Sensorløs BLDC-motordriverkreds

Sensorløs BLDC-motordriverkreds

I dette indlæg undersøger vi, hvad der er en BLDC-motor, og derefter lærer vi os om design af et sensorløst BLDC-motordriverkredsløb.



BLDC CPU-blæsere

Set de hurtigt bevægende blæsere i CPU'er, spændingsstabilisatorer, DVD-afspillere og andet lignende udstyr, der fungerer med den største effektivitet og sparer mindst mulig plads, strøm og alligevel er i stand til at levere de vigtige operationer som bestemt for det bestemte udstyr?

Ja, det er alle de moderne versioner af BLDC-ventilatorer eller børsteløse DC-motorer, som er meget bedre end de gamle traditionelle børstede motorer.





Billede med tilladelse: https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_fan#/media/File:Geh%C3%A4usel%C3%BCfter.jpg

Imidlertid vil en BLDC-motor kræve et sofistikeret driverkredsløb, og ja, alle disse CPU-ventilatorer indeholder disse drivermoduler indbygget, selvom disse synes let at betjene ved hjælp af en almindelig DC, internt er systemet allerede udstyret med et smart kredsløb.



BLDC-motordriver

Her lærer vi om et sådant smart BLDC-motordriverkredsløb ved hjælp af en enkelt chip DRV10963 til at køre enhver lille BLDC-motor med utrolig effektivitet, og senere i en af ​​de kommende artikler vil vi se, hvordan dette IC-kredsløb kan opgraderes til kørsel selv de kraftige BLDC'er med høj strøm, såsom dem der er bruges i quadcopters.

Men før dette ville det være interessant at lære lidt om BLDC-motorer.

Forskellen mellem børstet og børsteløst DC-motor

Forskellen mellem en børstet motor og en børsteløs motor og effektivitetsgraden er ret åbenbar.

Da børstede motorer har sårarmaturet selv i bevægelse mellem magneter, skal de anvende 'børster' (gnidningskontakter), så de bevægelige spoleterminaler er i stand til at modtage forsyningsspændingen konsekvent uden at skulle nå frem til forsyningskilden selv, hvilket ellers ville gøre arbejde umuligt og bringe operationerne i fare.

I en børsteløs motor bevæger spolen eller viklingen sig aldrig og er konstant, her bærer rotoren et sæt permanente magneter og roterer under påvirkning af omgivende viklings magnetiske strømninger.

Da magneten er fri for alle besvær og er i stand til at arbejde uden at involvere terminaler til at styre eller modtage strøm, kan den gå ubesværet rundt og dreje i hurtig hastighed og næsten på et lydløst niveau.

Men der er en fangst her. For at få en elektromagnet til at reagere på en permanent magnets strømninger, skal der være en konstant forskydning af magnetfase eller poler, så de to modstykker er i stand til konstant at reagere og gå gennem en modsatrettede kraft og derved frigive den krævede vridningskraft over rotoren og udfør rotationen med det resulterende drejningsmoment.

I en børstet motor bliver dette lettere på grund af den selvjusterende natur af ankerspolen, som er i stand til at rotere og skabe en selvbærende modstående magnetisk kraft og fortsætte med at rotere uden behov for eksterne pulser eller behandling.

Men i en BLDC bliver dette et problem, da magnetrotoren forbliver 'clueless' og kræver en beregnet magnetisk kommando fra viklingen for at rotere på en meningsfuld måde og ikke på en tilfældig måde.

Det er netop derfor, at alle BLDC-motorer obligatorisk kræver et motordriverkredsløb til at styre de tre forskellige sæt vikling inde i motoren.

Således er alle BLDC i det væsentlige 3-fasede motorer og kræver obligatorisk 3 faser til frembringelse af rotationsmomentet på rotoren.

Hvad gør sensorløse BLDC-drivere

Sensorfri BLDC-driverkredsløb elektrificerer simpelthen de 3 sæt vikling på en sekventiel måde, således at den magnetiske rotor er i stand til at gennemgå en konstant modsatrettede kraft, der gør det muligt for motoren at opnå et vedvarende drejningsmoment og rotationskraft.

Men denne sekventielle strømforsyning af BLDC-viklingen af ​​kredsløbet kan ikke bare indstilles tilfældigt, den skal være i tandem eller som reaktion på rotormagnetens rotationsposition, ellers kan implementeringen blive haywire, og vi kan være vidne til motorakslen (rotor ) roterer tilfældigt, det rykker ind mellem uret og mod uret uden fornuftig rotation.

Hvorfor sensorer bruges i BLDC-motorer

Derfor introducerer vi sensorer placeret i mange BLDC-motorvarianter, disse sensorer (typisk Hall-effektfølere) 'forstår' den skiftende position af rotormagnetens magnetiske poler, instruerer det vedhæftede processorkredsløb til at elektrificere den tilsvarende vikling og udføre en rotationsbevægelse med et optimalt drejningsmoment.

Hall-effektfølere anvendes effektivt i de fleste BLDC-motorer, der er relativt større i størrelse, men for mindre motorer som i CPU-blæsere, CPU-drev, DVD-afspillere, i små udstødningsventilatorer, til motorer, der bruges i quadcopters, kan hall-effekt-sensorer blive upassende og derfor implementeres en alternativ sensor mindre tilgang.

Dette involverer udnyttelse af viklingens iboende tilbage-EMF-elektricitet, der tages som referencekilde til behandling og elektrificering af de relevante sæt vikling og udførelse af drejningsmomentet.

BLDC motor magnetisk hall effekt simulering

Simulering af en BLDC rotorbevægelse

I ovenstående rå simulering kan vi visualisere, hvordan den frigivne EMF tages som reference og bruges til at producere sekventeringsimpulser til de efterfølgende sæt vikling, idet den påtager et roterende drejningsmoment på den centrale permanente magnetrotor. Simuleringen er muligvis ikke den nøjagtige replikering, men alligevel giver den en grov ide om funktionsprincippet.

Det er interessant at bemærke, at pulsen skiftes, når magnetens N / S er nøjagtigt i midten af ​​viklingskernen, hvilket gør det muligt for viklingen enten at aktivere som N eller S afhængigt af pulsens polaritet og frembringe en tiltrækkende og frastødende kraft på N / S-magneterne og derved generere det krævede drejningsmoment på det maksimalt mulige niveau.

Og dette bliver igen muligt på grund af den bageste EMF frigivet ved skift af den tidligere vikling.

Ovenstående diskussion tydeliggør arbejdet med en sensor uden BLDC-motor, lad os nu lære, hvordan et specificeret kredsløb håndterer den ovennævnte komplekse udførelse af en 3-faseskift

BLDC Driver DRV10963

Efter nogle googling fandt jeg dette sensorløse BLDC-driverkredsløb ved hjælp af en enkelt chip DRV10963, som anvender ubetydelig mængde dele i konfigurationen og alligevel er i stand til at implementere en sofistikeret behandling til de tilsigtede handlinger.

DRV10963 er en avanceret chip, der er specielt designet til at betjene sensormindre BLDC-motorer ved blot at forudse den bageste EMF fra motorviklingen og levere en præcis kommando over viklingen og opnå et optimalt drejningsmoment over rotoren.

Kredsløbsdiagram

sensorfri BLDC-driverkreds ved hjælp af en enkelt chip DRV10963

Ovenstående billede viser det enkle layout af kredsløbet, som tilsyneladende ikke indeholder andet end selve IC'en.

De forskellige pinouts tildeles til at udføre de specificerede funktioner såsom PWM-hastighedskontrol af motoren, retningskontrol osv. Ved simpelthen at fodre de relevante pinouts med de specificerede data fra en ekstern kilde.

Det følgende billede viser chipens pakke, der ligner en 10-pin DIL IC, de forskellige pinout-funktioner af den samme kan studeres ud fra de data, der er angivet under diagrammet:

Henvis til kredsløbsdiagrammet for det foreslåede sensorløse BLDC-driverkredsløb som præsenteret i den foregående artikel og også chipbilledet ovenfor, kan pinouts detaljer forstås som følger:

IC Pinout detaljer

FG = Det er motorhastighedsindikatorstiften (output), der er rigget i en åben kollektortilstand med en intern BJT.

Åben kollektor betyder, at udgangen ved denne pinout vil producere de negative PWM'er gennem synkende logik over den åbne kollektor og jorden, og for at få en gyldig aflæsning bliver brugeren nødt til at forbinde en pull-up-modstand over denne åbne kollektor og den positive forsyning (5V ) til at udføre hastighedsindikationen ved denne pinout.

FGS = Det er hastighedsindikatorvælgerindgangen, hvilket betyder, at der her kan indføres en logik høj eller lav til at tænde / slukke for indikatorstiften FG.

Vcc = Den positive forsyning til IC'en, så den kan fungere, må ikke overstige 5V.

W, U og V er 3-fasede udgange til BLDC-motoren, som formodes at blive betjent via denne IC. Dette fungerer også som indgange til registrering af motorens EMF-impulser til den krævede synkroniserede kobling af motorspolerne.

GND = Henviser til IC's negative pinout for IC med hensyn til Vdd-pin.

FR = Hjælper med at vælge eller styre motorens retning og kan ændres dynamisk når som helst, når systemet er tændt, simpelthen ved at indføre en ekstern logik høj eller logisk lav.

PWM = Det betyder PWM-kontrolindgangen fra en ekstern PWM-bølgeformgenerator.

Denne PWM-indgang kan være variabel til implementering af den ønskede hastighedskontrol af den tilsluttede BLDC-motor.

Det stiplede rum i midten af ​​chippen angiver den termiske pude, som kan fastspændes eller presses med en kølelegeme for at synke den mulige varmegenerering på chippen, mens den bruges med en belastet BLDC-motor.

Ovenstående diskussion angiver pinout- eller forbindelsesoplysningerne for den sensorløse BLDC-motordriverchip DRV10963, lad os nu analysere den interne konfiguration og funktion af chippen i detaljer ved hjælp af følgende punkter:

Enhedsbeskrivelse

DRV10963 er en 3-faset sensorløs elmotoroperatør med indbyggede effekt-MOSFET'er (3-faset H-bro). Det er skræddersyet til højere produktivitet, reduceret støj og minimale sekundære materialetællingsmotordrevfunktioner. Det eksklusive sensorløse vindues-Iess 180 ° sinusformede styringssystem giver støjfri motorpendlingseffektivitet.

DRV10963 består af en smart lock detect-funktionalitet sammensat med supplerende indbyggede sikkerhedskredsløb for at opnå sikret ydeevne. DRV10963 findes i en termisk effektiv 10-polet USON-emballage med en ikke-afdækket termisk måtte.

Sådan fungerer IC

DRV10963-produktet er en 3-faset sensorløs motoroperatør med MOSFET'er, der er infunderet, det er det
skabt specielt til overlegen ydeevne, reduceret resonans og minimalt overfladisk delantal motordrevfunktioner.

Den vigtigste sensorløse vinduesfri 180 ° sinusformede kontrolplan præsenterer støjløs motorfunktion ved at opretholde nominelt elektrisk stimuleret drejningsmoment. Efter initialisering vil DRV10963-enheden dreje motoren i det forløb, der er angivet gennem FR-indgangsstiften.

DRV10963-chippen fungerer som en 3-faset BLDC-motor ved hjælp af en sinusformet kontrolplan.

Betydningen af ​​de anvendte sinusformede fasespændinger afhænger af PWM-pinens driftscyklus. Mens motoren bevæger sig, leverer DRV10963 IC hastighedsdataene ved FG-stiften.

DRV10963 enheden består af en smart låsefølsomhed. I tilfælde af sådan en, hvor motoren bliver forstyrret af et uvedkommende tryk, vil programmet identificere låseproblemet og vil træffe foranstaltninger til at beskytte alene sammen med motoren.

Den særlige procedure for låsefølsomhedskredsløbet er afbildet i detaljer i Låsedetektion. DRV10963 IC inkluderer desuden flere indbyggede sikkerhedskredsløb, f.eks. Overstrømsbeskyttelse, overspændingsbeskyttelse, underspændingsbeskyttelse og over temperaturbeskyttelse.

Karakteristisk forklaring

Hastighedsinput og kontrol

DRV10963 præsenterer 3-fase 25-kl-lz PWM-udgange, der kan have en standardprocent af sinusformede bølgeformer fra fase til fase. Hvis en cyklus bestemmes med hensyn til jord, er detekterede bølgeform sandsynligvis en PWM-beskyttet sinusformet kombineret med 3. ordens harmoniske som vist i figur 2.

DRV10963 præsenterer 3-faset 25-kl-lz PWM-udgange

Denne kodningsstrategi strømliner førerspecifikationerne, fordi der sandsynligvis ofte vil være en faseudgang, der kan være på niveau med nul.

Udfaldsamplituden varierer alt efter forsyningsspændingen (VCC) og den mandaterede PWM-driftscyklus (PWM) som defineret i ligning 1 og fremhævet i figur 3. Den optimale amplitude implementeres, når den instruerede PWM-driftscyklus er 100 PERCENT.

Vphpk = PWMdc>

Motorhastigheden reguleres ikke direkte ved hjælp af PWM for at regulere amplituden af ​​de fasespændinger, der tilfældigvis bruges til motoren.

Arbejdscyklussen for PWM-input ændres til en 9 bit digital mængde (fra 0 til 511).

Forordningens opløsning er 1/512 == 0,2%. Arbejdscyklusanalysatoren letter en indledende ordreudvekslingsoperation mellem input duty cycle og den 9-bit digitale figur.

Dette er fremhævet i figur 4, hvor r = 80 ms.

Udvekslingsydelsen mellem den PWM-bestilte driftscyklus sammen med den maksimale outputamplitude er variabel i DRV10963-enheden.

Udfaldets maksimale amplitude diskuteres af ligning 1, når PWM-kommando> mindst fungerende driftscyklus. Den laveste driftscyklus er ofte etableret til muligvis 13%, 10%, 5% eller ingen begrænsning ved OTP-indstilling (MINOP_DC1: 0).

Tabel 1 viser de anbefalede konfigurationer til den minimale driftscyklus.

Når den PWM-instruerede driftscyklus er mindre end den lavest fungerende driftscyklus og mere end 1,5%, vil output reguleres ved den minimale driftscyklus. Hver gang inputcyklus er under 1,5%, vil DRV10963-enheden sandsynligvis ikke køre output og sendes til standbytilstand.

Dette kan illustreres i figur 6.

minimum driftscyklus

Rotationskonfigurationer

DRV10963 starter motoren ved hjælp af en teknik, der er detaljeret beskrevet i figur 7.

blokdiagram over DRV10963 motorstart

Motorinitialiseringsgrafen består af enhedskonfigurerbare alternativer til åben sløjfe for at lukke sløjfeomskiftningsgrænse (HOW.), Justere tid (TAHQH) og accelerere hastighed (RACE).

For at linjere rotoren til kommuteringslogikken udfører DRV10963 en x% -cyklus på faser V og W samtidig med at styre fase U ved GND.

Dette scenario opretholdes i TAIign sekunder. X% -betydningen identificeres af VCC-spændingen (som vist i tabel 2) for at holde rigeligt drejningsmoment over forskellige forskellige forsyningsspændinger.

Efterhånden som justeringssekvensen opnås, tvinges motoren til at fremskynde ved at sætte på sinusformede fasespændinger med spidsniveauer som illustreret i tabel 2 og boost ved hjælp af kommuteringsområdet med en ekspanderende hastighed repræsenteret af RACE indtil kommuteringsniveauet vokser til Hom ., Hz.

Så snart denne grænse er nået, konverterer DRV‘l0963 til lukket kredsløbstilstand, hvorved kommutationsdrevsprogressionen genkendes af den indbyggede kontrolalgoritme, mens den anvendte spænding identificeres af den PWM-mandaterede driftscyklusindgang.

Den åbne sløjfe for at lukke omskiftningsgrænse (Hom), justeringstid (TAHQH) og accelerationshastigheden (RACE) kan konfigureres gennem OTP-konfigurationer.

Valget af handoff-tærskel (HOW,) godkendes typisk ved prøve- og fejlvurdering. Målet ville være at foretrække en handoff-tolerance, der kunne være så lidt som mulig, og som gør det muligt for motoren ubesværet og trofast at skifte mellem den åbne sløjfeacceleration og den lukkede sløjfeacceleration.

Almindeligt forøgede hastighedsmotorer (maksimal hastighed) nødvendiggør en overlegen overdragelsestolerance på grund af det faktum, at motorer med forhøjet hastighed omfatter nedsat Kt, derfor billigere BEMF.

Tabel 3 viser de konfigurerbare præferencer for handoff-tolerance. Højeste hastighed i elektrisk Hz er bevist som en reference til at hjælpe med at vælge den ønskede handoff-hastighed til en bestemt indsendelse.

ønsket afleveringshastighed for en bestemt indsendelse.

Valget af justeringstid (TAHQH) og accelerationshastighed (RACE) kan endda være betinget af prøve- og fejlundersøgelse.

Motorer med større inerti kræver normalt en forlænget justeringstid og en mere træg hastighedshastighed i modsætning til motorer med lav inerti, der ofte kræver en kortere justeringstid sammen med en hurtigere accelerationsprocent. Programafvejninger skal implementeres for at udnytte lanceringsstabilitet i modsætning til rotationsperioden.

TI støtter startende med at beslutte de mindre intense konfigurationer (langsommere RACE og signifikant Tmign) for at kompromittere momentet for at understøtte den maksimale opfyldelsesrate.

Så snart udstyret er bekræftet til at udføre samvittighedsfuldt, kan de ekstra kraftige konfigurationer (større RACC og mindre TAHQH) bruges til at mindske svingmomentet og samtidig nøje holde styr på opfyldelsesgraden.

Tabel 4 viser de konfigurerbare indstillinger for TA'g ,, og RACE.

Den resterende del af forklaringen vedrørende denne sensorløse BLDC IC er leveret i dette originale datablad

Du er velkommen til at kommentere for at vide mere om de ovenfor diskuterede sensorløse BLDC-motorchaufføroplysninger




Forrige: 12V LED rygsæk strømforsyningskredsløb Næste: Quadcopter Remote Control Circuit uden MCU