無刷直流 (BLDC) 電機是工業生產車間不可或缺的一部分，主要用于伺服、致動、定位和變速應用。在這些應用中，精確的運動控制和穩定的運行至關重要。由于 BLDC 基于運動磁場的原理運行以產生電機扭矩，因此在設計工業 BLDC 系統時，主要的控制挑戰在于準確地測量電機的扭矩和速度。
為了捕獲 BLDC 電機的扭矩，需要使用多通道同步采樣模數轉換器(ADC)同時測量三個感應相電流中的兩個。由具有合適算法的微控制器計算第三個瞬時相電流。此過程可以準確、即時地記錄電機狀況，而這是開發堅固耐用的高精度電機扭矩控制系統的關鍵步驟。
本文將簡要討論與實現精確的扭矩控制相關的問題，包括一種實現所需分流電阻器的經濟高效的方法。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量值，以實現可靠的系統設計。
BLDC 電機的工作原理
BLDC 電機是具有反電動勢(EMF)波形的永磁同步電機。觀察到的端子反電動勢并非恒定的；它會隨著轉子的扭矩和速度而變化。雖然直流電壓源不能直接驅動 BLDC 電機，但 BLDC 的基本工作原理與直流電機相似。
BLDC 電機包含一個具有永磁體的轉子和一個具有感應繞組的定子。這種電機本質上是一種外翻的直流電機，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備。控制電子設備取代了換向器的功能，以正確的順序為繞組通電，獲得所需的運動。通電的繞組以同步、平衡的模式圍繞定子旋轉。通電的定子繞組引導轉子磁鐵，并在轉子與定子對齊時開關。
BLDC 電機系統需要一個三相無傳感器 BLDC 電機驅動器，該驅動器在電機的三個繞組中產生電流（圖 1）。電路通過具有涌流控制的數字功率因數校正 (PFC) 級供電，可為三相無傳感器驅動器提供穩定的電力。
圖 1：電機控制系統包括用于穩定電源的 PFC、用于 BLDC 電機繞組的三相無傳感器驅動器、分流電阻和電流檢測放大器、同步放大器 ADC 以及微控制器。
三個激勵電流驅動 BLDC 電機，每個在繞組中激勵并產生不同的相位，這些相位合計為 360°。不同的相位值很重要：由于三個分支的總激勵保持 360°，因此它們會均勻相抵以保持 360°，例如 90° + 150° + 120°。
盡管在任意給定時間都必須獲知系統所有三個繞組的電流，但要在平衡系統中做到這一點，只需要測量三個繞組中兩個繞組的電流，并使用微控制器計算第三個繞組。這兩個繞組可使用分流電阻器和電流檢測放大器同時進行檢測。
信號路徑的末端需要一個雙通道同步采樣 ADC，用于將數字測量數據發送到微控制器。每個激勵電流的幅度、相位和定時提供了精確控制所需的電機扭矩和速度信息。
使用 PC 板銅電阻器的電流檢測
盡管在這種精確的測量和數據采集設計中有很多需要關注的問題，但此過程始于前端，需要開發一種有效的低成本方式來感測 BLDC 電機繞組的相位信號。若要做到這一點，可通過放置一個較小值的直插式 PC 板電阻器 (RSHUNT)，并使用電流檢測放大器來檢測該小電阻器上的電壓降（圖 2）。假設電阻值足夠低，那么電壓降也很低，并且測量策略對電機電路的影響極小。
圖 2：電機相位感測系統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) 測量瞬時電機相位。
在圖 2 中，電流檢測放大器捕獲了 IPHASE x RSHUNT 的瞬時電壓降。然后，SAR-ADC 將此信號數字化。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 功率損耗會降低系統的功率效率。同樣，RSHUNT 的額定功率也會影響系統的可靠性，因為 ISHUNT x RSHUNT 功率耗散會產生自熱狀態，而這可能導致標稱 RSHUNT 電阻發生變化。
對于 RSHUNT，可以從多家供應商獲取特殊用途電阻器。但還有一種低成本的替代方案，即運用細致的布局技術來制造 PC 板印制線電阻 RSHUNT（圖 3）。
圖 3：細致的 PC 板布局技術提供了一種經濟高效的方法來創建適當的 RSHUNT 值。
計算 RSHUNT 對應的 PC 板印制線電阻
由于工業應用中可能出現極端溫度，因此在電路板分流電阻器設計中需要考慮溫度因素，這一點很重要。在圖 3 中，銅 PC 板印制線分流電阻器在 20°C 時的溫度系數 (α20) 約為 +0.39％/°C（該系數會隨溫度而變化）。長度 (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 面積進行度量。例如，寬度為 0.25 英寸的 2 英寸 (in.) 印制線對應 8 個 結構。
利用上述變量，通過（公式 1）計算在室溫下 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 BLDC 電機分支的最大電流為 1 安培 (A)，RSENSE 長度 (L) 為 1 英寸，印制線寬度為 50 密耳（0.05 英寸）開始，可使用公式 2 和 3 計算 20°C 時的 RSHUNT：
公式 2
公式 3
通過公式 4 計算此電阻器在分流電流為 1 A 時的功率耗散：
公式 4
同步采樣 ADC 轉換
圖 2 中的 ADC 將相位周期中某一點的電壓轉換為數字表示。關鍵一點是，該測量應包含所有三個繞組的同步相電壓。這是一個平衡的系統，因此如前所述，只需測量三個繞組中的兩個；外部微控制器將會計算第三個繞組的相電壓。
此電機控制系統適用的 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）可捕獲兩個電機繞組的瞬時狀態。
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），可承受來自三相無傳感器驅動器的寬電機電流驅動偏移。AD8479 的特性使其在不要求電流隔離的應用中可以取代昂貴的隔離放大器。
AD8479 的關鍵特性還包括低補償電壓、低補償電壓漂移、低增益漂移、低共模抑制漂移，以及出色的共模抑制比 (CMRR)，可適應快速的電機變化。
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，并且內置一個 2.5 伏緩沖基準 (REF) 電壓源。
為了實現精確的扭矩和速度控制，雙通道同步采樣 SAR-ADC 結構可即時捕獲電流檢測放大器的輸出。為此，AD7380/AD7381 內置了兩個具有同步時鐘的相同 ADC。它們還分別擁有一個帶有容性電荷再分配網絡的容性輸入級（圖 5）。
圖 5：所示為 AD7380 兩個通道之一的 ADC 轉換級。當 SW3 開路并且 SW1 和 SW2 閉合時，信號采集開始。此時，CS 兩端的電壓隨著 AINx+ 和 AINx- 的變化而變化，導致比較器輸入失去平衡。
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 開路并閉合 SW1 和 SW2，則將啟動信號采集。當 SW1 和 SW2 閉合時，采樣電容器 CS 兩端的電壓隨 AINx+ 和 AINx- 處的電壓而變化，導致比較器輸入失去平衡。然后將 SW1 和 SW2 開路，并捕獲 CS 兩端的電壓。
CS 電壓捕獲過程涉及到數模轉換器 (DAC)。DAC 加上和減去來自 CS 的固定電荷量，使得比較器恢復平衡狀態。至此，轉換完成，將 SW1 和 SW2 開路并閉合 SW3，以去除殘留電荷并準備下一個采樣周期。
在 DAC 轉換期間，控制邏輯生成 ADC 輸出代碼，并通過串行接口訪問器件的數據。
總結
若要精確測量 BLDC 電機扭矩和速度，首先需有精確的低成本分流電阻器。如上所述，可使用 PC 板印制線經濟高效地實現此電阻器。
通過將此器件添加到 AD8479 電流檢測放大器和 AD7380 同步采樣 SAR-ADC 的組合中，設計人員可以創建穩健的高精度扭矩和速度控制系統測量前端，以用于惡劣環境下的電機控制應用。 |
