniacz różnicowy AD8479 - oraz przetwornik analogowo-cyfrowy ADC typu Successive Approximation z podwójnym jednoczesnym próbkowaniem AD7380 - (oba układy firmy Analog Devices) oraz pokazano sposób ich wykorzystania do uzyskania dokładnych pomiarów fazy i solidnej struktury systemu.

Jak działają bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC)

Silnik BLDC jest silnikiem synchronicznym z magnesami stałymi z przebiegami wykorzystującymi siłę przeciw-elektromotoryczną. Obserwowana końcowa siła przeciw-elektromotoryczna nie jest stała - zmienia się zarówno wraz z momentem obrotowym jak i prędkością wirnika. Podczas gdy źródło napięciowe prądu stałego nie steruje bezpośrednio silnikiem BLDC, podstawowa zasada działania silnika BLDC jest podobna do silnika prądu stałego.

Silnik BLDC posiada wirnik z magnesami stałymi oraz stojan z uzwojeniami indukcyjnymi. Ten typ silnika jest zasadniczo odwróconym silnikiem prądu stałego poprzez eliminację szczotek i komutatora mechanicznego, a następnie podłączenie uzwojeń bezpośrednio do elektroniki sterującej. Elektronika sterująca zastępuje funkcję komutatora mechanicznego i zasila uzwojenia w odpowiedniej kolejności, by uzyskać wymagany ruch. Zasilone uzwojenia obracają się w zsynchronizowany, zrównoważony sposób wokół stojana. Zasilane uzwojenie stojana prowadzi magnes na wirniku i przełącza się, gdy wirnik wyrównuje się ze stojanem.

Układ beszczotkowego silnika prądu stałego (BLDC) wymaga trójfazowego, bezczujnikowego sterownika silnika BLDC, który generuje prąd w trzech uzwojeniach silnika (ilustracja 1). Obwód jest zasilany cyfrowym układem korygującym współczynnik mocy (PFC) z kontrolą prądu rozruchowego, który dostarcza stabilną moc do trójfazowego sterownika bezczujnikowego.

Ilustracja 1: układ sterowania silnikiem składa się z układu PFC stabilizującego moc, trójfazowego bezczujnikowego sterownika uzwojeń silnika BLDC, rezystorów bocznikowych i wzmacniaczy pomiaru prądu, a także jednoczesnego wzmacniacza przetwornika ADC oraz mikrokontrolera. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Trzy prądy wzbudzenia sterują silnikiem BLDC, a każdy z nich zasila i tworzy różne fazy w uzwojeniach, przy czym wszystkie sumują się do 360°. Różne wartości faz są kluczowe, ponieważ wzbudzenie trzech „nóg” utrzymuje się w sumie na poziomie 360°, fazy równoważą się osiągając tę wartość, np. 90° + 150° + 120°.

Podczas gdy prąd we wszystkich trzech uzwojeniach systemu musi być znany w każdej chwili, aby to osiągnąć w układzie zrównoważonym, wystarczy zmierzyć prądy tylko dwóch z trzech uzwojeń. Trzecie uzwojenie obliczane jest za pomocą mikrokontrolera. Boczniki i wzmacniacze odczytu prądu jednocześnie mierzą dwa uzwojenia.

Koniec toru sygnałowego wymaga podwójnego jednoczesnego próbkowania za pomocą przetwornika ADC, który wysyła cyfrowe dane pomiarowe do mikrokontrolera. Wielkość, faza i czas trwania każdego prądu wzbudzenia dostarczają informacji o momencie obrotowym i prędkości silnika, niezbędnych do precyzyjnego sterowania całym systemem.

Pomiar prądu za pomocą rezystorów na miedzianej płytce drukowanej

Podczas gdy w tak precyzyjnym sposobie pomiaru i zbierania danych zadań jest wiele, to cały proces zaczyna się na poziomie użytkownika, dzięki opracowaniu skutecznej i taniej metody wykrywania sygnału fazowego w uzwojeniach silnika BLDC. Można to zrobić, umieszczając rezystor liniowy o małej wartości na płytce drukowanej (R_SHUNT) i wykorzystując wzmacniacz pomiaru prądu w celu wykrycia spadku napięcia na rezystorze (ilustracja 2). Zakładając, że wartość rezystora jest wystarczająco niska, spadek napięcia również będzie niewielki, a metoda pomiaru będzie miała minimalny wpływ na obwód silnika.

Ilustracja 2: system pomiaru fazy silnika wykorzystujący rezystor bocznikowy prądu (R_SHUNT) do pomiaru chwilowej fazy silnika za pomocą wzmacniacza o wysokiej precyzji, takiego jak AD8479, oraz przetwornika analogowo cyfrowego o wysokiej rozdzielczości AD7380 - oba urządzenia firmy Analog Devices. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Na ilustracji 2 wzmacniacz pomiaru prądu wykrywa chwilowy spadek napięcia równy I_PHASE x R_SHUNT. Następnie przetwornik analogowo-cyfrowy ADC typu Successive Approximation przetwarza sygnał na cyfrowy. Wybór wartości rezystora bocznikowego zależy od relacji między wartościami R_SHUNT, V_SHUNT, I_SHUNT oraz błędami na wejściu wzmacniacza.

Wzrost wartości R_SHUNT powoduje wzrost wartości V_SHUNT. Dobra wiadomość jest taka, że zmniejsza to znaczenie błędów w napięciu offsetu wzmacniacza (V_OS) oraz biasie prądu offsetu na wejściu (I_OS). Jednakże strata mocy I_SHUNT x R_SHUNT przy dużej wartości R_SHUNT zmniejsza sprawność energetyczną systemu. Na niezawodność systemu ma również wpływ wartość znamionowa mocy R_SHUNT, ponieważ rozpraszanie mocy I_SHUNT x R_SHUNT może powodować samonagrzewanie się, które z kolei może prowadzić do zmiany oporu nominalnego R_SHUNT.

U kilku sprzedawców dostępne są specjalne rezystory do stosowania w charakterze R_SHUNT. Jednak tanią alternatywą jest zastosowanie starannych technik projektowania układu płytek drukowanych poprzez tworzenie ścieżek płytki drukowanej spełniających rolę rezystancji R_SHUNT (ilustracja 3).

Ilustracja 3: staranne techniki projektowania układu płytek drukowanych to tani sposób na stworzenie R_SHUNT o odpowiedniej wartości. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Obliczanie ścieżek płytki drukowanej pod kątem wartości R_SHUNT

Ponieważ w zastosowaniach przemysłowych temperatury mogą być ekstremalne, warto uwzględnić je w projekcie rezystora bocznikowego na płytce. Na ilustracji 3 temperaturowy współczynnik rezystancji (α₂₀) rezystora bocznikowego w postaci ścieżki płytki miedzianej przy 20°C wynosi średnio +0,39%/°C (wartość współczynnika zmienia się w zależności od temperatury). Długość (L), grubość (t), szerokość (W) i rezystywność (rñ) determinują opór ścieżki płytki drukowanej.

Jeśli płytka zawiera 1 uncję (oz) miedzi (Cu), grubość (t) jest równa 1,37 tysięcznych części cala, to opór (r) równa się 0,6787 mikroomom (µW) na cal. Pole ścieżki płytki drukowanej mierzy się w kwadracie ścieżki (•), co jest polem L/W. Na przykład, 2-calowa ścieżka o szerokości 0,25 cala tworzy strukturę 8•.

Dla powyższych zmiennych oblicza się opór płytki 1oz Cu, R_•, w temperaturze pokojowej za pomocą równania 1:

 Równanie 1

Gdzie T = temperatura na rezystorze.

Na przykład, rozpoczynając od 1 ampera (A) (maksymalnego) prądu na odgałęzienie silnika BLDC na płytce 1oz. Cu, długości (L) R_SENSE wynoszącej 1 cal i ścieżce o szerokości 50 milów (0,05 cala), R_SHUNT przy temperaturze 20°C można obliczyć za pomocą równania 2 i 3:

 Równanie 2

 Równanie 3

Straty mocy na rezystorze przy prądzie bocznika 1A oblicza się za pomocą równania 4:

 Równanie 4

Konwersja za pomocą przetwornika ADC z jednoczesnym próbkowaniem

Przetwornik analogowo cyfrowy (ADC) na ilustracji 2 konwertuje napięcie w pewnym punkcie cyklu fazowego na jego cyfrową reprezentację. Istotne jest, aby w ramach jednego pomiaru uwzględnić jednoczesne napięcie fazowe wszystkich trzech uzwojeń. Jest to układ zrównoważony, więc jak wcześniej wspomniano, wystarczy zmierzyć tylko dwa z trzech uzwojeń - zewnętrzny mikrokontroler obliczy napięcie fazowe trzeciego uzwojenia.

Odpowiednim przetwornikiem ADC dla takiego systemu sterowania silnikiem jest przetwornik analogowo-cyfrowy ADC typu Successive Approximation z podwójnym jednoczesnym próbkowaniem AD7380 (ilustracja 4).

Ilustracja 4: szybki przetwornik analogowo-cyfrowy ADC typu Successive Approximation z podwójnym jednoczesnym próbkowaniem AD7380, generujący niskie szumy, jest w stanie zmierzyć chwilowy stan dwóch uzwojeń silnika. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Ilustracja 4 przedstawia AD8479 - precyzyjny wzmacniacz różnicowy o bardzo wysokim zakresie napięcia sygnału współbieżnego na wejściu (±600 woltów), który jest w stanie przetrwać szerokie skoki prądu napędu silnika z trójfazowego bezczujnikowego napędu. Układ AD8479 może zastąpić kosztowne wzmacniacze separujące w zastosowaniach, które nie wymagają izolacji galwanicznej.

Kluczowe cechy charakterystyczne modelu AD8479 obejmują również niskie napięcie offsetu, niski dryft napięcia offsetu, niskie wzmocnienie dryftu, niski dryft tłumienia sygnału współbieżnego oraz doskonały współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR), który umożliwia szybkie zmiany w silniku.

Układy AD7380/AD7381 to odpowiednio 16 i 14-bitowe, szybkie przetworniki ADC typu Successive Approximation z podwójnym jednoczesnym próbkowaniem o niskim poborze mocy, które charakteryzują się przepustowością do 4mln próbek/s. Różnicowe wejście analogowe akceptuje szerokie napięcie sygnału współbieżnego na wejściu. Dołączono buforowane wewnętrzne napięcie referencyjne (REF) 2,5V.

W celu uzyskania precyzyjnego sterowania momentem obrotowym i prędkością, przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) typu Successive Approximation z podwójnym jednoczesnym próbkowaniem natychmiast wychwytuje sygnał na wyjściu wzmacniacza pomiaru prądu. W tym celu układy AD7380 i AD7381 zostały wyposażone w dwa identyczne przetworniki ADC, które są taktowane jednocześnie. Każdy z nich posiada również pojemnościowy stopień wejściowy z siecią pojemnościową redystrybucji ładunku (ilustracja 5).

Ilustracja 5: stopień konwersji przetwornika ADC dla jednego z dwóch kanałów urządzenia AD7380. Akwizycja sygnału rozpoczyna się w momencie otwarcia S_W3 oraz zamknięcia S_W1 i S_W2. W tym momencie napięcie na C_S zmienia się na A_INx+ i A_INx-, co sprawia, że dane na wejściu komparatora nie są w stanie równowagi. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Na ilustracji 5 V_REF i masa stanowią początkowe napięcia na kondensatorach próbkujących, C_S. Otwarcie S_W3 i zamknięcie S_W1 oraz S_W2 inicjuje akwizycję sygnału. Gdy S_W1 i S_W2 się zamykają, napięcie na kondensatorach próbkujących, C_S, zmienia się w zależności od napięcia w A_INx+ i A_INx-, co sprawia, że dane na wejściu komparatora nie są w stanie równowagi. Następuje otwarcie SW1 i SW2 oraz akwizycja napięcia na C_S.

Pomiar napięcia na C_S wymaga wykorzystania przetworników cyfrowo-analogowych (DAC). Przetwornik DAC dodaje i odejmuje stałe wartości ładunku z C_S, by przywrócić stan równowagi komparatora. W tym momencie konwersja jest zakończona, S_W1 i S_W2 otwierają się, a S_W3 zamyka się w celu usunięcia ładunku resztkowego i przygotowania do następnego cyklu próbkowania.

Podczas konwersji w przetworniku DAC, logika sterująca generuje kod wyjściowy dla przetwornika ADC, a dostęp do danych z urządzenia uzyskuje się za pomocą interfejsu szeregowego.

Podsumowanie

Dokładny pomiar momentu obrotowego i prędkości bezszczotkowego silnika prądu stałego (BLDC) ma swój początek w doborze dokładnego, niskokosztowego bocznika. Jak pokazano, można wprowadzić to rozwiązanie tanim kosztem przy wykorzystaniu ścieżek płytki drukowanej.

Dodając je do połączenia wzmacniacza pomiaru prądu AD8479 z przetwornikiem analogowo-cyfrowym ADC typu Successive Approximation z jednoczesnym próbkowaniem, projektant może stworzyć precyzyjny, wytrzymały system pomiaru momentu obrotowego i prędkości do zastosowań związanych ze sterowaniem pracą silników w niesprzyjających warunkach.