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Come controllare con precisione la coppia e la velocità di un motore BLDC in applicazioni industriali

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

I motori c.c. brushless (BLDC) sono una parte integrante degli stabilimenti produttivi, destinati principalmente ad applicazioni di servomotori, attuazione, posizionamento e velocità variabile. In queste applicazioni, il controllo preciso del movimento e un funzionamento stabile rivestono un'importanza fondamentale. Poiché i BLDC operano secondo il principio di un campo magnetico in movimento per produrre la coppia del motore, quando si progetta un sistema BLDC industriale la maggiore difficoltà per il suo controllo è la misurazione accurata della coppia e della velocità del motore.

Per acquisire la coppia di un motore BLDC occorre misurare contemporaneamente due delle tre correnti di fase induttive con un convertitore analogico/digitale (ADC) multicanale a campionamento simultaneo. La terza corrente di fase istantanea viene calcolata da un microcontroller con appositi algoritmi. Questo processo richiede l'acquisizione istantanea e accurata della condizione del motore, un passo fondamentale nello sviluppo di un sistema di controllo della coppia affidabile e ad alta precisione.

Questo articolo illustra brevemente i problemi associati al raggiungimento di un controllo della coppia preciso, compreso un mezzo economico per implementare il necessario resistore di shunt. Introdurrà poi l'amplificatore differenziale di precisione AD8479 e l'ADC del registro ad approssimazioni successive a doppio campionamento (SAR-ADC) AD7380, entrambi di Analog Devices, e mostrerà come utilizzarli per ottenere misurazioni di fase accurate per progettare un sistema affidabile.

Come funzionano i motori BLDC

Un motore BLDC è un motore sincrono a magneti permanenti con una forma d'onda della forza controelettromotrice (f.c.e.m.). La forza controelettromotrice osservata non è costante ma cambia in base alla coppia e alla velocità del rotore. Anche se una sorgente di tensione c.c. non pilota direttamente il motore BLDC, il principio di funzionamento di base del BLDC è simile a quello di un motore a corrente continua.

Il motore BLDC ha un rotore con magneti permanenti e uno statore con avvolgimenti induttivi. Questo motore è essenzialmente di tipo a corrente continua invertito, senza spazzole e commutatore, e con gli avvolgimenti collegati direttamente all'elettronica di controllo. L'elettronica di controllo sostituisce la funzione del commutatore ed eccita gli avvolgimenti nella sequenza corretta per il movimento richiesto. Gli avvolgimenti in tensione ruotano in modo sincronizzato e bilanciato attorno allo statore. L'avvolgimento statorico alimentato conduce il magnete del rotore e commuta nell'attimo in cui il rotore si allinea con lo statore.

Il sistema dei motori BLDC richiede un driver per motori BLDC trifase, senza sensori, che genera le correnti nei tre avvolgimenti del motore (Figura 1). Il circuito viene alimentato tramite uno stadio di correzione del fattore di potenza (PFC) digitale con controllo della corrente di inserzione che fornisce un'alimentazione stabile per il driver trifase senza sensori.

Schema dei tre avvolgimenti del driver per motori BLDCFigura 1: Il sistema di controllo comprende un PFC per stabilizzare l'alimentazione, un driver trifase senza sensori per gli avvolgimenti del motore BLDC, resistori di shunt e amplificatori di rilevamento della corrente, un ADC simultaneo dell'amplificatore e un microcontroller. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Tre correnti di eccitazione pilotano il motore BLDC; ognuna di esse mette in tensione e crea le fasi negli avvolgimenti, ciascuno con fasi diverse la cui somma dà 360°. I valori delle fasi sono molto diversi: poiché l'eccitazione delle tre fasi sommate assieme dà 360°, per arrivare a questo risultato si equilibrano in modo uniforme, ad esempio 90° + 150° + 120°.

Anche se la corrente in tutti e tre gli avvolgimenti di un sistema deve essere nota in qualsiasi momento, per ottenere questo risultato in un sistema bilanciato, è necessario misurare le correnti di solo due dei tre avvolgimenti. Il terzo avvolgimento viene calcolato utilizzando un microcontroller. I due avvolgimenti vengono rilevati simultaneamente tramite resistori di shunt e amplificatori di rilevamento della corrente.

Al termine del percorso del segnale è richiesto un ADC a doppio campionamento simultaneo che invii al microcontroller i dati di misurazione digitali. L'ampiezza, la fase e la temporizzazione di ogni corrente di eccitazione forniscono le informazioni sulla coppia e la velocità del motore necessarie per un avere controllo preciso.

Rilevamento della corrente utilizzando resistori in rame su scheda a circuiti stampati

Un progetto di misurazione e acquisizione dati così preciso non è semplice e il processo inizia dal front-end con lo sviluppo di un modo efficace ed economico per rilevare il segnale di fase dell'avvolgimento del motore BLDC. A tale fine si può posizionare un piccolo ed economico resistore in linea per schede (RSHUNT) e usare un amplificatore per rilevamento di corrente per rilevare le cadute di tensione che lo attraversano (Figura 2). Ipotizzando che il valore del resistore sia abbastanza basso, anche la caduta di tensione sarà bassa e la strategia di misurazione avrà un effetto minimo sul circuito del motore.

Schema di AD8479 e di un ADC AD7380 ad alta risoluzione di Analog DevicesFigura 2: Sistema di rilevamento della fase del motore utilizzando un resistore di shunt della corrente (RSHUNT) per misurare la fase istantanea del motore con un amplificatore ad alta precisione, come AD8479 e un ADC ad alta risoluzione (AD7380) di Analog Devices. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Nella Figura 2, l'amplificatore per rilevamento di corrente acquisisce la caduta di tensione istantanea di IPHASE x RSHUNT. Il SAR-ADC digitalizza quindi questo segnale. Il valore di selezione del resistore della corrente di shunt implica interazioni tra RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT ed errori di ingresso dell'amplificatore.

Un aumento in RSHUNT causa un aumento in VSHUNT. La buona notizia è che in questo modo si riduce la portata degli errori di offset di tensione dell'amplificatore (VOS) e di quelli di offset di corrente di polarizzazione in ingresso (IOS). Tuttavia, la perdita di potenza ISHUNT x RSHUNT con un grande RSHUNT riduce il rendimento in potenza del sistema. Inoltre, la potenza nominale di RSHUNT incide sull'affidabilità del sistema, dato che la dissipazione di potenza ISHUNT x RSHUNT può produrre una condizione di autoriscaldamento che può portare a un cambiamento nella resistenza nominale RSHUNT.

Per RSHUNT, sono disponibili resistori per usi speciali di diversi fornitori. Esiste però anche un'alternativa a basso costo che consiste nell'usare tecniche di layout attento per costruire una resistenza tramite una pista su CS per RSHUNT (Figura 3).

Schema delle tecniche di layout delle schedeFigura 3: Le tecniche di layout attento sono un modo economico di creare il valore RSHUNT appropriato. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Calcolo della pista su CS per RSHUNT

Dato che nelle applicazioni industriali le temperature possono essere estreme, è importante tenerne conto nel progetto di un resistore di shunt su scheda. Nella Figura 3, il coefficiente di temperatura (α20) di un resistore di shunt su scheda in rame a 20 °C è di circa +0,39%/°C (il coefficiente varia in base alla temperatura). La lunghezza (L), lo spessore (t), la larghezza (W) e la resistività (rñ) determinano la resistenza della pista su CS.

Se una scheda ha 28,35 grammi di rame (Cu), lo spessore (t) è pari a 0,035 mm e la resistività (r) è pari a 0,6787 µW per 25,4 mm. L'area della pista della scheda è misurata in termini di quadrato (•), che è un'area di L/W. Ad esempio, una pista di 51 mm con una larghezza di 6,35 mm è una struttura a 8 .

Con le variabili di cui sopra, la resistenza della pista di 28,35 grammi di rame (Cu) della scheda, R•, a temperatura ambiente, viene calcolata utilizzando l'Equazione 1:

Equazione 1 Equazione 1

Dove T = temperatura del resistore.

Ad esempio, iniziando con una corrente di 1 A (massimo) per ogni fase del motore BLDC su una scheda in rame di 28,35 grammi, una lunghezza (L) RSENSE di 25,4 mm e una larghezza della pista di 1,27 mm, RSHUNT a 20 °C può essere calcolato utilizzando le Equazioni 2 e 3:

Equazione 2 Equazione 2

Equazione 3 Equazione 3

La dissipazione di potenza di questo resistore con una corrente di shunt di 1 A viene calcolata utilizzando l'Equazione 4:

Equazione 4 Equazione 4

Conversione ADC a campionamento simultaneo

L'ADC nella Figura 2 converte la tensione in un punto del ciclo di fase in una rappresentazione digitale. È fondamentale che questa misurazione comprenda la tensione di fase simultanea di tutti e tre gli avvolgimenti. Questo è un sistema bilanciato, quindi, come già accennato in precedenza, è necessario misurare solo due dei tre avvolgimenti; la tensione di fase del terzo viene calcolata da un microcontroller esterno.

Un ADC appropriato per questo sistema di controllo motori è SAR-ADC a doppio campionamento simultaneo AD7380 (Figura 4).

Schema di SAR-ADC AD7380 di Analog Devices (fare clic per ingrandire)Figura 4: Un SAR-ADC a doppio campionamento simultaneo, rapido e a basso rumore come AD7380 può acquisire i valori istantanei di due degli avvolgimenti del motore. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Nella Figura 4, AD8479 è un amplificatore differenziale di precisione con un intervallo della tensione di ingresso di modo comune molto alto (±600 V) per resistere ad ampie escursioni di pilotaggio della corrente del motore dal driver trifase senza sensori. Le caratteristiche di AD8479 sono tali per cui può essere usato al posto di costosi amplificatori di isolamento in applicazioni che non richiedono isolamento galvanico.

Le caratteristiche chiave di AD8479 includono anche una bassa tensione di offset, una bassa deriva della tensione di offset e del guadagno, una bassa deriva di reiezione di modo comune e un eccellente rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) per adattarsi ai rapidi cambiamenti del motore.

AD7380/AD7381 sono SAR-ADC rispettivamente a 16 bit/14 bit, doppio campionamento simultaneo, alta velocità, basso consumo, con velocità di throughput fino a 4 Msps. L'ingresso analogico differenziale accetta un'ampia tensione di ingresso di modo comune. È incluso un riferimento interno bufferizzato (REF) a 2,5 V.

Per ottenere un controllo preciso della coppia e della velocità, la struttura di SAR-ADC a doppio campionamento simultaneo esegue un'acquisizione istantanea dell'uscita dell'amplificatore di rilevamento della corrente. Per questo, AD7380/AD7381 hanno due ADC interni identici con clock simultaneo. Ognuno di essi ha anche uno stadio di ingresso capacitivo con una rete di ridistribuzione della carica capacitiva (Figura 5).

Schema della fase di conversione ADC per uno dei due canali di AD7380 di Analog DevicesFigura 5: Fase di conversione ADC per uno dei due canali di AD7380. L'acquisizione dei segnali inizia quando SW3 si apre e SW1 e SW2 si chiudono. A quel punto, la tensione che attraversa CS cambia in AINx+ e AINx-, causando lo sbilanciamento degli ingressi del comparatore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 5, VREF e la terra sono le tensioni iniziali che attraversano i condensatori di campionamento, CS. L'apertura di SW3 e la chiusura di SW1 e SW2 danno avvio all'acquisizione dei segnali. Quando SW1 e SW2 si chiudono, la tensione che attraversa i condensatori di campionamento, CS, cambia secondo la tensione in AINx+ e AINx-, causando lo sbilanciamento degli ingressi del comparatore. Dopo di che SW1 e SW2 si aprono e viene acquisita la tensione che attraversa CS.

Il processo di acquisizione della tensione CS coinvolge i convertitori digitali/analogici (DAC). I DAC sommano e sottraggono quantità fisse di carica da CS per riportare il comparatore in una condizione bilanciata. A questo punto la conversione è completa, SW1 e SW2 si aprono e SW3 si chiude per rimuovere la carica residua e prepararsi per il successivo ciclo di campionamento.

Durante il tempo di conversione DAC, la logica di controllo genera il codice di uscita ADC e l'accesso ai dati avviene dal dispositivo tramite un'interfaccia seriale.

Conclusione

La misurazione accurata della coppia e della velocità di un motore BLDC inizia con un resistore di shunt accurato e a basso costo. Come è stato dimostrato, può essere implementato a costi contenuti utilizzando la pista di una scheda.

Se il resistore viene abbinato a un amplificatore per rilevamento di corrente AD8479 e a un SAR-ADC a campionamento simultaneo AD7380, il progettista può creare un front-end di misurazione per un sistema di controllo della coppia e della velocità affidabile e di alta precisione per applicazioni di controllo motori in condizioni ambientali difficili.

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