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如何在工業應用中準確控制 BLDC 馬達的扭力和速度

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

無刷 DC (BLDC) 馬達是工業生產線不可或缺的一部分,主要用於伺服、致動、定位和變速應用。在這些應用中,精確的運動控制和穩定的運行至關重要。由於 BLDC 的工作原理是利用移動的磁場來產生馬達扭力,因此在設計工業 BLDC 系統時,主要的控制挑戰在於準確地測量馬達的扭力和速度。

若想擷取 BLDC 馬達的扭力,就需要使用多通道同步取樣類比數位轉換器 (ADC),同時測量三個電感相電流中的兩個電流。搭載合適演算法的微控制器會計算第三個瞬時相電流。此過程可準確地記錄馬達的瞬時狀況,而這是開發可靠耐用的精密型馬達扭力控制系統的關鍵步驟。

本文將簡要探討與實現精確扭力控制相關的問題,包括以符合成本效益的方式實作所需的分流電阻。接著會介紹 Analog DevicesAD8479 精密型差動放大器和 AD7380 雙通道取樣連續漸近暫存器 ADC (SAR-ADC),以及如何利用這兩者準確測量相位,以達到完備的系統設計。

BLDC 馬達的工作原理

BLDC 馬達是一種具有反電動勢 (EMF) 波形的永磁同步馬達。觀察到的端子反電動勢並非恆定,而會隨著轉子的扭力和速度而變化。雖然 DC 電壓來源不會直接驅動 BLDC 馬達,但 BLDC 的基本工作原理與 DC 馬達類似。

BLDC 馬達有一個永磁體轉子和一個帶有電感繞組的定子。這種馬達捨棄了電刷和整流子,本質上是由內向外翻轉的 DC 馬達,並將繞組直接連接至電子控制裝置上。此電子控制裝置會取代整流子功能,並以正確的順序給繞組通電,以達到所需的運動。通電的繞組會以同步化的平衡模式繞著定子旋轉。通電的定子繞組會引導轉子磁鐵,並在轉子與定子對齊時進行切換。

BLDC 馬達系統需要一個無感測器的三相 BLDC 馬達驅動器,在馬達的三個繞組中產生電流 (圖 1)。電路會透過具有湧入電流控制的數位功率因數校正 (PFC) 級供電,可供應穩定的電力給無感測器的三相驅動器。

BLDC 馬達驅動器的三個繞組圖片圖 1:馬達控制系統的組成包括用於穩定電力的 PFC、用於 BLDC 馬達繞組的無感測器三相驅動器、分流電阻、電流感測放大器、同步放大器 ADC 以及微控制器。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

三個激磁電流會驅動 BLDC 馬達,每個電流會讓繞組通電並產生相位,且各個相位有所不同,總合為 360°。不同的相位值很重要:由於三個分支的激磁的總值要維持在 360°,因此會均勻相抵以維持 360°,例如 90° + 150° + 120°。

因為在任何指定時間下都必須知道系統全部三個繞組的電流,因此要在平衡型系統中達成此目標,只需要測量三個繞組中其中兩個繞組的電流,第三個繞組則會透過微控制器來計算。這兩個繞組可使用分流電阻和電流感測放大器同步進行感測。

訊號路徑的末端需要使用雙通道同步取樣 ADC,將數位測量資料傳送到微控制器。每個激磁電流的振幅、相位和時序,皆可提供達到精確控制所需的馬達扭力和速度資訊。

使用 PC 板銅電阻進行電流感測

雖然在這種精確測量和數據採集設計中,有相當多層面需要考量,但首先是在前端開發有效且低成本的方式,來感測 BLDC 馬達繞組的相位訊號。要達到此目標,可放置一個數值較小的直插 PC 板電阻 (RSHUNT),並使用電流感測放大器偵測這個小電阻兩端的壓降 (圖 2)。假設電阻值夠低,壓降也會很低,則此測量策略對馬達電路的影響將微乎其微。

Analog Devices 的 AD8479 及高解析度 AD7380 ADC 圖片圖 2:馬達相位感測系統使用電流分流電阻 (RSHUNT)、高精確度放大器 (如 Analog Devices 的 AD8479) 與高解析度 ADC (AD7380) 來測量瞬時馬達相位。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

在圖 2 中,電流感測放大器會擷取 IPHASE x RSHUNT 的瞬時壓降。然後由 SAR-ADC 將此訊號數位化。在選擇分流電流電阻值時,會涉及到 RSHUNT、VSHUNT、ISHUNT 及放大器輸入誤差之間的相互作用。

若 RSHUNT 增加,VSHUNT 也會增加。好消息是,這可降低放大器電壓偏移 (VOS) 和輸入偏壓電流偏移 (IOS) 誤差的重要性。但是,較大的 RSHUNT 所帶來的 ISHUNT x RSHUNT 功率損耗,會降低系統的電源效率。此外,RSHUNT 的額定功率會影響系統的可靠性,這是因為 ISHUNT x RSHUNT 功率耗散會產生自體發熱,而這可能會導致標稱 RSHUNT 電阻發生變化。

對於 RSHUNT,有多家廠商提供專用電阻。不過,有個低成本的替代方法,就是使用精心的佈局技術來建立 RSHUNT 的 PC 板走線電阻值 (圖 3)。

PC 板佈局技術示意圖圖 3:使用精心的電路板佈局技術來建立適當的 RSHUNT 值相當符合成本效益。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

計算 RSHUNT 的 PC 板走線電阻值

由於工業應用中可能具有極端溫度,因此在設計電路板分流電阻時必須考量溫度因素。在圖 3 中,銅 PC 板走線分流電阻的溫度係數 (α20) 在 20°C 時約為 +0.39%/°C (此係數會因溫度而異)。長度 (L)、厚度 (t)、寬度 (W) 和電阻率 (rñ) 會決定 PC 板走線電阻值。

如果 PC 板採用 1 oz 銅 (Cu),則厚度 (t) 等於 1.37 毫英吋,電阻率 (r) 等於每英吋 0.6787 µW。此 PC 板走線區域將以走線方塊 (•) 表示,也就是 L/W 區域。例如,一條長 2 英吋、寬 0.25 英吋的走線即為 8• 個結構。

在上述變數及室溫條件下,PC 板 1 oz 銅走線的電阻值 (R•) 可使用方程式 1 計算得出:

方程式 1 方程式 1

其中 T = 電阻的溫度。

例如,假設 1 oz 銅 PC 板上每個 BLDC 馬達分支的 (最大) 電流為 1 A,RSENSE 長度 (L) 為 1 英吋,走線寬度為 50 毫英吋 (0.05 英吋),則在 20°C 條件下,RSHUNT 可用方程式 2 和 3 計算得出:

方程式 2 方程式 2

方程式 3 方程式 3

此電阻在分流電流為 1 A 時的功率耗散,可使用方程式 4 計算得出:

方程式 4 方程式 4

同步取樣 ADC 轉換

圖 2 的 ADC 會在相位週期的某個時刻將電壓轉換成數位形式。在進行這項測量時,必須要有全部三個繞組的同步相位電壓。由於這是平衡式系統,因此如前所述,只需要測量三個繞組中的兩個繞組,外部微控制器會計算第三個繞組的相位電壓。

此馬達控制系統適合使用的 ADC 是 AD7380 雙通道同步取樣 SAR-ADC (圖 4)。

Analog Devices 的 AD7380 SAR-ADC 圖片 (按此放大)圖 4:快速、低雜訊的雙通道同步取樣 SAR-ADC (如AD7380) 可擷取兩個馬達繞組的瞬時狀態。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

圖 4 中,AD8479 精密差動放大器具有一個超寬廣的輸入共模電壓範圍 (±600 V),可承受來自無感測器三相驅動器的較大馬達電流驅動偏移。AD8479 憑藉其特性,可在不需要電流隔離的應用中取代昂貴的隔離放大器。

此外,AD8479 還具有一些關鍵特性,包括低偏移電壓、低偏移電壓漂移、低增益漂移、低共模拒斥漂移,以及出色的共模拒斥比 (CMRR),可適應快速的馬達變化。

AD7380/AD7381 分別為 16 位元/14 位元的高速、低功率、雙通道同步取樣 SAR-ADC,具有高達 4 MSPS 的傳輸量。差動類比輸入可接受寬廣的共模輸入電壓範圍,且內含緩衝式內部 2.5 V 參考電壓 (REF)。

為了精確控制扭力和速度,雙通道同步取樣 SAR-ADC 的結構會瞬時擷取電流感測放大器的輸出。為此,AD7380/AD7381 有兩個相同且時脈同步的內部 ADC。兩者都具有電容式輸入級以及電容式電荷再分配網路 (圖 5)。

Analog Devices AD7380 雙通道其中一個通道 的 ADC 轉換級示意圖圖 5:此圖顯示 AD7380 雙通道其中一個通道的 ADC 轉換級。在 SW3 開啟且 SW1 和 SW2 關閉時,訊號開始擷取。此時,CS 兩端的電壓會隨著 AINx+ 和 AINx- 的變化而改變,這會導致比較器輸入變不平衡。(圖片來源:Analog Devices)

在圖 5 中,VREF 和接地是取樣電容 CS 兩端的初始電壓。若開啟 SW3 並關閉 SW1 和 SW2,即會啟動訊號擷取。當 SW1 和 SW2 關閉後,取樣電容 CS 兩端的電壓會根據 AINx+ 和 AINx- 下的電壓而變化,這會導致比較器輸入變不平衡。SW1 和 SW2 隨後開啟,就會擷取 CS 兩端的電壓。

這個 CS 電壓擷取過程需要使用數位類比轉換器 (DAC)。DAC 會從 CS 中加減固定量的電荷,讓比較器回到平衡狀態。此時,轉換即完成,SW1 和 SW2 會開啟,SW3 會關閉,以除去殘餘的電荷,並為下個取樣週期做準備。

在 DAC 轉換期間,控制邏輯會產生 ADC 輸出碼,並透過序列介面從元件存取資料。

結論

若要準確測量 BLDC 馬達的扭力和速度,可從準確、低成本的分流電阻開始。如本文所述,使用 PC 板走線就能以符合成本效益的方式達成。

只要再搭配 AD8479 電流感測放大器和 AD7380 同步取樣 SAR-ADC,設計人員就能針對嚴峻環境中的馬達控制應用,建立可靠耐用的高精密度扭力與速率控制系統測量前端。

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