Jak rychle spustit návrh řízení bezkartáčového stejnosměrného motoru pomocí vysoce integrovaných obvodů

Kvůli zrychlujícímu se posunu směrem k elektronickému řízení mechanických systémů, který je z velké části poháněn internetem věcí (IoT) a elektrifikací automobilů, používají konstruktéři na základní úkoly motory s nízkou spotřebou v aplikacích od domácích spotřebičů, dveřních zámků, dálkově ovládaných rolet až po automobilová čerpadla, sedadla, okna a dveře. Tyto stejnosměrné motory, které se pohybují v hodnotách od malých v řádu nepatrných zlomků koňských sil až po několik koňských sil, jsou všudypřítomné, přestože nejsou téměř vidět.

Zatímco zdokonalení motorů, stejně jako lepší a snáze použitelná technologie řízení motorů, tomuto rychlému šíření napomáhají, konstruktéři zůstávají pod neustálým tlakem, aby vylepšovali účinnost a snižovali náklady a zároveň dosáhli větší přesnosti a vyšší spolehlivosti.

Varianty bezkartáčového stejnosměrného motoru (BLDC) a krokového motoru (jiný typ bezkartáčového stejnosměrného motoru) mohou konstruktérům pomoci splnit tyto stále náročnější cíle v oblasti výkonu a ceny, ale pouze s pečlivým zvážením řadiče motoru a obvodů motorového pohonu. Řadič musí dodávat vhodné hnací signály do spínačů elektronického pohonu motoru (obvykle tranzistory MOSFET), a to s pečlivě řízeným časováním a dobou trvání. Musí také řídit trajektorii náběhu/poklesu výkonu motoru a také detekovat nevyhnutelné jemné problémy a těžké poruchy motoru nebo zátěže a přizpůsobovat se jim.

Tento článek pojednává o funkcích, které motorům BLDC poskytují řídicí integrované obvody. Je v něm poskytnut celkový pohled na elektrické vlastnosti motorů BLDC a vysvětleno, jak sofistikovaný řadič umožňuje motoru BLDC splnit aplikační cíle pomocí řady řídicích integrovaných obvodů motorů RAJ306010 společnosti Renesas.

Cesta řízení motoru a motor

Cesta od softwaru pro řízení pohybu k motoru se skládá z procesoru, na kterém software běží, hradlových budičů pro zařízení spínajících výkon motoru a motoru (obrázek 1). Může také existovat cesta od senzoru na motoru zpět k procesoru přes analogový front-end, který poskytuje informace o poloze nebo rychlosti rotoru motoru pro potvrzení výkonu a uzavření zpětné vazby.

Obrázek 1: Dnešní řízení motoru začíná softwarem zabudovaným jako firmware do procesoru řídícího hradlové budiče, které zase přepínají napájení do vinutí motoru. Může také existovat senzorem řízená zpětnovazební smyčka z motoru zpět do procesoru. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Konstruktéři mají pro bezkartáčový stejnosměrný motor dvě hlavní možnosti: motor a krokový motor. Oba fungují díky magnetické interakci mezi svými vnitřními permanentními magnety a přepínáním svých elektromagnetických cívek. Výběr toho, který z těchto dvou použít, závisí na jejich relativních výhodách a nevýhodách s ohledem na zamýšlenou aplikaci.

Obecně jsou motory BLDC vysoce spolehlivé, účinné a mohou dodávat velké množství točivého momentu v celém rozsahu rychlostí. Statorové póly motoru jsou postupně napájeny, což způsobí otáčení rotoru (s jeho permanentními magnety). Motory BLDC mají po obvodu obvykle tři elektronicky řízené statory (obrázek 2).

Obrázek 2: Statory motoru BLDC jsou napájeny v takovém pořadí, že se otáčí rotor s permanentním magnetem. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Mezi klíčové vlastnosti motoru BLDC patří odezva, rychlá akcelerace, spolehlivost, dlouhá životnost, vysokorychlostní provoz a vysoká hustota výkonu. Často jsou volbou v aplikacích, jako jsou zdravotnické přístroje, chladicí ventilátory, akumulátorové elektrické nářadí, gramofony a automatizační zařízení.

Krokový motor funguje podobně jako motory BLDC až na to, že se pohybuje mnohem menšími rotačními pohyby rozdělením plné rotace do velkého počtu kroků se stejným úhlem (typicky 128 nebo 256). Namísto kontinuálního otáčení je rotor motoru postupně poháněn tak, aby s ním procházel nebo krokoval v těchto malých úhlových krocích (obrázek 3). To umožňuje přesné umístění rotoru, protože je synchronizován s magnetickým polem vytvářeným napájenými póly statoru.

Obrázek 3: Krokový pohyb má velký počet statorových pólů, které jsou uspořádány kolem rotoru a jejich permanentních magnetů; napájením těchto pólů v řízeném sledu se rotor otáčí a postupuje v malých úhlech. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Krokové motory jsou spolehlivé, přesné a nabízejí rychlou akceleraci a odezvu. Vzhledem k jejich krokovému provozu a konstrukci motoru jsou řízení s otevřenou smyčkou a stabilita polohování často dostačující i pro přesné aplikace, jako jsou jednotky CD, ploché skenery, tiskárny a plotry. Pokročilé aplikace mohou přidat snímač zpětné vazby a řízení s uzavřenou smyčkou pro větší přesnost a potvrzení výkonu.

Možnosti řízení motoru BLDC

Na rozdíl od střídavých indukčních nebo kartáčových stejnosměrných motorů, kde je primárním prostředkem pro řízení rychlosti a točivého momentu nastavení napájecího napětí, je motor BLDC řízen pečlivým načasováním zapínání a vypínání tranzistorů MOSFET s výkonovým spínáním. To umožňuje motoru efektivně a přesně zvládnout širokou škálu úkolů.

Tyto požadavky se mohou pohybovat od zajištění vysokých otáček za minutu potřebných k pohybu velkého množství vzduchu pro zajištění sání v bezdrátových vysavačích až po elektrické nářadí, které musí mít vysoký rozběhový moment, zejména pokud se motor zpomaluje při zátěži. V mnoha aplikacích musí být motor také schopen zvládnout velké změny zatížení, které vyžadují rychlé doby odezvy, aby byly zachovány konzistentní otáčky.

Pro řízení motoru BLDC existují běžné strategie: základní 120° řízení zapínání/vypínání a vektorové řízení. Při 120° řízení zapínání/vypínání jsou dvě ze tří cívek motoru BLDC napájeny a šest napájecích schémat se přepíná v rotující sekvenci, aby bylo podporováno otáčení v obou směrech (obrázek 4).

Obrázek 4: Statorové póly motoru BLDC (vlevo) mohou být napájeny buď ve směru hodinových ručiček, nebo proti směru hodinových ručiček (vpravo), a tím pohánět rotor v obou směrech podle požadavků aplikace. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

V tomto režimu jsou cívky statoru napájeny proudem zapnutí/vypnutí (čtvercový průběh vlny), což má za následek lichoběžníkový profil zrychlení, když se motor rozbíhá do otáček, udržuje rychlost a ta pak klesá, když cívky přestanou být napájeny. Výhodou tohoto přístupu je základní jednoduchost a přímočaré ovládání.

Metoda je však zranitelná na kolísání výkonu se zatížením a dalšími změnami a přesnost a účinnost nejsou pro některé aplikace dostatečně vysoké. Sofistikované algoritmy v řadiči motoru mohou tyto nedostatky do určité míry překonat úpravou časování zapnutí/vypnutí tranzistoru MOSFET a také použitím proporcionálně-integrálně-derivačního (PID) nebo proporcionálně-integrálního (PI) řízení.

Alternativou, která je čím dál atraktivnější, je vektorové řízení, nazývané také řízení orientované na pole (FOC). Při tomto přístupu jsou všechny tři cívky napájeny prostřednictvím nepřetržitého řízení rotujícího magnetického pole, což má za následek plynulejší pohyb ve srovnání se 120° řízením. Vektorové řízení se již nyní používá v mnoha produktech pro masový trh, jako jsou pračky prádla.

Ve vektorovém řízení je proud do jednotlivých statorových cívek měřen a řízen pokročilými algoritmy, které vyžadují složité numerické zpracování. Algoritmus musí také nepřetržitě transformovat hodnoty třífázového střídavého proudu na hodnoty dvoufázového stejnosměrného proudu (proces zvaný transformace souřadnic do fáze), čímž se zjednoduší následné rovnice a výpočty potřebné pro řízení (obrázek 5). Výsledkem vektorového řízení, pokud se provádí správně, je vysoce přesné a efektivní řízení.

Obrázek 5: Část algoritmu vektorového řízení vyžaduje transformaci souřadnic do fáze ke zjednodušení složitých numerických výpočtů. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Možnosti senzoru pro zpětnou vazbu

Motory BLDC lze ovládat v topologii otevřené smyčky bez signálu zpětné vazby nebo pomocí algoritmu s uzavřenou smyčkou se zpětnou vazbou ze senzoru na motoru. Rozhodnutí je funkcí přesnosti, spolehlivosti a bezpečnosti aplikace.

Přidání senzoru zpětné vazby zvyšuje náklady a složitost algoritmu, ale zvyšuje také spolehlivost výpočtů, což je v mnoha aplikacích nezbytné. V závislosti na aplikaci je hlavním parametrem pohybu buď poloha rotoru, nebo rychlost. Tyto dva faktory spolu úzce souvisejí: Rychlost je časovou derivací polohy a poloha je časový integrál rychlosti.

Téměř všechny zpětnovazební senzory indikují ve skutečnosti polohu a řadič může jejich signály přímo použít nebo vyvinout derivaci k určení rychlosti. V jednodušších případech je primární role zpětnovazebního senzoru spíše jako bezpečnostní kontrola základního výkonu motoru nebo jako indikátor zablokování než řízení v uzavřené smyčce.

Běžně se používají čtyři typy zpětnovazebních senzorů: zařízení s Hallovým efektem, optické kodéry, rezolvery a indukční senzory (obrázek 6). Každý z nich nabízí jiné vlastnosti výkonu, rozlišení a cenu.

Obrázek 6: Uživatelé mají širokou škálu možností senzorů, pokud jejich systém potřebuje zpětnovazební signál motoru, od zařízení s Hallovým efektem po kodéry, rezolvery a indukční senzory. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Zařízení s Hallovým efektem jsou obecně považována za nejjednodušší, nejsnadněji se instalují a jsou vhodná pro mnoho situací. Optické kodéry jsou k dispozici s řadou rozlišení od nízkých po středně vysoké, ale jejich instalace je výzvou a mohou mít určité dlouhodobé problémy se spolehlivostí. Rezolvery a indukční senzory jsou větší, těžší, dražší a mají jisté problémy s rozhraním, ale poskytují velmi vysoké rozlišení a dlouhodobý výkon.

Dodávání proudu

Póly bezkartáčových motorů – ať už BLDC, nebo krokových – jsou elektromagnetické „cívky“, a proto musí být poháněny spíše proudem než napětím. Ke správnému napájení těchto pólů musí řídicí systém motoru dodávat tento proud pomocí spínačů zapnutí/vypnutí (ve většině případů tranzistorů MOSFET) s přesným časováním, šířkou impulzu a řízenými rychlostmi přeběhu, aby motor poháněl správně a efektivně. Uspořádání pohonu musí také chránit tranzistory MOSFET proti různým poruchovým stavům, jako je zastavení motoru, nadměrné požadavky proudu, tepelná přetížení a zkraty.

U relativně malých motorů, které obvykle vyžadují méně než 500 miliampérů až jeden ampér, je možné zabudovat hradlové budiče tranzistorů MOSFET a dokonce i tranzistory MOSFET do pouzdra integrovaného obvodu řízení motoru, čímž se zachovají co nejmenší rozměry. I když je to pohodlné a zjednodušuje to návrh, v mnoha případech to není praktická volba z několika důvodů:

• Polovodičové procesy pro vysoce výkonné tranzistory MOSFET jsou velmi odlišné od procesů používaných pro digitální logiku řadiče, takže konečný návrh kombinace je kompromisem (ale takovým, který může být přijatelný).
• Výkonová ztráta tranzistorů MOSFET a regulace tepla jsou do značné míry diktovány potřebami napájení aplikace. Se zvyšováním úrovně proudu a výkonu mohou rozptyl tranzistoru MOSFET na čipu a generované teplo brzy překročit limity pouzdra. V těchto případech je lepším řešením oddělit digitální a napájecí funkce, což umožňuje konstruktérovi optimalizovat umístění a regulaci tepla tranzistorů MOSFET.
• A konečně, jak se úrovně proudu vyžadované motorem zvyšují, může se stát problémem zvýšení poklesu napětí poháněné odporem proudu v napájecích vodičích motoru. V důsledku toho je vhodné umístit spínací zařízení blíže k zátěži.

Z těchto důvodů zahrnuje mnoho integrovaných obvodů řízení motoru a pohybu všechny potřebné funkce kromě výkonových tranzistorů MOSFET. Topologie více MOSFET se často nazývá funkce invertoru. Použití diskrétních tranzistorů MOSFET dává konstruktérovi flexibilitu při výběru zařízení se správnou kombinací specifikací pro faktory, jako je zatěžovací proud, „zapnutý“ odpor, typ pouzdra a spínací charakteristiky.

Sofistikované integrované obvody splňují požadavky na řízení motoru

V minulosti vyžadovalo pokročilé řízení motoru sestavu integrovaných obvodů. Typicky to může zahrnovat procesor nižší třídy, který vydává obecné příkazy s vyhrazeným numerickým koprocesorem pro implementaci nezbytných algoritmů, nebo špičkový procesor, který provádí obojí, spolu s obvody hradlového budiče pro výkonová zařízení. Nejenže to vyžadovalo větší rozměry desky plošných spojů a delší kusovník, ale často docházelo k integraci systému a souvisejícím problémům s laděním.

Dnešní integrované obvody řízení motoru to však zvládnou v jediném zařízení, jak ukazuje model RAJ306010 společnosti Renesas (obrázek 7). V řadiči RAJ306010 je mnoho funkčních bloků, které se specificky zaměřují na jedinečné potřeby návrhů řízení motorů.

Obrázek 7: Integrovaný obvod řadiče RAJ306010 společnosti Renesas má funkcionalitu požadovanou pro vysoce pokročilé řízení motoru (kromě výkonových tranzistorů MOSFET), a proto zabírá méně místa než řešení s více integrovanými obvody a zároveň zjednodušuje jak kusovník, tak integraci návrhu. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Tento integrovaný obvod pro řízení motoru pro všeobecné použití je určen pro aplikace třífázových bezkartáčových stejnosměrných motorů. Kombinuje a těsně integruje dvě nesourodé role v malém 64vodičovém pouzdru QFN 8 × 8 mm: funkci digitálního řadiče a převážně analogovou funkci předřadiče. Funguje s napájením od 6 do 24 V a zaměřuje se na samostatné, převážně autonomní aplikace, jako je elektrické nářadí, zahradní nářadí, vysavače, tiskárny, ventilátory, čerpadla a robotiku. (Všimněte si, že jinak téměř totožný model RAJ306001 je 6 až 30voltová verze, která má stejný datový list jako model RAJ306010.)

Na digitální straně obsahuje řadič RAJ306010 16bitový mikrokontrolér (třídy RL78/G1F společnosti Renesas) podporovaný 64 kB flash paměti ROM, 4 kB datové flash paměti ROM a 5,5 kB paměti RAM. Kromě toho je k dispozici značné množství digitálních I/O: I/O pro všeobecné použití (GPIO), SPI, I²C a UART. Použít lze také devítikanálový 10bitový analogově-digitální převodník (ADC), který přivádí analogové signály do zařízení.

Chcete-li použít model RAJ306010, nahraje konstruktér systému požadované provozní parametry do příslušných řídicích registrů flash paměti, aby se nastavily požadované provozní režimy a podmínky. Integrovaný obvod je pak připraven fungovat po zapnutí bez potřeby dalšího mikrokontroléru, jak je vidět na blokovém schématu vysoké úrovně typické aplikace (obrázek 8).

Obrázek 8: Toto blokové schéma vysoké úrovně systému základní aplikace využívající řadič RAJ306001 ukazuje, jak vysoká úroveň integrace minimalizuje potřebu dalších diskrétních součástek. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Analogová strana řadiče RAJ306010 obsahuje tři polomůstkové hradlové budiče s nastavitelným špičkovým proudem hradla až 500 mA, funkci samonastavitelného generátoru mrtvého času, aby se zabránilo „prohoření“ a poškození můstku, zesilovač pro snímání proudu a zpětný zesilovač EMF. Integrované nábojová pumpa zesiluje poskytovaný hradový budič až na 13 V ze zdroje nižšího napětí.

K dispozici je přímá podpora pro senzory s Hallovým efektem a analogový front-end (AFE) lze také použít k podpoře jiných typů zpětnovazebních senzorů. Jako u každého správně navrženého řízení motoru existují funkce včetně ochrany proti přehřátí, blokování přepětí/podpětí (UVLO), detekce nadproudu a ochrany proti zablokování motoru.

Příklad na obrázku 9 ukazuje, jak si řadič RAJ306010 snadno poradí se základní samostatnou aplikací, jako je 24voltový akumulátorový mixér, ačkoli by to mohl být téměř jakýkoli jiný malý spotřebič. Všimněte si, že většina obvodů je věnována nabíjení a správě osmičlánkového bateriového bloku, zatímco řízení motoru vyžaduje pouze řídicí integrovaný obvod, externí třífázový můstek (invertor), zpětnovazební obvod pro snímání napětí (prostřednictvím rezistoru snímajícího proud) a uživatelské tlačítko „start“.

Obrázek 9: Vysoká úroveň funkční integrace řadiče RAJ306010 jasně ukazuje, jak málo přídavných obvodů a jak málo přídavných součástek je potřeba pro hlavní funkci řízení motoru základního spotřebiče, jako je tento bateriově napájený mixér. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Získejte praktické řízení motoru BLDC

Jedna věc je naplánovat, simulovat, vyhodnotit a upravit aplikaci pro řízení motoru „na papíře“ nebo na počítači pomocí různých modelů celkového systému. Jiná věc je však spustit skutečný motor a testovat výkon pomocí skutečných součástek, skutečného zatížení a skutečné dynamiky a také zjišťovat vliv nastavení počátečních podmínek spouštění a změn různých parametrů výkonu.

Zde se pro konstruktéra návrhu stává nezbytným prostředkem vyhodnocovací systém řízení motoru RTK0EML2C0S01020BJ společnosti Renesas (obrázek 10) spolu s programem Renesas Motor Workbench pro snadné ladění. Tento softwarový nástroj umožňuje konstruktérovi seznámit se s provozem řadiče RAJ306010, jeho vstupními a výstupními režimy a funkcemi jeho různých řídicích registrů.

Obrázek 10: Tato deska, která je jádrem vyhodnocovacího systému řízení motoru RTK0EML2C0S01020BJ společnosti Renesas, při použití ve spojení se softwarem Renesas Motor Workbench urychluje jemné doladění parametrů a vyhodnocení výkonu motoru při použití integrovaného obvodu řízení motoru RAJ306010. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

K tomu, aby fáze vývoje produktu probíhala ještě rychleji, obsahuje vyhodnocovací systém motor BLDC 24 V / 420 mA s otáčkami naprázdno 3 900 ot./min a jmenovitým točivým momentem 19,6 mN-m (ekvivalent síle 200 gramů na centimetr). Kromě toho poskytuje společnost Renesas kontrolní softwarové rutiny pro bezsenzorové i senzorové řízení.

Závěr

Konstruktéři, kteří do svých systémů začleňují stejnosměrné motory, mají kromě klasického kartáčového stejnosměrného motoru mnoho možností, protože jsou k dispozici vysoce výkonné, cenově výhodné motory BLDC, které nabízejí výkon a přesnost v malých pouzdrech. Aby bylo možné potenciál těchto motorů BLDC plně využít, inteligentní řadiče obsahují a implementují potřebné algoritmy s parametry požadovanými uživatelem. Poskytují také nezbytný pohon pro spínací tranzistory MOSFET motoru a další analogové I/O pro kompletní řešení řízení motoru.

Jak je ukázáno výše, integrované obvody jako RAJ306010 společnosti Renesas, podporované vývojovými sadami a softwarem, značně zjednodušují konstrukční výzvu poskytování vysokého výkonu, malých rozměrů a efektivního řízení motoru pro aplikace, jako jsou spotřebiče, sedadla ve vozidlech, okna a mnoho dalších nyní běžných aplikací.

Odkazy

1. Algoritmy řízení motoru BLDC
2. Vyhodnocovací systém řízení motoru BLDC RTK0EML2C0S01020BJ pro integrované obvody řízení motoru RAJ3060xx
3. Aplikační poznámka R01AN3786EJ0102, „Bezsenzorové vektorové řízení pro synchronní motor s permanentními magnety (algoritmus)“
4. Řešení přenosného elektrického nářadí
5. 24V akumulátorový mixér
6. Řešení motorů: Uživatelsky přívětivé vývojové prostředí pro řízení motoru ke zkrácení doby do uvedení na trh