Wie man Drehmoment und Drehzahl eines BLDC-Motors in industriellen Anwendungen genau steuert

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) sind ein integraler Bestandteil der industriellen Produktion, hauptsächlich für den Einsatz in Servo-, Stell-, Positionier- und variablen Geschwindigkeitsanwendungen. Bei diesen Anwendungen sind eine präzise Bewegungssteuerung und ein stabiler Betrieb entscheidend. Da BLDCs nach dem Prinzip eines sich bewegenden Magnetfeldes arbeiten, um das Drehmoment des Motors zu erzeugen, besteht die primäre Herausforderung bei der Entwicklung eines industriellen BLDC-Systems darin, das Drehmoment und die Drehzahl des Motors genau zu messen.

Um das Drehmoment des BLDC-Motors zu erfassen, müssen zwei der drei induktiven Phasenströme gleichzeitig mit einem mehrkanaligen, simultan abtastenden Analog-Digital-Wandler (ADC) gemessen werden. Ein Mikrocontroller mit geeigneten Algorithmen berechnet den dritten momentanen Phasenstrom. Dieser Prozess nimmt eine genaue, augenblickliche Momentaufnahme des Motorzustands auf, ein Schlüsselschritt bei der Entwicklung eines hochpräzisen, robusten Motordrehmomentsteuerungssystems.

In diesem Artikel werden kurz die Probleme im Zusammenhang mit der Erzielung einer präzisen Drehmomentsteuerung erörtert, einschließlich einer kostengünstigen Möglichkeit zur Implementierung eines erforderlichen Nebenschlusswiderstandes. Anschließend werden der Präzisionsdifferenzverstärker AD8479 und der Dual-Sampling-Sukzessiv-Approximationsregister-ADC (SAR-ADC) AD7380, beide von Analog Devices, vorgestellt und gezeigt, wie sie zur Erzielung genauer Phasenmessungen für ein robustes Systemdesign verwendet werden können.

Wie BLDC-Motoren funktionieren

Ein BLDC-Motor ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor der eine elektromotorische Gegenkraft (EMK) erzeugt. Die beobachtete rückwirkende EMK ist nicht konstant; sie ändert sich sowohl mit dem Drehmoment als auch mit der Drehzahl des Rotors. Während eine Gleichspannungsquelle den BLDC-Motor nicht direkt antreibt, ist das grundlegende Funktionsprinzip des BLDC-Motors ähnlich wie bei einem Gleichstrommotor.

Der BLDC-Motor hat einen Rotor mit Permanentmagneten und einen Stator mit induktiven Wicklungen. Bei diesem Motortyp handelt es sich im Wesentlichen um einen Gleichstrommotor, der durch Eliminierung der Bürsten und des Kommutators auf der Innenseite gedreht und die Wicklungen direkt an die Steuerelektronik angeschlossen wird. Die Steuerelektronik ersetzt die Kommutatorfunktion und erregt die Wicklungen in der richtigen Reihenfolge für die erforderliche Bewegung. Die erregten Wicklungen drehen sich in einem synchronisierten, ausgeglichenen Muster um den Stator. Die gespeiste Statorwicklung führt den Rotormagneten und schaltet sobald sich der Rotor mit dem Stator ausrichtet.

Das BLDC-Motorsystem erfordert einen dreiphasigen, sensorlosen BLDC-Motortreiber, der die Ströme in den drei Wicklungen des Motors erzeugt (Abbildung 1). Die Schaltung wird über eine digitale Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC) mit Einschaltstromregelung gespeist, die eine stabile Leistung für den sensorlosen Dreiphasen-Treiber liefert.

Abbildung 1: Das Motorsteuerungssystem besteht aus einer PFC zur Stabilisierung der Leistung, einem dreiphasigen sensorlosen Treiber für die BLDC-Motorwicklungen, Shunt-Widerständen und Stromerfassungsverstärkern, einem simultanen Verstärker-ADC und einem Mikrocontroller. (Bildquelle: DigiKey)

Drei Erregerströme treiben den BLDC-Motor an, die jeweils die Phasen in den Wicklungen erregen und erzeugen, wobei sich die einzelnen Phasen zu 360° addieren. Die unterschiedlichen Phasenwerte sind signifikant: Da die Erregung der drei Beine insgesamt 360° beträgt, gleichen sie sich gleichmäßig auf 360° aus, z.B. 90° + 150° + 120°.

Während der Strom in allen drei Wicklungen eines Systems zu jedem Zeitpunkt bekannt sein muss, müssen in einem ausgeglichenen System nur die Ströme von zwei der drei Wicklungen gemessen werden, um dies zu erreichen. Die dritte Wicklung wird mit Hilfe eines Mikrocontrollers berechnet. Die beiden Wicklungen werden gleichzeitig mit Hilfe von Shunt-Widerständen und Strommessverstärkern abgetastet.

Das Ende des Signalpfades erfordert einen Dual-Simultan-ADC, der die digitalen Messdaten an den Mikrocontroller sendet. Die Größe, Phase und das Timing jedes Erregerstroms liefern die für eine präzise Steuerung erforderlichen Informationen über Motordrehmoment und -geschwindigkeit.

Strommessung unter Verwendung von Kupferwiderständen auf der Leiterplatte

Während es bei einem derart präzisen Mess- und Datenerfassungsdesign viel zu beachten gibt, beginnt der Prozess am Front-End mit der Entwicklung einer effektiven, kostengünstigen Methode zur Erfassung des Phasensignals der BLDC-Motorwicklung. Dies kann durch das Platzieren eines kleinen Inline-Platinenwiderstands (R_SHUNT) und die Verwendung eines Strommessverstärkers zur Erkennung des Spannungsabfalls über diesen kleinen Widerstand erfolgen (Abbildung 2). Angenommen, der Widerstandswert ist niedrig genug, dann ist auch der Spannungsabfall gering, und die Messstrategie hat nur minimale Auswirkungen auf die Motorschaltung.

Abbildung 2: Motorphasensensorsystem mit einem Strom-Shunt-Widerstand (R_SHUNT) zur Messung der momentanen Motorphase mit einem hochpräzisen Verstärker, wie z.B. dem AD8479 von Analog Devices und einem hochauflösenden ADC (AD7380). (Bildquelle: DigiKey)

In Abbildung 2 erfasst der Strommessverstärker den momentanen Spannungsabfall von I_PHASE x R_SHUNT. Der SAR-ADC digitalisiert dann dieses Signal. Der Auswahlwert des Shunt-Stromwiderstandes beinhaltet Wechselwirkungen zwischen R_SHUNT, V_SHUNT, I_SHUNT und Verstärkereingangsfehlern.

Eine Erhöhung des R_SHUNTs bewirkt eine Erhöhung des V_SHUNTs. Die gute Nachricht ist, dass dadurch die Bedeutung der Fehler des Spannungsoffsets (V_OS) und des Eingangsvorspannungsstrom-Offsets (I_OS) des Verstärkers verringert wird. Der I_SHUNT x R_SHUNT-Leistungsverlust bei einem großen R_SHUNT reduziert jedoch die Energieeffizienz des Systems. Auch die Nennleistung von R_SHUNT beeinflusst die Zuverlässigkeit des Systems, da die I_SHUNT x R_SHUNT-Verlustleistung einen Selbsterhitzungszustand erzeugen kann, der zu einer Änderung des nominalen R_SHUNT-Widerstandes führen kann.

Für R_SHUNT sind Sonderwiderstände von verschiedenen Anbietern erhältlich. Eine kostengünstige Alternative ist jedoch die Verwendung sorgfältiger Layouttechniken für die Herstellung eines Leiterplatten-Leiterbahnwiderstandes für R_SHUNT (Abbildung 3).

Abbildung 3: Sorgfältige Leiterplatten-Layouttechniken sind eine kostengünstige Möglichkeit, den entsprechenden R_SHUNT-Wert zu schaffen. (Bildquelle: DigiKey)

Berechnung der Leiterplattenspur für R_SHUNT

Da die Temperaturen in industriellen Anwendungen extrem sein können, ist es wichtig, die Temperatur in ein Board-Shunt-Widerstandsdesign einzubeziehen. In Abbildung 3 beträgt der Temperaturkoeffizient (α₂₀) eines Leiterbahn-Shuntwiderstandes aus Kupfer bei 20°C etwa +0,39%/°C (der Koeffizient variiert je nach Temperatur). Die Länge (L), Dicke (t), Breite (W) und der spezifische Widerstand (rñ) bestimmen den Leiterbahnwiderstand der Leiterplatte.

Wenn eine Leiterplatte aus 1 Unze (oz) Kupfer (Cu) besteht, entspricht die Dicke (t) 1,37 Tausendstel Zoll, und der spezifische Widerstand (r) beträgt 0,6787 Mikroohm (µΩ) pro Zoll. Die Leiterbahnfläche der Leiterplatte wird in Form des Leiterbahnquadrats (□) gemessen, das eine Fläche von L/W ist. Zum Beispiel ist eine 2-Zoll-Spur mit einer Breite von 0,25 Zoll eine 8□-Struktur.

Mit den obigen Variablen wird der Leiterbahnwiderstand R_□ der Leiterplatte von 1 oz Cu bei Raumtemperatur berechnet (Gleichung 1):

 Gleichung 1

wobei T = Temperatur am Widerstand.

Zum Beispiel, beginnend mit einem Strom von 1 Ampere (A) (maximal) pro BLDC-Motorzweig auf einem 1 oz. Cu-Leiterplatte, einer R_SENSE-Länge (L) von 1 Zoll und einer Leiterbahnbreite von 50 mil (0,05 Zoll), R_SHUNT bei 20°C kann mit den Gleichungen 2 und 3 berechnet werden:

 Gleichung 2

 Gleichung 3

Die Verlustleistung dieses Widerstandes mit einem Shuntstrom von 1 A wird nach Gleichung 4 berechnet:

 Gleichung 4

ADC-Konvertierung mit gleichzeitiger Abtastung

Der ADC in Abbildung 2 wandelt die Spannung an einem Punkt im Phasenzyklus in eine digitale Darstellung um. Es ist entscheidend, dass die gleichzeitige Phasenspannung aller drei Wicklungen Teil dieser Messung ist. Es handelt sich um ein symmetrisches System, so dass, wie bereits erwähnt, nur zwei der drei Wicklungen gemessen werden müssen; ein externer Mikrocontroller berechnet die Phasenspannung der dritten Wicklung.

Ein geeigneter ADC für dieses Motorsteuerungssystem ist der AD7380 Dual-Simultan-Sampling-SAR-ADC (Abbildung 4).

Abbildung 4: Ein schneller, rauscharmer Dual-Simultan-ADC wie der AD7380 kann ein unmittelbares Bild von zwei der Motorwicklungen aufnehmen. (Bildquelle: DigiKey)

In Abbildung 4 ist der AD8479 ein Präzisions-Differenzverstärker mit einem sehr hohen Eingangs-Gleichtaktspannungsbereich (±600 Volt), um weite Auslenkungen des Motorstroms vom sensorlosen Dreiphasen-Treiber zu überleben. Die Eigenschaften des AD8479 sind so beschaffen, dass er in Anwendungen, die keine galvanische Trennung erfordern, teure Trennverstärker ersetzen kann.

Zu den Hauptmerkmalen des AD8479 gehören außerdem eine niedrige Offset-Spannung, eine geringe Offset-Spannungsdrift, eine geringe Verstärkungsdrift, eine geringe Gleichtaktunterdrückungsdrift und ein ausgezeichnetes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR), um schnelle Motorwechsel zu ermöglichen.

Die AD7380/AD7381 sind 16 Bit bzw. 14 Bit, zwei simultane Abtastung, hohe Geschwindigkeit, geringer Stromverbrauch, SAR-ADCs, die Durchsatzraten von bis zu 4 Msamples/s aufweisen. Der analoge Differenzeingang akzeptiert eine breite Gleichtakt-Eingangsspannung. Eine gepufferte interne 2,5-Volt-Referenz (REF) ist enthalten.

Um eine präzise Drehmoment- und Drehzahlsteuerung zu erreichen, führt die SAR-ADC-Struktur mit doppelter gleichzeitiger Abtastung eine sofortige Erfassung des Ausgangs des strommessenden Verstärkers durch. Dazu verfügen die AD7380/AD7381 über zwei identische, interne ADCs, die gleichzeitig getaktet werden. Sie haben auch jeweils eine kapazitive Eingangsstufe mit einem kapazitiven Ladungsumverteilungsnetz (Abbildung 5).

Abbildung 5: Dargestellt ist die ADC-Konvertierungsstufe für einen der beiden Kanäle des AD7380. Die Signalerfassung beginnt, wenn S_W3 geöffnet und S_W1 und S_W2 geschlossen werden. An diesem Punkt ändert sich die Spannung über C_S in Änderungen zu A_INx+ und A_INx-, wodurch die Komparatoreingänge unsymmetrisch werden. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 5 sind V_REF und Masse die Anfangsspannungen an den Abtastkondensatoren C_S. Das Öffnen von S_W3 und das Schließen von S_W1 und S_W2 löst die Signalerfassung aus. Wenn S_W1 und S_W2 schließen, ändert sich die Spannung an den Abtastkondensatoren C_S entsprechend der Spannung an A_INx+ und A_INx-, wodurch die Komparatoreingänge unsymmetrisch werden. S_W1 und S_W2 werden dann geöffnet und die Spannung an C_S wird erfasst.

Der C_S-Spannungserfassungsprozess umfasst die Digital-Analog-Wandler (DACs). Die DACs addieren und subtrahieren feste Ladungsmengen von C_S, um den Vergleicher wieder in einen ausgeglichenen Zustand zu bringen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Umwandlung abgeschlossen, S_W1 und S_W2 werden geöffnet, und S_W3 wird geschlossen, um die Restladung zu entfernen und den nächsten Probenahmezyklus vorzubereiten.

Während der DAC-Konvertierungszeit erzeugt die Steuerlogik den ADC-Ausgangscode, und der Zugriff auf die Daten erfolgt vom Gerät aus über eine serielle Schnittstelle.

Fazit

Die genaue Messung von Drehmoment und Drehzahl des BLDC-Motors beginnt mit einem genauen, kostengünstigen Nebenschlusswiderstand. Wie gezeigt, lässt sich dies mit Hilfe einer Leiterbahn kostengünstig umsetzen.

Durch die Kombination eines AD8479-Strommessverstärkers mit einem AD7380-SAR-ADC mit simultaner Abtastung kann ein Konstrukteur ein hochpräzises, robustes Front-End für Drehmoment- und Geschwindigkeitsmessungen für Motorsteuerungen in rauen Umgebungen erstellen.