【導(dǎo)讀】無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)車間不可或缺的一部分，主要用于伺服、致動(dòng)、定位和變速應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，精確的運(yùn)動(dòng)控制和穩(wěn)定的運(yùn)行至關(guān)重要。由于 BLDC 基于運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的原理運(yùn)行以產(chǎn)生電機(jī)扭矩，因此在設(shè)計(jì)工業(yè) BLDC 系統(tǒng)時(shí)，主要的控制挑戰(zhàn)在于準(zhǔn)確地測(cè)量電機(jī)的扭矩和速度。
無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)車間不可或缺的一部分，主要用于伺服、致動(dòng)、定位和變速應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，精確的運(yùn)動(dòng)控制和穩(wěn)定的運(yùn)行至關(guān)重要。由于 BLDC 基于運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的原理運(yùn)行以產(chǎn)生電機(jī)扭矩，因此在設(shè)計(jì)工業(yè) BLDC 系統(tǒng)時(shí)，主要的控制挑戰(zhàn)在于準(zhǔn)確地測(cè)量電機(jī)的扭矩和速度。
為了捕獲 BLDC 電機(jī)的扭矩，需要使用多通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 同時(shí)測(cè)量三個(gè)感應(yīng)相電流中的兩個(gè)。由具有合適算法的微控制器計(jì)算第三個(gè)瞬時(shí)相電流。此過(guò)程可以準(zhǔn)確、即時(shí)地記錄電機(jī)狀況，而這是開(kāi)發(fā)堅(jiān)固耐用的高精度電機(jī)扭矩控制系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟。
本文將簡(jiǎn)要討論與實(shí)現(xiàn)精確的扭矩控制相關(guān)的問(wèn)題，包括一種實(shí)現(xiàn)所需分流電阻器的經(jīng)濟(jì)高效的方法。然后介紹 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)，并展示如何將它們用于獲取精確的相位測(cè)量值，以實(shí)現(xiàn)可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
BLDC 電機(jī)的工作原理
BLDC 電機(jī)是具有反電動(dòng)勢(shì) (EMF) 波形的永磁同步電機(jī)。觀察到的端子反電動(dòng)勢(shì)并非恒定的；它會(huì)隨著轉(zhuǎn)子的扭矩和速度而變化。雖然直流電壓源不能直接驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)，但 BLDC 的基本工作原理與直流電機(jī)相似。
BLDC 電機(jī)包含一個(gè)具有永磁體的轉(zhuǎn)子和一個(gè)具有感應(yīng)繞組的定子。這種電機(jī)本質(zhì)上是一種外翻的直流電機(jī)，其中消除了電刷和換向器，然后將繞組直接連接到控制電子設(shè)備。控制電子設(shè)備取代了換向器的功能，以正確的順序?yàn)槔@組通電，獲得所需的運(yùn)動(dòng)。通電的繞組以同步、平衡的模式圍繞定子旋轉(zhuǎn)。通電的定子繞組引導(dǎo)轉(zhuǎn)子磁鐵，并在轉(zhuǎn)子與定子對(duì)齊時(shí)開(kāi)關(guān)。
BLDC 電機(jī)系統(tǒng)需要一個(gè)三相無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器在電機(jī)的三個(gè)繞組中產(chǎn)生電流（圖 1）。電路通過(guò)具有涌流控制的數(shù)字功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)供電，可為三相無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)器提供穩(wěn)定的電力。
圖 1：電機(jī)控制系統(tǒng)包括用于穩(wěn)定電源的 PFC、用于 BLDC 電機(jī)繞組的三相無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)器、分流電阻和電流檢測(cè)放大器、同步放大器 ADC 以及微控制器。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
三個(gè)激勵(lì)電流驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)，每個(gè)在繞組中激勵(lì)并產(chǎn)生不同的相位，這些相位合計(jì)為 360°。不同的相位值很重要：由于三個(gè)分支的總激勵(lì)保持 360°，因此它們會(huì)均勻相抵以保持 360°，例如 90° + 150° + 120°。
盡管在任意給定時(shí)間都必須獲知系統(tǒng)所有三個(gè)繞組的電流，但要在平衡系統(tǒng)中做到這一點(diǎn)，只需要測(cè)量三個(gè)繞組中兩個(gè)繞組的電流，并使用微控制器計(jì)算第三個(gè)繞組。這兩個(gè)繞組可使用分流電阻器和電流檢測(cè)放大器同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。
信號(hào)路徑的末端需要一個(gè)雙通道同步采樣 ADC，用于將數(shù)字測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到微控制器。每個(gè)激勵(lì)電流的幅度、相位和定時(shí)提供了精確控制所需的電機(jī)扭矩和速度信息。
使用 PC 板銅電阻器的電流檢測(cè)
盡管在這種精確的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)中有很多需要關(guān)注的問(wèn)題，但此過(guò)程始于前端，需要開(kāi)發(fā)一種有效的低成本方式來(lái)感測(cè) BLDC 電機(jī)繞組的相位信號(hào)。若要做到這一點(diǎn)，可通過(guò)放置一個(gè)較小值的直插式 PC 板電阻器 (RSHUNT)，并使用電流檢測(cè)放大器來(lái)檢測(cè)該小電阻器上的電壓降（圖 2）。假設(shè)電阻值足夠低，那么電壓降也很低，并且測(cè)量策略對(duì)電機(jī)電路的影響極小。
圖 2：電機(jī)相位感測(cè)系統(tǒng)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(cè)量瞬時(shí)電機(jī)相位。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
在圖 2 中，電流檢測(cè)放大器捕獲了 IPHASE x RSHUNT 的瞬時(shí)電壓降。然后，SAR-ADC 將此信號(hào)數(shù)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(dǎo)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(huì)降低系統(tǒng)的功率效率。同樣，RSHUNT 的額定功率也會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性，因?yàn)?ISHUNT x RSHUNT 功率耗散會(huì)產(chǎn)生自熱狀態(tài)，而這可能導(dǎo)致標(biāo)稱 RSHUNT 電阻發(fā)生變化。
對(duì)于 RSHUNT，可以從多家供應(yīng)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(yùn)用細(xì)致的布局技術(shù)來(lái)制造 PC 板印制線電阻 RSHUNT（圖 3）。
圖 3：細(xì)致的 PC 板布局技術(shù)提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方法來(lái)創(chuàng)建適當(dāng)?shù)?RSHUNT 值。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
計(jì)算 RSHUNT 對(duì)應(yīng)的 PC 板印制線電阻
由于工業(yè)應(yīng)用中可能出現(xiàn)極端溫度，因此在電路板分流電阻器設(shè)計(jì)中需要考慮溫度因素，這一點(diǎn)很重要。在圖 3 中，銅 PC 板印制線分流電阻器在 20°C 時(shí)的溫度系數(shù) (α20) 約為 +0.39％/°C（該系數(shù)會(huì)隨溫度而變化）。長(zhǎng)度 (L)、厚度 (t)、寬度 (W) 和電阻率 (rñ) 決定了 PC 板印制線電阻。
如果 PC 板具有 1 盎司 (oz) 銅 (Cu)，則厚度 (t) 等于千分之 1.37 英寸，電阻率 (r) 等于每英寸 0.6787 微歐 (µW)。PC 板印制線面積按印制線方框 (?)，即 L/W 面積進(jìn)行度量。例如，寬度為 0.25 英寸的 2 英寸 (in.) 印制線對(duì)應(yīng) 8 個(gè) 結(jié)構(gòu)。
利用上述變量，通過(guò)（公式 1）計(jì)算在室溫下 PC 板 1 盎司銅的印制線電阻 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(gè) BLDC 電機(jī)分支的最大電流為 1 安培 (A)，RSENSE 長(zhǎng)度 (L) 為 1 英寸，印制線寬度為 50 密耳（0.05 英寸）開(kāi)始，可使用公式 2 和 3 計(jì)算 20°C 時(shí)的 RSHUNT：
公式 2
公式 3通過(guò)公式 4 計(jì)算此電阻器在分流電流為 1 A 時(shí)的功率耗散：
公式 4同步采樣 ADC 轉(zhuǎn)換
圖 2 中的 ADC 將相位周期中某一點(diǎn)的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。關(guān)鍵一點(diǎn)是，該測(cè)量應(yīng)包含所有三個(gè)繞組的同步相電壓。這是一個(gè)平衡的系統(tǒng)，因此如前所述，只需測(cè)量三個(gè)繞組中的兩個(gè)；外部微控制器將會(huì)計(jì)算第三個(gè)繞組的相電壓。
此電機(jī)控制系統(tǒng)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(gè)電機(jī)繞組的瞬時(shí)狀態(tài)。（圖片來(lái)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范圍（±600 伏），可承受來(lái)自三相無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)器的寬電機(jī)電流驅(qū)動(dòng)偏移。AD8479 的特性使其在不要求電流隔離的應(yīng)用中可以取代昂貴的隔離放大器。
AD8479 的關(guān)鍵特性還包括低補(bǔ)償電壓、低補(bǔ)償電壓漂移、低增益漂移、低共模抑制漂移，以及出色的共模抑制比 (CMRR)，可適應(yīng)快速的電機(jī)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(dá)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，并且內(nèi)置一個(gè) 2.5 伏緩沖基準(zhǔn) (REF) 電壓源。
為了實(shí)現(xiàn)精確的扭矩和速度控制，雙通道同步采樣 SAR-ADC 結(jié)構(gòu)可即時(shí)捕獲電流檢測(cè)放大器的輸出。為此，AD7380/AD7381 內(nèi)置了兩個(gè)具有同步時(shí)鐘的相同 ADC。它們還分別擁有一個(gè)帶有容性電荷再分配網(wǎng)絡(luò)的容性輸入級(jí)（圖 5）。
圖 5：所示為 AD7380 兩個(gè)通道之一的 ADC 轉(zhuǎn)換級(jí)。當(dāng) SW3 開(kāi)路并且 SW1 和 SW2 閉合時(shí)，信號(hào)采集開(kāi)始。此時(shí)，CS 兩端的電壓隨著 AINx+ 和 AINx- 的變化而變化，導(dǎo)致比較器輸入失去平衡。（圖片來(lái)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(kāi)路并閉合 SW1 和 SW2，則將啟動(dòng)信號(hào)采集。當(dāng) SW1 和 SW2 閉合時(shí)，采樣電容器 CS 兩端的電壓隨 AINx+ 和 AINx- 處的電壓而變化，導(dǎo)致比較器輸入失去平衡。然后將 SW1 和 SW2 開(kāi)路，并捕獲 CS 兩端的電壓。
CS 電壓捕獲過(guò)程涉及到數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。DAC 加上和減去來(lái)自 CS 的固定電荷量，使得比較器恢復(fù)平衡狀態(tài)。至此，轉(zhuǎn)換完成，將 SW1 和 SW2 開(kāi)路并閉合 SW3，以去除殘留電荷并準(zhǔn)備下一個(gè)采樣周期。
在 DAC 轉(zhuǎn)換期間，控制邏輯生成 ADC 輸出代碼，并通過(guò)串行接口訪問(wèn)器件的數(shù)據(jù)。
總結(jié)
若要精確測(cè)量 BLDC 電機(jī)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 板印制線經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)此電阻器。
通過(guò)將此器件添加到 AD8479 電流檢測(cè)放大器和 AD7380 同步采樣 SAR-ADC 的組合中，設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建穩(wěn)健的高精度扭矩和速度控制系統(tǒng)測(cè)量前端，以用于惡劣環(huán)境下的電機(jī)控制應(yīng)用。
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