工业BLDC系统，如何精准测量电机的扭矩和速度？

无刷直流 (BLDC) 电机是工业生产车间不可或缺的一部分，主要用于伺服、致动、定位和变速应用。在这些应用中，精确的运动控制和稳定的运行至关重要。由于 BLDC 基于运动磁场的原理运行以产生电机扭矩，因此在设计工业 BLDC 系统时，主要的控制挑战在于准确地测量电机的扭矩和速度。
 
为了捕获 BLDC 电机的扭矩，需要使用多通道同步采样模数转换器(ADC)同时测量三个感应相电流中的两个。由具有合适算法的微控制器计算第三个瞬时相电流。此过程可以准确、即时地记录电机状况，而这是开发坚固耐用的高精度电机扭矩控制系统的关键步骤。
 
本文将简要讨论与实现精确的扭矩控制相关的问题，包括一种实现所需分流电阻器的经济高效的方法。然后介绍 Analog Devices 的 AD8479 精密差分放大器和 AD7380 双通道采样逐次逼近寄存器 ADC (SAR-ADC)，并展示如何将它们用于获取精确的相位测量值，以实现可靠的系统设计。

BLDC 电机的工作原理

BLDC 电机是具有反电动势(EMF)波形的永磁同步电机。观察到的端子反电动势并非恒定的；它会随着转子的扭矩和速度而变化。虽然直流电压源不能直接驱动 BLDC 电机，但 BLDC 的基本工作原理与直流电机相似。
 
BLDC 电机包含一个具有永磁体的转子和一个具有感应绕组的定子。这种电机本质上是一种外翻的直流电机，其中消除了电刷和换向器，然后将绕组直接连接到控制电子设备。控制电子设备取代了换向器的功能，以正确的顺序为绕组通电，获得所需的运动。通电的绕组以同步、平衡的模式围绕定子旋转。通电的定子绕组引导转子磁铁，并在转子与定子对齐时开关。
 
BLDC 电机系统需要一个三相无传感器 BLDC 电机驱动器，该驱动器在电机的三个绕组中产生电流（图 1）。电路通过具有涌流控制的数字功率因数校正 (PFC) 级供电，可为三相无传感器驱动器提供稳定的电力。

 
图 1：电机控制系统包括用于稳定电源的 PFC、用于 BLDC 电机绕组的三相无传感器驱动器、分流电阻和电流检测放大器、同步放大器 ADC 以及微控制器。

三个激励电流驱动 BLDC 电机，每个在绕组中激励并产生不同的相位，这些相位合计为 360°。不同的相位值很重要：由于三个分支的总激励保持 360°，因此它们会均匀相抵以保持 360°，例如 90° + 150° + 120°。
 
尽管在任意给定时间都必须获知系统所有三个绕组的电流，但要在平衡系统中做到这一点，只需要测量三个绕组中两个绕组的电流，并使用微控制器计算第三个绕组。这两个绕组可使用分流电阻器和电流检测放大器同时进行检测。
 
信号路径的末端需要一个双通道同步采样 ADC，用于将数字测量数据发送到微控制器。每个激励电流的幅度、相位和定时提供了精确控制所需的电机扭矩和速度信息。

使用 PC 板铜电阻器的电流检测

尽管在这种精确的测量和数据采集设计中有很多需要关注的问题，但此过程始于前端，需要开发一种有效的低成本方式来感测 BLDC 电机绕组的相位信号。若要做到这一点，可通过放置一个较小值的直插式 PC 板电阻器 (RSHUNT)，并使用电流检测放大器来检测该小电阻器上的电压降（图 2）。假设电阻值足够低，那么电压降也很低，并且测量策略对电机电路的影响极小。

 
图 2：电机相位感测系统使用电流分流电阻器 (RSHUNT)，配合高精度放大器（例如 Analog Devices 的 AD8479）和高分辨率 ADC (AD7380) 测量瞬时电机相位。

在图 2 中，电流检测放大器捕获了 IPHASE x RSHUNT 的瞬时电压降。然后，SAR-ADC 将此信号数字化。分流电阻器选择值涉及 RSHUNT、VSHUNT、ISHUNT 与放大器输入误差之间的相互作用。
 
RSHUNT 增大将导致 VSHUNT 增大。好消息是，这将缓解放大器的电压偏移 (VOS) 误差和输入偏置电流偏移 (IOS) 误差的显著性。但是，较大 RSHUNT 的 ISHUNT x RSHUNT 功率损耗会降低系统的功率效率。同样，RSHUNT 的额定功率也会影响系统的可靠性，因为 ISHUNT x RSHUNT 功率耗散会产生自热状态，而这可能导致标称 RSHUNT 电阻发生变化。
 
对于 RSHUNT，可以从多家供应商获取特殊用途电阻器。但还有一种低成本的替代方案，即运用细致的布局技术来制造 PC 板印制线电阻 RSHUNT（图 3）。

图 3：细致的 PC 板布局技术提供了一种经济高效的方法来创建适当的 RSHUNT 值。

计算 RSHUNT 对应的 PC 板印制线电阻

由于工业应用中可能出现极端温度，因此在电路板分流电阻器设计中需要考虑温度因素，这一点很重要。在图 3 中，铜 PC 板印制线分流电阻器在 20°C 时的温度系数 (α20) 约为 +0.39％/°C（该系数会随温度而变化）。长度 (L)、厚度 (t)、宽度 (W) 和电阻率 (rñ) 决定了 PC 板印制线电阻。
 
如果 PC 板具有 1 盎司 (oz) 铜 (Cu)，则厚度 (t) 等于千分之 1.37 英寸，电阻率 (r) 等于每英寸 0.6787 微欧 (µW)。PC 板印制线面积按印制线方框 ()，即 L/W 面积进行度量。例如，宽度为 0.25 英寸的 2 英寸 (in.) 印制线对应 8 个 结构。
 
利用上述变量，通过（公式 1）计算在室温下 PC 板 1 盎司铜的印制线电阻 R：
 

公式 1
 
其中，T = 电阻器的温度。
 
例如，从 1 盎司铜 PC 板上每个 BLDC 电机分支的最大电流为 1 安培 (A)，RSENSE 长度 (L) 为 1 英寸，印制线宽度为 50 密耳（0.05 英寸）开始，可使用公式 2 和 3 计算 20°C 时的 RSHUNT：
 

公式 2
 

公式 3
 
通过公式 4 计算此电阻器在分流电流为 1 A 时的功率耗散：
 

公式 4
 
同步采样 ADC 转换

图 2 中的 ADC 将相位周期中某一点的电压转换为数字表示。关键一点是，该测量应包含所有三个绕组的同步相电压。这是一个平衡的系统，因此如前所述，只需测量三个绕组中的两个；外部微控制器将会计算第三个绕组的相电压。
 
此电机控制系统适用的 ADC 是 AD7380 双通道同步采样 SAR-ADC（图 4）。

 
图 4：快速、低噪声的双通道同步采样 SAR-ADC（例如 AD7380）可捕获两个电机绕组的瞬时状态。

在图 4 中，AD8479 是一款精密差分放大器，具有极大的输入共模电压范围（±600 伏），可承受来自三相无传感器驱动器的宽电机电流驱动偏移。AD8479 的特性使其在不要求电流隔离的应用中可以取代昂贵的隔离放大器。
 
AD8479 的关键特性还包括低补偿电压、低补偿电压漂移、低增益漂移、低共模抑制漂移，以及出色的共模抑制比 (CMRR)，可适应快速的电机变化。
 
AD7380/AD7381 分别是 16 位 /14 位高速、低功耗的双通道同步采样 SAR-ADC，其吞吐率高达每秒 4 M 次采样。差分模拟输入可接受较宽的共模输入电压，并且内置一个 2.5 伏缓冲基准 (REF) 电压源。
 
为了实现精确的扭矩和速度控制，双通道同步采样 SAR-ADC 结构可即时捕获电流检测放大器的输出。为此，AD7380/AD7381 内置了两个具有同步时钟的相同 ADC。它们还分别拥有一个带有容性电荷再分配网络的容性输入级（图 5）。

 
图 5：所示为 AD7380 两个通道之一的 ADC 转换级。当 SW3 开路并且 SW1 和 SW2 闭合时，信号采集开始。此时，CS 两端的电压随着 AINx+ 和 AINx- 的变化而变化，导致比较器输入失去平衡。

在图 5 中，VREF 和接地是采样电容器 CS 两端的初始电压。若将 SW3 开路并闭合 SW1 和 SW2，则将启动信号采集。当 SW1 和 SW2 闭合时，采样电容器 CS 两端的电压随 AINx+ 和 AINx- 处的电压而变化，导致比较器输入失去平衡。然后将 SW1 和 SW2 开路，并捕获 CS 两端的电压。
 
CS 电压捕获过程涉及到数模转换器 (DAC)。DAC 加上和减去来自 CS 的固定电荷量，使得比较器恢复平衡状态。至此，转换完成，将 SW1 和 SW2 开路并闭合 SW3，以去除残留电荷并准备下一个采样周期。
 
在 DAC 转换期间，控制逻辑生成 ADC 输出代码，并通过串行接口访问器件的数据。

总结

若要精确测量 BLDC 电机扭矩和速度，首先需有精确的低成本分流电阻器。如上所述，可使用 PC 板印制线经济高效地实现此电阻器。
 
通过将此器件添加到 AD8479 电流检测放大器和 AD7380 同步采样 SAR-ADC 的组合中，设计人员可以创建稳健的高精度扭矩和速度控制系统测量前端，以用于恶劣环境下的电机控制应用。