センサーレスBLDCモータードライバー回路

この投稿では、BLDCモーターとは何かを調査し、その後、センサーレスBLDCモータードライバー回路の設計について学習します。

BLDCCPUファン

CPU、電圧スタビライザー、DVDプレーヤー、およびその他の同様の機器で、最小限のスペースと電流を消費しながら、特定の機器に規定されている重要な操作を実行できる、動きの速いファンを見たことがありますか？

はい、これらはすべて最新バージョンのBLDCファンまたはブラシレスDCモーターであり、古い従来のブラシ付きモーターよりもはるかに優れています。

画像提供：https：//en.wikipedia.org/wiki/Computer_fan#/media/File：Geh％C3％A4usel％C3％BCfter.jpg

ただし、BLDCモーターには高度なドライバー回路が必要です。もちろん、これらのCPUファンにはすべて、これらのドライバーモジュールが組み込まれていますが、通常のDCを使用して簡単に操作できるように見えますが、内部にはシステムにスマート回路がすでに装備されています。

BLDCモータードライバー

ここでは、そのようなスマートBLDCモータードライバー回路の1つについて学び、シングルチップDRV10963を使用して小さなBLDCモーターを信じられないほどの効率で駆動します。また、今後の記事の1つで、このIC回路をアップグレードして駆動する方法についても説明します。次のような強力な大電流BLDC クワッドコプターで使用されます。

しかし、この前に、BLDCモーターについて少し学ぶことは興味深いでしょう。

ブラシ付きDCモーターとブラシレスDCモーターの違い

ブラシ付きモーターとブラシレスモーターの違いと効率率はかなり明白です。

ブラシ付きモーターは、巻線アーマチュア自体が磁石間を移動するため、「ブラシ」（摩擦接点）を使用して、移動するコイル端子が供給源自体に到達することなく供給電圧を一貫して受け取ることができるようにする必要があります。不可能な作業をし、操作を危険にさらします。

ブラシレスモーターでは、コイルまたは巻線は決して移動せず、一定です。ここでは、ローターは永久磁石のセットを運び、周囲の巻線の磁束の影響を受けて回転します。

磁石は煩わしさがなく、端子を使わずに電力を管理したり受け取ったりできるため、高速でほぼノイズのないレベルで簡単に回転できます。

しかし、ここには問題があります。電磁石を永久磁石の磁束に応答させるには、磁気の位相または極を一定にシフトする必要があります。これにより、2つの対応物が絶えず反応し、反対の力を受けて、必要なねじり力を解放します。ローターを回転させ、合成トルクで回転させます。

ブラシ付きモーターでは、アーマチュアコイルの自己調整機能により、外部パルスや処理を必要とせずに回転して自立した反対の磁力を生成し、回転を続けることができるため、これが容易になります。

ただし、BLDCでは、マグネットローターが「無知」のままであり、無計画ではなく意味のある方法で回転するために、巻線からの計算された磁気コマンドが必要になるため、これは問題になります。

そのため、すべてのBLDCモーターは、モーター内部の3つの異なる巻線セットを指令するためにモータードライバー回路を強制的に必要とします。

したがって、すべてのBLDCは本質的に3相モーターであり、ローターに回転トルクを生成するために3相を強制的に必要とします。

センサーレスBLDCドライバーは何をしますか

センサーレスBLDCドライバー回路は、磁気ローターが一貫した反対の力を通過できるように、3セットの巻線を順番に単に帯電させ、モーターが持続的なトルクと回転力を達成できるようにします。

しかし、回路によるBLDC巻線のこの順次給電は、ランダムに設定することはできません。タンデムにするか、ローターマグネットの回転位置に応答する必要があります。そうしないと、実装が失敗し、モーターシャフト（ローター）が目撃される可能性があります。 ）無計画に回転します。つまり、時計回りと反時計回りの間で、意味のある回転がなく、けいれんします。

BLDCモーターでセンサーが使用される理由

したがって、多くのBLDCモーターのバリエーションの内部に配置されたセンサーを紹介します。これらのセンサー（通常はホール効果センサー）は、ローターマグネットの磁極の位置の変化を「理解」し、接続されたプロセッサ回路に対応する巻線を帯電させて回転運動を実行するように指示します。最適なトルクで。

ホール効果センサーは、サイズが比較的大きいほとんどのBLDCモーターで効果的に使用されますが、CPUファン、CPUドライブ、DVDプレーヤー、小型排気ファンなどの小さなモーターでは、クワッドコプターで使用されるモーターでは、ホール効果センサーが不適切になる可能性があります。したがって、代替のセンサーレスアプローチが実装されます。

これには、関連する巻線のセットを処理および帯電させ、回転トルクを実行するための参照ソースとして使用される、巻線に固有の逆起電力電気の利用が含まれます。

BLDCローターの動きのシミュレーション

上記の大まかなシミュレーションでは、リリースされた逆起電力がどのように参照され、中央の永久磁石ローターに回転トルクを課して、後続の巻線セットのシーケンスパルスを生成するために使用されるかを視覚化できます。シミュレーションは正確な複製ではないかもしれませんが、それでも動作原理の大まかなアイデアを提供します。

磁石のN / Sが巻線コアのちょうど中心にあるときにパルスが切り替わることに注意してください。これにより、巻線はパルスの極性に応じてNまたはSとして通電され、引き付けと反発が発生します。 N / S磁石に力を加えることにより、可能な最大レベルで必要なトルクを生成します。

そして、これは、前の巻線の切り替えによって解放された逆起電力によって順番に可能になります。

上記の説明は、センサーレスBLDCモーターの動作を明確にします。次に、指定された回路が上記の3相スイッチングの複雑な実行をどのように処理するかを学びましょう。

BLDCドライバーDRV10963

いくつかグーグルした後、私はこのセンサーレスBLDCドライバー回路がシングルチップDRV10963を使用していることを発見しました。これは、構成にごくわずかな部品を使用し、それでも意図されたアクションに対して高度な処理を実装できます。

DRV10963は、モーター巻線からの逆起電力を予測し、巻線に対して正確なコマンドを提供し、ローターに対して最適な回転トルクを実現することにより、センサーレスBLDCモーターを操作するように特別に設計された最先端のチップです。

回路図

上の画像は、明らかにIC自体だけを含む回路の単純なレイアウトを示しています。

さまざまなピン配置は、モーターのPWM速度制御、方向制御などの指定された機能を実行するために割り当てられ、外部ソースから指定されたデータを関連するピン配置に供給するだけです。

次の画像は、10ピンDIL ICのように見えるチップのパッケージを示しています。このチップのさまざまなピン配置機能は、図の下に示されているデータから調べることができます。

提案されたセンサーレスBLDCドライバー回路の回路図を参照する 前の記事と上のチップ画像で示したように、ピン配置の詳細は次のように理解できます。

ICピン配列の詳細

FG =内部BJTを備えたオープンコレクターモードで装備されているのは、モーター速度インジケーターピン（出力）です。

オープンコレクターは、このピン配置の出力がオープンコレクターとグランド間のシンクロジックを介して負のPWMを生成することを意味します。したがって、有効な読み取り値を取得するには、ユーザーはこのオープンコレクターと正の電源（5V）の間にプルアップ抵抗を接続する必要があります。 ）このピン配置で速度表示を達成するため。

FGS =これは速度インジケータセレクタ入力です。つまり、インジケータピンFGのオン/オフを切り替えるために、ここにロジックハイまたはローを導入できます。

Vcc = ICが動作できるようにするためのICへの正の電源は5Vを超えてはなりません。

W、U、Vは、このICを介して動作することになっているBLDCモーターの3相出力です。これは、モーターコイルの必要な同期スイッチングのためにモーターEMFパルスを検出するための入力のようにも機能します。

GND = Vddピンに対するICの負の電源ピン配列を指します。

FR =モーターの方向を選択または命令するのに役立ち、システムに電力が供給されると、外部ロジックハイまたはロジックローを導入するだけで、いつでも動的に変更できます。

PWM =それはからのPWM制御入力を意味します 外部PWM波形発生器。

このPWM入力は、接続されたBLDCモーターの目的の速度制御を実装するために可変にすることができます。

チップの中央にある点線のスペースはサーマルパッドを示しています。サーマルパッドは、負荷のかかったBLDCモーターで使用しているときに、チップに発生する可能性のある熱を吸収するために、ヒートシンクでクランプまたはプレスできます。

上記の説明では、センサーレスBLDCモータードライバーチップDRV10963のピン配置または接続の詳細について説明しました。次に、次の点を参考にして、チップの内部構成と機能を詳細に分析します。

デバイスの説明

DRV10963は、パワーMOSFET（3相Hブリッジ）を内蔵した3相センサーレス電気モーターオペレーターです。生産性の向上、騒音の低減、二次材料数の少ないモーター駆動機能に合わせて調整されています。独自のセンサーレスウィンドウ-Iess180°正弦波管理スキームにより、ノイズのないモーター通勤効率が実現します。

スマートロック検出機能で構成されたDRV10963は、追加の内蔵セキュリティ回路と組み合わせて、安全なパフォーマンスを実現します。 DRV10963は、カバーされていないサーマルマットを備えた熱効率の高い10ピンUSONパッキンに含まれています。

ICのしくみ

DRV10963製品は、パワーMOSFETを注入した3相センサーレスモーターオペレーターです。
優れた性能、低共振、最小限の表面部品数モーター駆動機能のために特別に作成されました。

主要なセンサーレスウィンドウレス180°正弦波制御プランは、電気的に刺激されたトルクリップルを公称値に維持することにより、ノイズのないモーター機能を提供します。初期化時に、DRV10963デバイスはFR入力ピンを介して指定されたコースでモーターを回転させます。

DRV10963チップは、正弦波制御計画を利用して3相BLDCモーターを機能させます。

採用されている正弦波相電圧の重要性は、PWMピンのデューティサイクルに依存します。モーターが動いている間、DRV10963ICはFGピンで速度データを配信します。

DRV10963ユニットは、スマートロックセンス機能で構成されています。モーターが外部からの圧力によって停止するような場合、プログラムはロックの問題を特定し、モーターと一緒にそれ自体で保護するための対策を講じます。

ロックセンス回路の特定の手順は、ロック検出に詳細に示されています。 DRV10963 ICには、過電流保護、過電圧保護、過電圧保護、過熱保護などの複数の安全回路が組み込まれています。

特徴的な説明

速度入力と制御

DRV10963は、3相25 kl-lz PWM出力を提供します。これは、相から相への正弦波形の標準的なパーセンテージを持つ場合があります。グランドに関していずれかのサイクルが決定された場合、検出された波形は、図2に示すように、3次高調波と組み合わされたPWM保護正弦波である可能性があります。

このコーディング戦略は、ゼロと同等の1つのフェーズ出力が存在することが多いため、ドライバーの仕様を合理化します。

結果の振幅は、式1で定義され、図3で強調表示されているように、電源電圧（VCC）と必須のPWMデューティサイクル（PWM）によって異なります。最適な振幅は、指示されたPWMデューティサイクルが100PERCENTになると実装されます。

Vphpk = PWMdc>

モーター速度は、モーターに使用される相電圧の振幅を調整するためにPWMオーダーを使用して直接調整されるのではありません。

PWM入力のデューティサイクルは、9ビットのデジタル量（0から511）に変更されます。

規制の解像度は1/512 == 0.2％です。デューティサイクルアナライザは、入力デューティサイクルと9ビットのデジタル数値の間での初期注文交換操作を容易にします。

これは、r = 80ミリ秒である図4で強調表示されています。

DRV10963デバイスでは、PWM順序のデューティサイクルと出力最大振幅の間の交換性能が可変です。

“光センサーの作り方 ”

結果の最大振幅は、PWMコマンド>最小機能デューティサイクルの場合の式1で説明されます。最も低い動作デューティサイクルは、多くの場合、OTP設定（MINOP_DC1：0）によって、おそらく13％、10％、5％、または制限なしに確立されます。

表1は、最小動作デューティサイクルの推奨構成を示しています。

PWMで指示されたデューティサイクルが最低機能デューティサイクルより小さく、1.5％を超える場合は常に、出力は最小動作デューティサイクルで調整されます。入力デューティサイクルが1.5％未満の場合は常に、DRV10963デバイスは出力を実行しない可能性が高く、スタンバイモードに送信されます。

これを図6に示します。

回転構成

DRV10963は、図7で詳細に説明されている手法を使用してモーターを始動します。

モーター初期化グラフは、開ループから閉ループへの切り替え制限（HOW。）、調整時間（TAHQH）、および加速速度（RACE）のデバイス構成可能な代替案で構成されています。

回転子を転流ロジックに合わせるために、DRV10963はフェーズVとWでx％のデューティサイクルを実行すると同時に、GNDでフェーズUを制御します。

このシナリオはTAIign秒間持続します。 x％の重要性は、さまざまな異なる電源電圧にわたって十分な回転トルクを維持するためのVCC電圧（表2に示す）によって識別されます。

アラインシーケンスが完了すると、モーターは、表2に示すようにピークレベルの正弦波相電圧を印加し、転流レベルがHomに達するまで、RACEで表される拡張率で転流範囲によってブーストすることによって強制的に高速化されます。 。、Hz。

この制限に達するとすぐに、DRV'l0963は閉ループモードに変換されます。これにより、転流ドライブの進行が内蔵の制御アルゴリズムによって認識され、使用される電圧はPWMの必須デューティサイクル入力によって識別されます。

開ループから閉ループへの切り替え制限（Hom）、整列時間（TAHQH）、および加速速度（RACE）は、OTP構成を介して構成できます。

ハンドオフしきい値（HOW、）の選択は、通常、試行錯誤の評価によって承認されます。目的は、可能な限り小さくすることができ、モーターが開ループ加速と閉ループ加速の間で楽にそして忠実に切り替えることを可能にするハンドオフ許容値を好むことであろう。

一般に、高速モーター（最大速度）は、高速モーターがKtの低下を含み、したがってより手頃なBEMFを含むため、優れたハンドオフ耐性を必要とします。

表3は、ハンドオフ許容値の構成可能な設定を示しています。電気Hzでの最高速度は、特定の送信に望ましいハンドオフ速度を選択するのに役立つ参照として証明されています。

アラインタイム（TAHQH）と加速率（RACE）の選択は、試行錯誤の検討に左右されることもあります。

慣性が大きいモーターは通常、整列時間が長くなり、加速速度が遅くなります。これに対して、慣性が小さいモーターは、整列時間が短くなり、加速率が速くなります。プログラムのトレードオフは、期間をローテーションするのではなく、ローンチの安定性を活用するために実装する必要があります。

TIは、最大フルフィルメント率をサポートするためにトルクアップ時間を妥協するために、強度の低い構成（RACEが遅くTmignが大きい）を決定することから始めることを承認します。

機器が良心的に機能することが確認されるとすぐに、追加の強力な構成（RACCが大きくTAHQHが小さい）を使用して、ターンアップモーメントを減らし、同時にフルフィルメント率を注意深く追跡することができます。

表4に、TA'g 、、およびRACEの構成可能な設定を示します。

このセンサーレスBLDCICに関する説明の残りの部分は提供されています この元のデータシートで

上記のセンサーレスBLDCモータードライバー回路の詳細について詳しくは、コメントしてください。

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