欧亚国际APP:工业BLDC系统如何精准测量电机的扭矩和速度？

来源：欧亚体育官网 作者：欧亚体育官网登录|发布时间：2024-09-08 09:25:43

　　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。

　　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。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。

　　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）。

　　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°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。

　　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；外部微将会计算第三个绕组的相电压。

　　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。

　　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。

　　为实现X-Y-Z三维工作台的精确定位，设计了一种基于STM32F103VCT6单片机和步进电机的三维微位移控制系统。该系统可与上位机实现串口通信，接收上位机命令并把处理结果反馈给上位机；根据光栅传感器提供的位置反馈信息，系统可以通过对步进电机的方向、速度调节来实现精确定位；采用匀加速和匀减速方式对步进电机的速度进行调节，避免了因步进电机的突然加速和急停所带来的丢步和冲击现象。控制系统的测量实验结果表明，步进电机运行平稳，噪音低，定位精度高，控制系统性能稳定可靠。 微位移控制系统是一种集机械、光学、电子和计算机等多种技术于一体的智能化仪器。在先进制造技术与科学研究中有着极其广泛的应用，也是现代工业检测、质量控制和制造技术

　　系统设计 /

　　/* DriverLib Includes */ #include ti/devices/msp432e4/driverlib/driverlib.h /* Standard Includes */ #include stdint.h #include stdio.h #include stdbool.h unsigned long COUNT = 0; unsigned long POS = 0; int s; int d; //******************************************************************** //QEI0初始化 int QEIInit

　　在许多场合，因为步进电机的电流电压较高，比如有的步进电机最大输出电流8A，电压325V，再加上其外壳未采用铝合金外壳进行磁屏蔽，因此对高灵敏的接收机系统造成干扰，使其无法工作，并且干扰电源，尤其在高频时，可能造成控制系统的单片机和上位机无法进行正常通讯，严重者造成单片机死机，给正常使用造成了困难，因此干扰问题必须加以解决。 1、加装电源滤波器，减少对交流电源的污染。 2、“一点接地”原则。将电源滤波器的地、驱动器PE（地）（驱动器与机箱底板绝缘）、控制脉冲PULSE-和方向脉冲DIR-短接后的引出线、步进电机接地线、步进电机驱动器与步进电机之间电缆防护套、步进电机驱动器屏蔽线均接到机箱壁上的接地柱

　　工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。一般情况下，对于交流伺服驱动器，可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现位置控制、速度控制、转矩控制等多种功能。 1.如何正确选择伺服电机和步进电机？ 答：主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或的型号。 2.选择步进电机还是伺服电机系统？ 答：其实，选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。 3.如何配用

　　随着永磁同步电机设计进一步高速化以及扁线绕组（Hairpin绕组）的使。