Koppel en toerental van een BLDC-motor in industriële toepassingen nauwkeurig regelen

Borstelloze gelijkstroommotoren (BLDC-motoren) vormen een integraal onderdeel van industriële productieomgevingen, voornamelijk voor toepassingen met servo's, actuatoren, positionering en variabele toerentallen. In deze toepassingen zijn het nauwkeurig regelen van de beweging en een stabiele werking van het allergrootste belang. Omdat BLDC-motoren werken volgens het principe van een bewegend magneetveld om koppel te genereren, is de grootste uitdaging tijdens het ontwerp van een industrieel systeem met BLDC-motoren hoe het koppel en toerental van de motor nauwkeurig kan worden gemeten.

Twee inductieve fasestromen moeten gelijktijdig met een meerkanaals simultaan bemonsterende analoog-digitaalconverter (ADC) worden gemeten om het koppel van de BLDC-motor te bepalen. Hiermee kan een microcontroller met de juiste algoritmes de derde fasestroom berekenen. Voor dit proces is een nauwkeurig, momentaan snapshot van de conditie van een motor nodig, een essentiële stap in het ontwikkelen van een uiterst nauwkeurig en robuust koppelregelsysteem.

In dit artikel worden in het kort de problemen beschreven rond het nauwkeurig regelen van het koppel, zoals een voordelige manier om een vereiste shuntweestand te implementeren. Vervolgens wordt de AD8479 precisie verschilversterker geïntroduceerd en de AD7380 dubbel bemonsterende Successive Approximation Register ADC (SAR-ADC), beide van Analog Devices, en laten we zien hoe deze kunnen worden gebruikt om nauwkeurige fasemetingen te realiseren voor een robuust systeemontwerp.

Hoe BLDC-motoren werken

Een BLDC-motor is een synchrone motor met permanente magneet en een elektrische tegenkracht (EMF). De EMF is niet constant, maar varieert zowel met het koppel als met het toerental van de motor. Hoewel de gelijkspanningsbron niet rechtstreeks de BLDC-motor aanstuurt, is het BLDC-werkingsprincipe gelijk aan dat van een gelijkstroommotor.

De BLDC-motor heeft een rotor met permanente magneten en een stator met inductieve windingen. Deze motor is feitelijk een binnenstebuiten gekeerde gelijkstroommotor zonder borstels en collector en waarbij de windingen rechtstreeks met de regelelektronica verbonden zijn. De regelelektronica neemt de functie van de collector over en stuurt de windingen in de voor de gevraagde beweging vereiste volgorde aan. De windingen draaien in een gesynchroniseerd, gebalanceerd patroon rond de stator. De statorwinding loopt op de rotormagneet voor en schakelt precies op het moment waarop de rotor met de stator is uitgelijnd.

Voor de BLDC-motor is een driefasen sensorloze BLDC-motordriver nodig die de stroom in de drie windingen van de motor genereert (Afbeelding 1). De schakeling wordt aangestuurd via een trap met digitale vermogensfactorcorrectie (PFC) en regeling van de inkomende stroom die een stabiel vermogen voor de driefasen sensorloze driver levert.

Afbeelding 1: Motorregelsysteem met een PFC om het vermogen te stabiliseren, een driefasen sensorloze driver voor de BLDC-motorwindingen, shuntweerstanden en stroommetende versterkers, een SAR-ADC en een microcontroller. (Afbeelding: DigiKey)

De BLDC-motor wordt door drie bekrachtigingsstromen aangestuurd, die elk de fasen in de windingen opwekken met verschillende fasen die gezamenlijk 360° bedragen. Het verschil in de waardes voor de fasen is significant: omdat de bekrachtiging van de drie fasen gezamenlijk in totaal 360° bedraagt, is hun som altijd 360°, bijvoorbeeld 90° + 150° + 120°.

Hoewel de stroomsterkte in alle drie de windingen van een systeem op elk moment bekend moet zijn, kan dit in een gebalanceerd systeem worden verkregen door de stroomsterkte in slechts twee van de drie windingen te meten. De stroomsterkte in de derde winding wordt dan met een microcontroller berekend. De twee windingen worden gelijktijdig via shuntweerstanden en stroommetende versterkers gemeten.

Aan het eind van het signaalpad moet een dubbele simultaan bemonsterende ADC zijn opgenomen die de digitale meetgegevens naar de microcontroller stuurt. De grootte, fase en timing van elk van de bekrachtigingsstromen levert de informatie over het koppel en toerental van de motor die voor een nauwkeurige regeling nodig zijn.

Stroommeting met koperen printplaatweerstanden

Hoewel er bij het ontwerp van een systeem waar zo nauwkeurig moet worden gemeten en gegevens moeten worden verzameld met veel zaken rekening moet worden gehouden, moet allereerst een effectieve en goedkope methode worden gevonden om het fasesignaal van de BLDC-motorwindingen te meten. Hiervoor kan een weerstand met kleine waarde (R_SHUNT) op de printplaat worden gebruikt in combinatie met een stroommetende versterker die de spanning over de weerstand meet (Afbeelding 2). Aangenomen dat de weerstand klein genoeg is, is de spanningsval erover ook klein en heeft deze meetmethode een minimaal effect op de schakeling rond de motor.

Afbeelding 2: Fasemeetsysteem voor een BLDC-motor met gebruik van een in serie geschakelde weerstand (R_SHUNT) om de momentane motorfase te meten met een uiterst nauwkeurige versterker als de AD8479 en een ADC met hoge resolutie (AD7380) van Analog Devices. (Afbeelding: DigiKey)

In Afbeelding 2 meet de stroommetende versterker de momentane spanningsval van I_PHASE x R_SHUNT. De SAR-ADC digitaliseert vervolgens dit signaal. De interactie tussen R_SHUNT, V_SHUNT, I_SHUNT en de ingangsfouten van de versterker moeten in aanmerking worden genomen om de waarde van de shuntweerstand te bepalen.

Een grotere R_SHUNT geeft een grotere V_SHUNT. Het goede nieuws is dat hierdoor het effect van fouten in de offsetspanning van de versterker (V_OS) en van de instelstroom aan de ingang (I_OS) afneemt. Maar door het vermogensverlies I_SHUNT x R_SHUNT bij een weerstand R_SHUNT met een hoge waarde verbruikt het systeem meer energie. Bovendien heeft het opgenomen vermogen van R_SHUNT invloed op de betrouwbaarheid van het systeem, omdat het vermogensverlies I_SHUNT x R_SHUNT tot verhitting van de weerstand kan leiden waardoor de waarde van R_SHUNT kan wijzigen.

Er zijn voor R_SHUNT bij verschillende leveranciers speciale weerstanden verkrijgbaar. Maar een goedkoop alternatief is om in een printplaatspoor een zorgvuldig geconfigureerde weerstand R_SHUNT te implementeren (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Met een zorgvuldige lay-out van de printplaat kan een goedkope R_SHUNT met de juiste waarde worden verkregen. (Afbeelding: DigiKey)

De waarde van R_SHUNT in een printplaatspoor bepalen

Omdat in industriële toepassingen extreme temperaturen kunnen optreden, is het belangrijk bij het ontwerpen van een weerstand in een printplaatspoor rekening met de temperatuur te houden. In Afbeelding 3 is de temperatuurcoëfficiënt (α₂₀) van een koperen printplaatspoor bij 20°C ongeveer +0,39%/°C (de coëfficiënt is afhankelijk van de temperatuur). De lengte (L), dikte (t), breedte (W) en soortelijke weerstand (rñ) bepalen de weerstand van het printplaatspoor.

Als de printplaat een koperlaag van 35 µm dikte heeft, dan bedraagt de soortelijke weerstand 0,2672 µΩ per cm. Het printplaatspoor wordt gemeten in termen van spoorvierkant (), een gebied met een bepaalde lengte en breedte. Een spoor met een lengte van 5,08 cm en een breedte van 0,635 cm wordt een '8' structuur genoemd (2 inch x 1/4 inch).

Met bovenstaande variabelen kan met Vergelijking 1 de weerstand R_•□ van een printplaatspoor met een dikte van 35 µm bij kamertemperatuur worden berekend:

 Vergelijking 1

Met T = temperatuur van de weerstand.

Als we bijvoorbeeld beginnen met een maximale stroomsterkte per BLDC-motorfase op een printplaat met een dikte van 35 µm, dan kan de weerstand R_SENSE met een lengte (L) van 2,54 cm en een spoorbreedte van 0,127 cm, dan kan de R_SHUNT bij 20°C volgens de Vergelijkingen 2 en 3 worden berekend.:

Vergelijking 2

Vergelijking 3

Het vermogensverlies over deze weerstand bij een stroomsterkte van 1 A kan met Vergelijking 4 worden berekend:

Vergelijking 4

Conversie door middel van een simultaan bemonsterende ADC

De ADC uit Afbeelding 2 digitaliseert de spanning op een bepaald punt in de fasecyclus. Het is van het allergrootste belang dat de fasespanning van alle drie windingen gelijktijdig wordt bepaald. Dit is een gebalanceerd systeem, zodat, als eerder al gesteld, slechts twee van de drie windingen hoeven te worden gemeten: een externe microcontroller berekent de fasespanning van de derde winding.

Een geschikte ADC voor dit motorregelsysteem is de AD7380 dubbele simultaan bemonsterende SAR-ADC (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Een snelle, ruisarme dubbele simultaan bemonsterende SAR-ADC als de AD7380 kan een momentaan beeld van twee van de motorwindingen geven. (Afbeelding: DigiKey)

In Afbeelding 4 is de AD8479 weergegeven, een nauwkeurige verschilversterker met een uiterst groot bereik voor de common-mode ingangsspanning (±600 volt) die grote afwijkingen in de stroomsterkte van de aandrijving van de driefasen sensorloze motor kan weerstaan. De AD8479 kan dankzij deze specificaties dure isolatieversterkers uitsparen in toepassingen waar geen galvanische scheiding nodig is.

Belangrijke eigenschappen van de AD8479 zijn verder een laag verloop van de offsetspanning, van de versterking en van de common-mode-onderdrukkingsverhouding (CMRR) om snelle veranderingen in het gedrag van de motor aan te kunnen.

De AD7380 en AD7381 zijn respectievelijk 16- en 14-bits dubbele simultaan bemonsterende SAR-ADC's met een laag energieverbruik en een doorvoersnelheid tot 4 miljoen bemonsteringen per seconde. De differentiële analoge ingangen kunnen een common-mode ingangsspanning over een groot bereik aan. Hij beschikt over een gebufferde interne referentiespanningsbron van 2,5 volt (REF).

Voor een nauwkeurige regeling van koppel en toerental krijgen de dubbele simultaan bemonsterende SAR-ADC's de momentane uitgang van de stroommetende versterker aangeleverd. Hiervoor hebben de AD7380/AD7381 twee identieke interne ADC's met een gelijklopende klok. Ze beschikken verder over een capacitieve ingangstrap met een capacitief ladingsdistributienetwerk (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Afgebeeld is de ADC conversietrap voor een van de twee kanalen van de AD7380. De signaalopname begint als S_W3 wordt geopend en S_W1 en S_W2 worden gesloten. Op dat moment wijzigt de spanning over C_S naar aanleiding van wijzigingen in A_INx+ en A_INx-, waardoor de ingangen van de vergelijker uit balans raken. (Afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 5 zijn V_REF en massa de aanvankelijke ingangsspanningen over de bemonsteringscondensatoren C_S. Door S_W3 te openen en S_W1 en S_W2 te sluiten, start de signaalopname. Als S_W1 en S_W2 sluiten, dan wijzigt de spanning over de bemonsteringscondensatoren C_S volgens de spanning op A_INx+ en A_INx-, waardoor de ingangen van de vergelijker uit balans raken. SW1 en SW2 worden vervolgens geopend en de spanning over C_S wordt uitgelezen.

De digitaal-analoogconverters (DAC's) worden gebruikt voor het uitlezen van de spanning over C_S. De DAC's tellen vaste hoeveelheden lading bij de C_S op en trekken die eraf om de vergelijker weer in balans te brengen. Dan is de conversie compleet, S_W1 en S_W2 worden geopend en S_W3 wordt gesloten om de restlading af te laten vloeien en is het systeem klaar voor de volgende bemonsteringscyclus.

Terwijl de DAC zijn werk doet, genereert de regellogica de uitgangscode van de ADC en worden de gegevens via een seriële interface uitgelezen.

Conclusie

Voor het nauwkeurig meten van het koppel en toerental van een BLDC-motor kan een nauwkeurige, goedkope shuntweerstand worden gebruikt. We hebben laten zien dat deze als een printplaatspoor kan worden geïmplementeerd.

Een ontwerper kan samen met een combinatie van een AD8479 stroommetende versterker en een AD7380 simultaan bemonsterende SAR-ADC een front-end voor een uiterst nauwkeurig en robuust koppel- en toerentalmeetsysteem bouwen voor motorregeltoepassingen in agressieve omgevingen.