如何在工業應用中精確控製 BLDC 電機的扭矩和速度
發布時間：2020-06-29 責任編輯：lina
【導讀】無刷直流 (BLDC) 電機是工業生產車間不可或缺的一部分，主要用於伺服、致動、定位和變速應用。在這些應用中，精確的運動控製和穩定的運行至關重要。由於 BLDC 基於運動磁場的原理運行以產生電機扭矩，因此在設計工業 BLDC 係統時，主要的控製挑戰在於準確地測量電機的扭矩和速度。
無刷直流 (BLDC) 電機是工業生產車間不可或缺的一部分，主要用於伺服、致動、定位和變速應用。在這些應用中，精確的運動控製和穩定的運行至關重要。由於 BLDC 基於運動磁場的原理運行以產生電機扭矩，因此在設計工業 BLDC 係統時，主要的控製挑戰在於準確地測量電機的扭矩和速度。
為了捕獲 BLDC 電機的扭矩，需要使用多通道同步采樣模數轉換器 (ADC) 同時測量三個感應相電流中的兩個。由具有合適算法的微控製器計算第三個瞬時相電流。此過程可以準確、即時地記錄電機狀況，而這是開發堅固耐用的高精度電機扭矩控製係統的關鍵步驟。
本文將簡要討論與實現精確的扭矩控製相關的問題，包括一種實現所需分流電阻器的經濟高效的方法。然後介紹 Analog Devices 的 AD8479 精密差分放大器和 AD7380 雙通道采樣逐次逼近寄存器 ADC (SAR-ADC)，並展示如何將它們用於獲取精確的相位測量值，以實現可靠的係統設計。
BLDC 電機的工作原理
BLDC 電機是具有反電動勢 (EMF) 波形的永磁同步電機。觀察到的端子反電動勢並非恒定的；它會隨著轉子的扭矩和速度而變化。雖然直流電壓源不能直接驅動 BLDC 電機，但 BLDC 的基本工作原理與直流電機相似。
BLDC 電(dian)機(ji)包(bao)含(han)一(yi)個(ge)具(ju)有(you)永(yong)磁(ci)體(ti)的(de)轉(zhuan)子(zi)和(he)一(yi)個(ge)具(ju)有(you)感(gan)應(ying)繞(rao)組(zu)的(de)定(ding)子(zi)。這(zhe)種(zhong)電(dian)機(ji)本(ben)質(zhi)上(shang)是(shi)一(yi)種(zhong)外(wai)翻(fan)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)，其(qi)中(zhong)消(xiao)除(chu)了(le)電(dian)刷(shua)和(he)換(huan)向(xiang)器(qi)，然(ran)後(hou)將(jiang)繞(rao)組(zu)直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)到(dao)控(kong)製(zhi)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)。控(kong)製(zhi)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)取(qu)代(dai)了(le)換(huan)向(xiang)器(qi)的(de)功(gong)能(neng)，以(yi)正(zheng)確(que)的(de)順(shun)序(xu)為(wei)繞(rao)組(zu)通(tong)電(dian)，獲(huo)得(de)所(suo)需(xu)的(de)運(yun)動(dong)。通(tong)電(dian)的(de)繞(rao)組(zu)以(yi)同(tong)步(bu)、平衡的模式圍繞定子旋轉。通電的定子繞組引導轉子磁鐵，並在轉子與定子對齊時開關。
BLDC 電機係統需要一個三相無傳感器 BLDC 電機驅動器，該驅動器在電機的三個繞組中產生電流（圖 1）。電路通過具有湧流控製的數字功率因數校正 (PFC) 級供電，可為三相無傳感器驅動器提供穩定的電力。
圖 1：電機控製係統包括用於穩定電源的 PFC、用於 BLDC 電機繞組的三相無傳感器驅動器、分流電阻和電流檢測放大器、同步放大器 ADC 以及微控製器。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
三個激勵電流驅動 BLDC 電機，每個在繞組中激勵並產生不同的相位，這些相位合計為 360°。不同的相位值很重要：由於三個分支的總激勵保持 360°，因此它們會均勻相抵以保持 360°，例如 90° + 150° + 120°。
jinguanzairenyigeidingshijiandoubixuhuozhixitongsuoyousangeraozudedianliu，danyaozaipinghengxitongzhongzuodaozheyidian，zhixuyaoceliangsangeraozuzhonglianggeraozudedianliu，bingshiyongweikongzhiqijisuandisangeraozu。zhelianggeraozukeshiyongfenliudianzuqihedianliujiancefangdaqitongshijinxingjiance。
信號路徑的末端需要一個雙通道同步采樣 ADC，用於將數字測量數據發送到微控製器。每個激勵電流的幅度、相位和定時提供了精確控製所需的電機扭矩和速度信息。
使用 PC 板銅電阻器的電流檢測
盡管在這種精確的測量和數據采集設計中有很多需要關注的問題，但此過程始於前端，需要開發一種有效的低成本方式來感測 BLDC 電機繞組的相位信號。若要做到這一點，可通過放置一個較小值的直插式 PC 板電阻器 (RSHUNT)，並使用電流檢測放大器來檢測該小電阻器上的電壓降（圖 2）。假設電阻值足夠低，那麼電壓降也很低，並且測量策略對電機電路的影響極小。
圖 2：電機相位感測係統使用電流分流電阻器 (RSHUNT)，配合高精度放大器（例如 Analog Devices 的 AD8479）和高分辨率 ADC (AD7380) 測量瞬時電機相位。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
在圖 2 中，電流檢測放大器捕獲了 IPHASE x RSHUNT 的瞬時電壓降。然後，SAR-ADC 將此信號數字化。分流電阻器選擇值涉及 RSHUNT、VSHUNT、ISHUNT 與放大器輸入誤差之間的相互作用。
RSHUNT 增大將導致 VSHUNT 增大。好消息是，這將緩解放大器的電壓偏移 (VOS) 誤差和輸入偏置電流偏移 (IOS) 誤差的顯著性。但是，較大 RSHUNT 的 ISHUNT x RSHUNT 功率損耗會降低係統的功率效率。同樣，RSHUNT 的額定功率也會影響係統的可靠性，因為 ISHUNT x RSHUNT 功率耗散會產生自熱狀態，而這可能導致標稱 RSHUNT 電阻發生變化。
對於 RSHUNT，可以從多家供應商獲取特殊用途電阻器。但還有一種低成本的替代方案，即運用細致的布局技術來製造 PC 板印製線電阻 RSHUNT（圖 3）。
圖 3：細致的 PC 板布局技術提供了一種經濟高效的方法來創建適當的 RSHUNT 值。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
計算 RSHUNT 對應的 PC 板印製線電阻
由於工業應用中可能出現極端溫度，因此在電路板分流電阻器設計中需要考慮溫度因素，這一點很重要。在圖 3 中，銅 PC 板印製線分流電阻器在 20°C 時的溫度係數 (α20) 約為 +0.39％/°C（該係數會隨溫度而變化）。長度 (L)、厚度 (t)、寬度 (W) 和電阻率 (rñ) 決定了 PC 板印製線電阻。
如果 PC 板具有 1 盎司 (oz) 銅 (Cu)，則厚度 (t) 等於千分之 1.37 英寸，電阻率 (r) 等於每英寸 0.6787 微歐 (µW)。PC 板印製線麵積按印製線方框 ()，即 L/W 麵積進行度量。例如，寬度為 0.25 英寸的 2 英寸 (in.) 印製線對應 8 個 結構。
利用上述變量，通過（公式 1）計算在室溫下 PC 板 1 盎司銅的印製線電阻 R：
公式 1其中，T = 電阻器的溫度。
例如，從 1 盎司銅 PC 板上每個 BLDC 電機分支的最大電流為 1 安培 (A)，RSENSE 長度 (L) 為 1 英寸，印製線寬度為 50 密耳（0.05 英寸）開始，可使用公式 2 和 3 計算 20°C 時的 RSHUNT：
公式 2
公式 3通過公式 4 計算此電阻器在分流電流為 1 A 時的功率耗散：
公式 4同步采樣 ADC 轉換
圖 2 中的 ADC jiangxiangweizhouqizhongmouyidiandedianyazhuanhuanweishuzibiaoshi。guanjianyidianshi，gaiceliangyingbaohansuoyousangeraozudetongbuxiangdianya。zheshiyigepinghengdexitong，yinciruqiansuoshu，zhixuceliangsangeraozuzhongdeliangge；外部微控製器將會計算第三個繞組的相電壓。
此電機控製係統適用的 ADC 是 AD7380 雙通道同步采樣 SAR-ADC（圖 4）。
圖 4：快速、低噪聲的雙通道同步采樣 SAR-ADC（例如 AD7380）可捕獲兩個電機繞組的瞬時狀態。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
在圖 4 中，AD8479 是一款精密差分放大器，具有極大的輸入共模電壓範圍（±600 伏），可承受來自三相無傳感器驅動器的寬電機電流驅動偏移。AD8479 的特性使其在不要求電流隔離的應用中可以取代昂貴的隔離放大器。
AD8479 的關鍵特性還包括低補償電壓、低補償電壓漂移、低增益漂移、低共模抑製漂移，以及出色的共模抑製比 (CMRR)，可適應快速的電機變化。
AD7380/AD7381 分別是 16 位/14 位高速、低功耗的雙通道同步采樣 SAR-ADC，其吞吐率高達每秒 4 M 次采樣。差分模擬輸入可接受較寬的共模輸入電壓，並且內置一個 2.5 伏緩衝基準 (REF) 電壓源。
為了實現精確的扭矩和速度控製，雙通道同步采樣 SAR-ADC 結構可即時捕獲電流檢測放大器的輸出。為此，AD7380/AD7381 內置了兩個具有同步時鍾的相同 ADC。它們還分別擁有一個帶有容性電荷再分配網絡的容性輸入級（圖 5）。
圖 5：所示為 AD7380 兩個通道之一的 ADC 轉換級。當 SW3 開路並且 SW1 和 SW2 閉合時，信號采集開始。此時，CS 兩端的電壓隨著 AINx+ 和 AINx- 的變化而變化，導致比較器輸入失去平衡。（圖片來源：Analog Devices）
在圖 5 中，VREF 和接地是采樣電容器 CS 兩端的初始電壓。若將 SW3 開路並閉合 SW1 和 SW2，則將啟動信號采集。當 SW1 和 SW2 閉合時，采樣電容器 CS 兩端的電壓隨 AINx+ 和 AINx- 處的電壓而變化，導致比較器輸入失去平衡。然後將 SW1 和 SW2 開路，並捕獲 CS 兩端的電壓。
CS 電壓捕獲過程涉及到數模轉換器 (DAC)。DAC 加上和減去來自 CS 的固定電荷量，使得比較器恢複平衡狀態。至此，轉換完成，將 SW1 和 SW2 開路並閉合 SW3，以去除殘留電荷並準備下一個采樣周期。
在 DAC 轉換期間，控製邏輯生成 ADC 輸出代碼，並通過串行接口訪問器件的數據。
總結
若要精確測量 BLDC 電機扭矩和速度，首先需有精確的低成本分流電阻器。如上所述，可使用 PC 板印製線經濟高效地實現此電阻器。
通過將此器件添加到 AD8479 電流檢測放大器和 AD7380 同步采樣 SAR-ADC 的組合中，設計人員可以創建穩健的高精度扭矩和速度控製係統測量前端，以用於惡劣環境下的電機控製應用。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。
特別推薦
- 噪聲中提取真值！瑞盟科技推出MSA2240電流檢測芯片賦能多元高端測量場景
- 10MHz高頻運行！氮矽科技發布集成驅動GaN芯片，助力電源能效再攀新高
- 失真度僅0.002%！力芯微推出超低內阻、超低失真4PST模擬開關
- 一“芯”雙電！聖邦微電子發布雙輸出電源芯片，簡化AFE與音頻設計
- 一機適配萬端：金升陽推出1200W可編程電源，賦能高端裝備製造
技術文章更多>>
- 突破工藝邊界，奎芯科技LPDDR5X IP矽驗證通過，速率達9600Mbps
- 通過直接、準確、自動測量超低範圍的氯殘留來推動反滲透膜保護
- 從技術研發到規模量產：恩智浦第三代成像雷達平台，賦能下一代自動駕駛！
- 從機械執行到智能互動：移遠Q-Robotbox助力具身智能加速落地
- 品英Pickering將亮相2026航空電子國際論壇，展示航電與電池測試前沿方案
技術白皮書下載更多>>
- 車規與基於V2X的車輛協同主動避撞技術展望
- 數字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰
- 汽車模塊拋負載的解決方案
- 車用連接器的安全創新應用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
按鈕開關
白色家電
保護器件
保險絲管
北鬥定位
北高智
貝能科技
背板連接器
背光器件
編碼器型號
便攜產品
便攜醫療
變容二極管
變壓器
檳城電子
並網
撥動開關
玻璃釉電容
剝線機
薄膜電容
薄膜電阻
薄膜開關
捕魚器
步進電機
測力傳感器
測試測量
測試設備
拆解
場效應管
超霸科技
