Miten BLDC-moottorin vääntömomenttia ja nopeutta voi ohjata tarkasti teollisissa sovelluksissa

Harjattomat DC-moottorit (BLDC-moottorit) ovat teollisten tuotantotilojen keskeinen osa. Niitä käytetään etenkin servoissa, käyttölaitteissa, asemoinnissa sekä sovelluksissa, joissa vaaditaan muuttuvaa nopeutta. Liikkeen tarkka ohjaus ja vakaa toiminta ovat kriittisiä näissä käyttökohteissa. Koska BLDC:t tuottavat moottorin vääntömomentin liikkuvan magneettikentän perusteella, teollista BLDC-järjestelmää suunniteltaessa ohjauksen ensisijainen haaste on se, miten moottorin vääntömomentti ja nopeus voidaan mitata tarkasti.

Jotta BLDC-moottorin vääntömomentti saadaan tietoon, on mitattava kaksi kolmesta induktiivisesta vaihevirrasta samanaikaisesti monikanavaisella, samanaikaista näytteenottoa tukevalla analogi-digitaalimuuntimella (ADC). Sopivilla algoritmeilla varustettu mikro-ohjain laskee kolmannen hetkellisen vaihevirran. Tällä prosessilla saadaan tarkka hetkellinen tilannekuva moottorista, mikä on keskeinen vaihe tarkan ja kestävän moottorin vääntömomentin ohjausjärjestelmän kehittämisessä.

Tässä artikkelissa kerrotaan lyhyesti tarkkaan vääntömomentin ohjaukseen liittyvistä haasteista ja kuvataan kustannustehokas tapa toteuttaa vaadittu sivupiirivastus. Sen jälkeen esitellään tarkkuustoiminen differentiaalivahvistin AD8479 sekä kaksinkertaista näytteenottoa tukeva peräkkäislikiarvorekisteriä käyttävä analogi-digitaalimuunnin (SAR-ADC) AD7380, joiden molempien valmistaja on Analog Devices. Lopuksi näytetään, miten niitä voidaan käyttää kestävään järjestelmäsuunnitteluun tarvittavien tarkkojen vaihemittausten tekemiseen.

BLDC-moottorien toiminta

BLDC-moottori on kestomagneettia käyttävä synkroninen moottori, joka tuottaa vastasähkömotorisen voiman (EMF) aaltomuotoa. Havaittu EMF ei ole vakio, vaan se muuttuu roottorin vääntömomentin ja nopeuden mukaan. Vaikka DC-jännitelähde ei ohjaakaan BLDC-moottoria suoraan, BLDC:n toimintaperiaate muistuttaa DC-moottorin toimintaa.

BLDC-moottorissa on kestomagneeteilla varustettu roottori ja staattori, jossa on induktiiviset käämit. Tämä moottorityyppi on käytännössä DC-moottori, joka on käännetty nurinpäin poistamalla harjat ja virrankäännin sekä kytkemällä sen jälkeen käämitys suoraan ohjauselektroniikkaan. Ohjauselektroniikka korvaa virrankääntimen toiminnan ja kytkee virran käämiin oikeassa järjestyksessä, jotta toivottu liike saavutetaan. Sähköistetyt käämit pyörivät staattorin ympäri synkronoidusti ja tasapainossa.  Staattorin sähköistetty käämi seuraa roottorin magneettia ja kytkeytyy juuri silloin, kun roottori kohdistuu staattorin kanssa.

BLDC-moottorijärjestelmä vaatii kolmivaiheisen, anturittoman BLDC-moottoriohjaimen, joka synnyttää virrat moottorin kolmeen käämiin (kuva 1). Piiriä syötetään syöksyvirran ohjauksella varustetun digitaalisen tehokertoimen korjausasteen (PFC) kautta, joka tuottaa vakaata tehoa anturittomalle kolmivaiheiselle ohjaimelle.

Kuva 1: Moottorin ohjausjärjestelmä koostuu virran stabilointiin käytettävästä PFC:stä, BLDC-moottorin käämityksen kolmivaiheisesta anturittomasta ohjaimesta, sivupiirivastuksista ja virranmittausvahvistimista, samanaikaista näytteenottoa tukevasta ADC:stä sekä mikro-ohjaimesta. (Kuvan lähde: DigiKey)

BLDC-moottoria ohjaa kolme herätysvirtaa, jotka synnyttävät vaiheet käämeissä. Niistä jokaisella on erillinen vaihe ja vaiheiden summa on 360°. Vaiheen arvojen ero on tärkeä: koska kolmen haaran herätteiden summa on 360°, vaiheet tasapainottavat toisiaan siten, että ne ovat yhteensä 360°, esimerkiksi 90° + 150° + 120°.

Vaikka järjestelmän kaikkien käämien virta tulee tietää millä tahansa hetkellä, tasapainotetussa järjestelmässä virtaa tarvitsee mitata vain kahdessa käämissä kolmesta. Kolmas käämi lasketaan mikro-ohjaimen avulla. Kaksi käämiä tunnistetaan samanaikaisesti sivupiirivastusten ja virtamittausvahvistimien avulla.

Signaalitien päähän tarvitaan kaksinkertaista samanaikaista näytteenottoa tukeva ADC, joka lähettää digitaalisen mittausdatan mikrokontrollerille. Tarkkaan ohjaukseen tarvittava moottorin vääntömomentti- ja nopeustieto saadaan, kun kunkin herätevirran suuruus, vaihe ja ajoitus saadaan määritettyä.

Virranmittaus piirilevyn kuparivastusten avulla

Vaikka näin tarkassa mittauksessa ja tiedonkeruussa on otettava huomioon monenlaisia seikkoja, prosessi alkaa siitä, että kehitetään tehokas ja edullinen tapa tunnistaa BLDC-moottorin käämien vaihesignaali. Tämä voidaan tehdä asentamalla linjaan arvoltaan pieni piirilevyvastus (R_SHUNT) ja mittaamalla virranmittausvahvistimella jännitehäviö sen yli(kuva 2). Jos vastuksen arvo on riittävän pieni, myös jännitehäviö on pieni eikä mittausstrategia vaikuta juurikaan moottorin virtapiiriin.

Kuva 2: Moottorin vaiheentunnistusjärjestelmä, jossa käytetään virran sivupiirivastusta (R_SHUNT) moottorin hetkellisen vaiheen mittaukseen tarkalla vahvistimella, kuten Analog Devices AD8479:llä, ja korkean tarkkuuden ADC-piirillä (AD7380). (Kuvan lähde: DigiKey)

Kuvassa 2 virranmittausvahvistin tallentaa hetkellisen jännitehäviön I_PHASE x R_SHUNT. Sen jälkeen SAR-ADC digitoi tämän signaalin. Sivupiirivastuksen arvon valinnassa on huomioitava, miten arvot R_SHUNT, V_SHUNT, I_SHUNT ja vahvistimen tulon virheet vaikuttavat toisiinsa.

Kun R_SHUNT kasvaa, myös V_SHUNT kasvaa. Hyvä puoli on, että tämä vähentää vahvistimen jännitesiirrosta (V_OS) ja tulon esivirran siirrosta (I_OS) johtuvien virheiden merkitystä. Jos R_SHUNT on kuitenkin suuri, tehohäviö I_SHUNT x R_SHUNT pienentää järjestelmän hyötysuhdetta. R_SHUNT:n teholuokitus vaikuttaa myös järjestelmän luotettavuuteen, sillä tehohäviö I_SHUNT x R_SHUNT voi tuottaa itsestään lämpiävän tilanteen, joka voi muuttaa R_SHUNT:n nimellisvastusta.

Useilta toimittajilta on saatavana erikoisvastuksia, jotka soveltuvat R_SHUNT-käyttöön. Edullinen vaihtoehto on kuitenkin turvautua huolelliseen suunnitteluun ja tehdä piirilevyn johtimelle tietty R_SHUNT-arvo (kuva 3).

Kuva 3: Huolellinen piirilevysuunnittelu on kustannustehokas tapa toteuttaa sopiva R_SHUNT-arvo. (Kuvan lähde: DigiKey)

Piirilevyn johtimen R_SHUNT-arvon laskenta

Koska lämpötilat voivat teollisissa käyttökohteissa olla äärimmäisiä, on tärkeää ottaa huomioon myös lämpötilan vaikutus, kun piirilevylle suunnitellaan sivupiirivastusta. Kuvassa 3 kuparisen, piirilevyjohtimesta koostuvan sivupiirivastuksen lämpötilakerroin (α₂₀) 20 °C:n lämpötilassa on noin +0,39 %/°C (kerroin vaihtelee lämpötilan mukaan). Piirilevyn johtimen vastuksen määrittävät pituus (L), paksuus (t), leveys (W) ja resistiivisyys (rñ).

Jos piirilevyllä on 1 unssi (oz) kuparia (Cu), paksuus (t) on 1,37 tuuman tuhannesosaa ja resistiivisyys (r) on 0,6787 mikro-ohmia (µW) tuumaa kohti. Piirilevyn johtimen alan mittayksikkö on johtimen neliö (•), joka saadaan pituudesta ja leveydestä. Jos esimerkiksi johtimen pituus on 2 tuumaa ja leveys 0,25 tuumaa, rakenteen ala on 8 •.

Yllä olevien muuttujien avulla piirilevyn 1 unssin painoisen kuparijohtimen resistanssi R_• huoneenlämmössä lasketaan seuraavasti (yhtälö 1):

Yhtälö 1

Missä T = lämpötila vastuksen kohdalla.

Jos esimerkiksi aloitetaan 1 ampeerin (A) (enimmäis-)virrasta yhtä BLDC-moottorin haaraa kohti piirilevyllä, jossa on 1 unssi kuparia, R_SENSE:n pituus (L) on 1 tuuma ja johtimen leveys 50 mil (0,05 tuumaa), R_SHUNT 20 °C:n lämpötilassa voidaan laskea yhtälöillä 2 ja 3:

Yhtälö 2

Yhtälö 3

Tämän vastuksen virtahäviö 1 A:n sivupiirivirralla lasketaan yhtälöllä 4:

Yhtälö 4

Samanaikaista näytteenottoa tukevan ADC:n muunnos

Kuvan 2 ADC muuntaa jännitteen tietyssä vaihesyklin kohdassa digitaaliseksi esitykseksi. Tässä mittauksessa on keskeistä saada kaikkien kolmen käämin samanaikainen vaihejännite. Kyseessä on tasapainotettu järjestelmä, joten yllä kuvatun mukaisesti vain kaksi kolmesta käämistä on tarpeen mitata, sillä ulkoinen mikro-ohjain laskee kolmannen käämin vaihejännitteen.

Tälle moottorinohjausjärjestelmälle sopiva ADC on AD7380, kaksinkertaista samanaikaista näytteenottoa tukeva SAR-ADC (Kuva 4).

Kuva 4: Nopea, kohinaltaan alhainen ja kaksinkertaista samanaikaista näytteenottoa tukeva SAR-ADC, kuten AD7380, voi tallentaa hetkellisen kuvan kahdesta moottorin käämistä. (Kuvan lähde: DigiKey)

Kuvassa 4 on AD8479, suuren tarkkuuden differentiaalivahvistin, jonka erittäin suuri tulon yhteisjännitealue (±600 volttia) kestää kolmivaiheisen anturittoman ohjaimen tuottamat laajat moottorin ohjausvirtapoikkeamat. AD8479:n ominaisuuksien ansiosta sillä voidaan korvata kalliit eristysvahvistimet sovelluksissa, joissa ei vaadita galvaanista eristystä.

AD8479:n tärkeimpiä ominaisuuksia ovat alhainen siirrosjännite, pieni siirrosjännitteen poikkeama, pieni vahvistuksen poikkeama, pieni yhteisjännitevaimennuksen poikkeama sekä erinomainen yhteisjännitevaimennuskerroin (CMRR), joka mahdollistaa nopeat moottorin vaihdokset.

AD7380 (16-bittinen) ja AD7381 (14-bittinen) on kaksinkertaista samanaikaista näytteenottoa tukeva, nopea, vähävirtainen SAR-ADC, jonka käsittelynopeus on jopa 4 miljoonaa näytettä sekunnissa. Differentiaalinen analogitulo hyväksyy laajan yhteisjännitealueen. Komponenttiin sisältyy puskuroitu sisäinen 2,5 voltin referenssi (REF).

Tarkan vääntömomentin ja nopeuden ohjausta varten kaksinkertaista samanaikaista näytteenottoa tukeva SAR-ADC-rakenne ottaa hetkellisen tilannekuvan virranmittausvahvistimen lähdöstä. AD7380/AD7381:ssä on tätä varten kaksi identtistä sisäistä ADC:tä, jotka on kellotettu samaan aikaan. Niissä molemmissa on myös kapasitiivinen tuloaste ja kapasitiivisen varauksen jakeluverkko (kuva 5).

Kuva 5: Tässä näkyy ADC-muunnosvaihe toisessa AD7380:n kahdesta kanavasta. Signaalin tallennus alkaa, kun S_W3 on avoinna ja S_W1 ja S_W2 suljetaan. Tässä vaiheessa jännite C_S:n yli vaihtuu arvoihin A_INx+ ja A_INx-, jolloin komparaattorin tuloihin muodostuu epätasapaino. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvassa 5 V_REF ja maadoitus ovat alkujännitteet näytteenottokondensaattorien C_S yli. S_W3:n avaaminen ja S_W1:n ja S_W2:n sulkeminen aloittaa signaalin tallennuksen. Kun S_W1 ja S_W2 sulkeutuvat, jännite näytteenottokondensaattorien C_S yli muuttuu jännitteeksi A_INx+ ja A_INx-, jolloin komparaattorin tuloihin muodostuu epätasapaino. Tällöin SW1 ja SW2 avautuvat ja jännite C_S:n yli tallennetaan.

C_S:n jännitteen tallennusprosessiin liittyvät digitaali-analogimuuntimet (DAC:t). DAC:t lisäävät ja vähentävät kiinteät varausmäärät C_S:stä, jotta komparaattorin tasapaino palautuu. Muunnos on nyt valmis. S_W1 ja S_W2 avautuvat ja S_W3 sulkeutuu, jäljellä oleva varaus poistuu ja laite valmistautuu seuraavaan näytteenottosykliin.

Ohjauslogiikka synnyttää ADC:n lähtökoodin DAC:n muunnoksen aikana, ja tietoja voidaan lukea laitteelta sarjaliitännän kautta.

Yhteenveto

BLDC-moottorin vääntömomentin tarkka mittaus alkaa tarkasta ja edullisesta sivupiirivastuksesta. Kuten edellä on esitetty, tämä voidaan tehdä kustannustehokkaasti käyttämällä piirilevyn johdinta.

Kun yhdistelmään lisätään AD8479-virranmittausvahvistin ja samanaikaista näytteenottoa tukeva SAR-ADC AD7380, voidaan suunnitella tarkka, kestävä vääntömomentin ja nopeuden mittausjärjestelmä moottorin ohjaamiseksi vaativissa olosuhteissa.