ブラシレス DC (BLDC) モーターは工業製造プラントに不可欠な部品であり、サーボ、作動、位置決め、および可変速アプリケーションに使用されます。これらのアプリケーションでは、正確なモーション制御と安定した動作が重要です。 BLDC は移動磁界の原理に基づいて動作してモーター トルクを生成するため、産業用 BLDC システムを設計する際の制御の主な課題は、モーターのトルクと速度を正確に測定することです。
BLDC モーターのトルクを取得するには、マルチチャンネル同期サンプリング アナログ - デジタル コンバータ (ADC) を使用して、3 つの誘導相電流のうち 2 つを同時に測定する必要があります。--適切なアルゴリズムを備えたマイクロコントローラーが 3 番目の瞬時相電流を計算します。このプロセスにより、モーターの状態が正確かつ瞬時に記録されます。これは、堅牢で高精度のモーター トルク制御システムの開発における重要なステップです。
このホワイト ペーパーでは、必要なシャント抵抗を実現する費用対効果の高い方法など、正確なトルク制御の実現に関連する問題について簡単に説明します。{0}}次に、Analog Devices の AD8479 高精度差動アンプと AD7380 デュアル-チャネル サンプル-近似逐次{6}}近似-レジスタ ADC (SAR-ADC) を紹介し、これらを使用して信頼性の高いシステム設計のための正確な位相測定を取得する方法を示します。
BLDC モーターの動作原理
BLDC モーターは、逆起電力 (EMF) 波形を持つ永久磁石同期モーターです。観測される端子逆起電力は一定ではありません。ローターのトルクと速度によって変化します。 DC 電圧源は BLDC モーターを直接駆動できませんが、BLDC の基本的な動作原理は DC モーターの動作原理と似ています。
BLDC モーターは、永久磁石を備えたローターと誘導巻線を備えたステーターで構成されます。このモーターは基本的に反転 DC モーターであり、ブラシと整流子が取り除かれ、巻線が制御電子機器に直接接続されています。制御電子機器が整流子の機能を引き継ぎ、正しい順序で巻線に通電して、目的の動作を実現します。通電された巻線は、同期されたバランスの取れたパターンでステーターの周りを回転します。通電されたステータ巻線はロータの磁石をガイドし、ロータがステータと位置合わせされると切り替わります。
BLDC モーター システムには、モーターの 3 つの巻線に電流を生成する三相センサーレス BLDC モーター ドライバーが必要です。-（図 1）。この回路は、突入制御を備えたデジタル力率補正 (PFC) ステージによって電力供給され、三相センサーレス ドライバーに安定した電力を供給します。-。
図 1: モーター制御システムには、電源を安定化するための PFC、BLDC モーター巻線用の三相センサーレス ドライバー、シャント抵抗と電流検出アンプ、同期アンプ ADC、マイクロコントローラーが含まれています。-
3 つの励磁電流が BLDC モーターを駆動し、それぞれが巻線に異なる位相を励起して生成します。これらの位相は合計 360 度になります。異なる位相値は重要です。3 つのブランチの合計励振は 360 度に維持されるため、360 度を維持するために均等にオフセットされます (例: . 90 度 + 150 度 + 120 度)。
システムの 3 つの巻線すべての電流を常に把握しておく必要がありますが、平衡システムでこれを行うには、3 つの巻線のうち 2 つの電流を測定し、マイクロコントローラーを使用して 3 番目の巻線を計算するだけで済みます。これら 2 つの巻線は、シャント抵抗と電流検出アンプを使用して同時に検出できます。
デジタル測定値をマイクロコントローラーに送信するには、信号経路の終端に 2 チャンネルの同期サンプリング ADC が必要です。-各励磁電流の振幅、位相、タイミングにより、正確な制御に必要なモーターのトルクと速度の情報が得られます。
プリント基板の銅抵抗器による電流検出
この正確な測定とデータ収集の設計には懸念すべきことがたくさんありますが、プロセスはフロントエンドから始まり、BLDC モーター巻線の位相信号を検出する効果的で低コストの方法を開発する必要があります。{0}}これは、小さな値のインライン PC 基板抵抗 (RSHUNT) を配置し、電流検出アンプを使用してこの小さな抵抗の両端の電圧降下を検出することで実現できます (図 2)。抵抗値が十分に低いと仮定すると、電圧降下も低くなり、測定方法がモーター回路に与える影響は最小限になります。
図 2: モータ位相検出システムは、電流シャント抵抗器 (RSHUNT) と高精度アンプ (Analog Devices の AD8479 など) および高分解能 ADC (AD7380) を使用して、瞬時モータ位相を測定します。-
図 2 では、電流検出アンプ-が IPHASE x RSHUNT の瞬間的な電圧降下を捕捉します。次に、SAR-ADC がこの信号をデジタル化します。シャント抵抗の選択値には、RSHUNT、VSHUNT、ISHUNT とアンプの入力誤差との相互作用が関係します。
RSHUNT が増加すると、VSHUNT も増加します。良いニュースは、これにより、アンプの電圧オフセット (VOS) 誤差と入力オフセット電流 (IOS) 誤差の重大性が軽減されることです。ただし、RSHUNT が大きい場合の ISHUNT x RSHUNT の電力損失により、システムの電力効率が低下します。同様に、ISHUNT x RSHUNT の電力損失により自己発熱状態が生じ、公称 RSHUNT 抵抗が変化する可能性があるため、RSHUNT 電力定格はシステムの信頼性に影響を与える可能性があります。-
RSHUNT の場合、特殊用途の抵抗器を複数のサプライヤーから入手できます。-ただし、注意深いレイアウト技術を使用して RSHUNT 用のプリント配線抵抗器を製造することに代わる低コストの代替手段があります (図 3)。-
図 3: 綿密な PC 基板レイアウト技術により、適切な RSHUNT 値を作成する費用対効果の高い方法が提供されます。-
RSHUNT の PC 基板プリント線抵抗の計算
産業用アプリケーションでは極端な温度が発生する可能性があるため、回路基板のシャント抵抗器の設計では温度要因を考慮することが重要です。図 3 では、銅製 PC 基板のプリント線シャント抵抗器の温度係数 (20) は、20 度で約 +0.39%/度です (この係数は温度によって変化します)。長さ (L)、厚さ (t)、幅 (W)、および抵抗率 (rñ) によって、プリント基板のプリント線の抵抗が決まります。
PC 基板の銅 (Cu) が 1 オンス (oz) の場合、厚さ (t) は 1.37 インチ/1000 に等しく、抵抗率 (r) は 0.6787 マイクロオーム (µW)/インチに等しくなります。プリント基板のプリント ワイヤ領域はプリント ワイヤ ボックス ( )、または L/W 領域で測定されます。たとえば、幅 0.25 インチの 2 インチ (インチ) の印刷ラインは 8 つの構造に対応します。
上記の変数を使用して、室温における PC 基板上の 1 オンスの銅のプリント ワイヤ抵抗 R を (式 1) によって計算します。
フォーミュラ1
ここで、T=は抵抗器の温度です。
たとえば、1 オンスの銅 PC 基板上の BLDC モーター ブランチごとに最大電流 1 アンペア (A)、RSENSE 長さ (L) が 1 インチ、プリント配線幅が 50 ミル (0.05 インチ) である場合、式 2 と 3 を使用して 20 度での RSHUNT を計算できます。
フォーミュラ 2
フォーミュラ 3
式 4 を使用して、シャント電流 1 A におけるこの抵抗の消費電力を計算します。
フォーミュラ 4
同期サンプリングADC変換
図 2 の ADC は、位相サイクルのある時点の電圧をデジタル表現に変換します。重要な点は、この測定には 3 つの巻線すべての同期された相電圧が含まれる必要があるということです。これは平衡システムであるため、前述したように、3 つの巻線のうち 2 つだけを測定する必要があります。外部マイクロコントローラーが 3 次巻線の相電圧を計算します。
このモーター制御システムの ADC は、AD7380 デュアル-チャネル同期サンプリング SAR- ADC です (図 4)。
図 4: 高速、低ノイズ、デュアル-チャンネル同期サンプリング SAR-ADC (AD7380 など) は、2 つのモーター巻線の瞬間的な状態を捕捉します。
図4のAD8479は、非常に広い入力コモンモード電圧範囲（±600ボルト）を備えた高精度差動アンプで、三相センサレスドライブからの幅広いモータ電流駆動オフセットに耐えることができます。AD8479の特性により、電流絶縁が必要ないアプリケーションで高価な絶縁アンプを置き換えることができます。
AD8479 の主な特長には、低補償電圧、低補償電圧ドリフト、低ゲイン ドリフト、低コモンモード除去ドリフト、および高速モータ変動に対応する優れたコモンモード除去比 (CMRR) も含まれます。AD7380/AD7381 は 16- ビット/14- ビット、 それぞれ、高速-、低{11}}、デュアル-チャネル、同期-サンプリング SAR- ADC で、1 秒あたり最大 400 万サンプルのスループット レートを備えています。差動アナログ入力は広範囲の同相入力電圧を受け入れ、2.5 ボルトのバッファ付きリファレンス (REF) 電圧源を内蔵しています。
トルクと速度を正確に制御するために、デュアル チャネル同期サンプリング SAR{{1}ADC アーキテクチャ-が、電流検出アンプの出力をオンザフライでキャプチャします。{{2}この目的のために、AD7380/AD7381 には同期クロックを備えた 2 つの同一の ADC が組み込まれており、それぞれに容量性電荷再分配ネットワークを備えた容量性入力段があります (図 5)。
図 5: AD7380 の 2 つのチャネルのうち 1 つの ADC 変換ステージを示します。 SW3 が開き、SW1 と SW2 が閉じると信号の取り込みが開始されます。この時点で、CS の両端の電圧は AINx+ と AINx- に応じて変化し、コンパレータ入力が不平衡になります。
図 5 では、VREF とグランドはサンプル コンデンサ CS の両端の初期電圧です。 SW3 が開き、SW1 と SW2 が閉じると、信号の取得が開始されます。 SW1 と SW2 が閉じると、サンプル コンデンサ CS の両端の電圧が AINx+ と AINx- の電圧に応じて変化し、コンパレータ入力のバランスが崩れます。次に SW1 と SW2 が開き、CS の両端の電圧が取得されます。
CS 電圧キャプチャ プロセスには、デジタル アナログ コンバータ（DAC）が含まれます。DAC は、CS から固定量の電荷を加算および減算して、コンパレータのバランスを戻します。{0}{1}この時点で変換は完了し、SW1 と SW2 を開いて SW3 を閉じて残留電荷を除去し、次のサンプリング サイクルに備えます。
DAC 変換中、制御ロジックは ADC 出力コードを生成し、シリアル インターフェイス経由でデバイス データにアクセスします。
まとめ
BLDC モーターのトルクと速度を正確に測定するには、まず正確で低コストのシャント抵抗器が必要です。-前述したように、この抵抗器はプリント基板のプリント ワイヤを使用してコスト効率よく実装できます。-
このデバイスを AD8479 電流検出アンプと AD7380 同期-サンプリング SAR- ADC の組み合わせに追加することで、設計者は過酷な環境でのモータ制御アプリケーション向けの堅牢で高精度のトルクおよび速度制御システム測定フロントエンドを作成できます。-