Začínáme s bezsenzorovým vektorovým řízením bezkartáčových stejnosměrných motorů (BLDC) a produkty Infineon

Elektromotory najdeme všude – doma, v práci a v automobilech. Vezměme si jako příklad typický moderní automobil, kde se po celém vozidle nachází v průměru 35 elektromotorů. Pro aplikace od palivových čerpadel po otevírání oken se používají jak standardní stejnosměrné (DC), tak bezkartáčové stejnosměrné (BLDC) motory (obrázek 1).

Obrázek 1. Typické aplikace DC a bezkartáčových DC (BLDC) motorů. (Zdroj obrázku: společnost Infineon)

S nárůstem elektrických a hybridních elektrických vozidel je trendem ještě větší počet motorů na vozidlo. Kromě automobilového průmyslu se motory DC a BLDC široce používají v mnoha aplikacích průmyslové automatizace, řízení a robotiky.

V náročnějších aplikacích se obecně používají motory BLDC kvůli jejich výhodám v oblasti výkonu oproti kartáčovým motorům DC. Motory BLDC poskytují vyšší účinnost, delší životnost a vyšší točivý moment na hmotnost v porovnání s motory DC. Mezi nevýhody motorů BLDC patří jejich vyšší cena a požadavek na další obvod řídicí jednotky.

A uvedu jednu osobní poznámku – nedávno jsem upgradoval svou vrtačku na baterie a nárazový šroubovák z kartáčové na bezkartáčovou technologii motoru DC. Zlepšení točivého momentu a výdrže baterie bylo působivé a zcela jistě stálo za náklady navíc.

Stejnosměrné bezkartáčové motory (BLDC)

Motory BLDC jsou variantou tradičních standardních motorů DC. Základní rozdíl je v tom, že motor BLDC vyžaduje namísto mechanických kartáčů elektronickou komutaci. Rotor motoru BLDC sestává z permanentních magnetů a statoru navinutého na odpovídající sadu pólů. Řídicí obvod se používá k napájení vinutí energií a ke generování rotujícího pole. Pohyb a točivý moment se generují s tím, jak se magnety rotoru vyrovnávají s rotujícím polem statoru.

Bezsenzorové vektorové řízení (FOC)

Bezsenzorové vektorové řízení („Field Oriented Control“, FOC) je jedním ze způsobů řízení používaných k řízení rychlosti a točivého momentu motoru BLDC. Vektorové řízení (známé také jako vektorově orientované řízení) je technika používaná ke generování 3fázové sinusové modulace, jejíž frekvenci a amplitudu lze poté řídit. K transformaci třífázových signálů na dvě fáze, které se snáze řídí a implementují do řídicího obvodu motoru, se používají výpočty. Bezsenzorové řízení eliminuje snímače polohy a namísto toho k určení polohy rotoru měří zpětnou elektromotorickou sílu (EMF).

Implementace bezsenzorového vektorového řízení v mikrokontroléru

Implementace bezsenzorového vektorového řízení vyžaduje provedení měření signálu a matematických výpočtů. Mikrokontrolér s nezbytným výkonem a sadou periferií je dobrou volbou k implementaci této funkce. Model TLE9879QXA40 společnosti Infineon je jednočipový 3fázový systém SoC řadiče motoru, který má v sobě integrováno jádro Arm® Cortex®-M3 (obrázek 2).

Obrázek 2. Blokové schéma aplikace s modely TLE9879x. (Zdroj obrázku: Infineon)

Zahrnuje šest plně integrovaných řadičů NFET optimalizovaných k pohánění 3fázového motoru prostřednictvím šesti externích napájecích řadičů NFET, nábojové pumpy umožňující provoz s nízkým napětím a programovatelného proudu spolu s řízením poklesu proudu pro optimalizované chování EMC. Do sady periferií patří snímač proudu, analogově-digitální převodník (ADC) s postupnou aproximací, synchronizovaný s jednotkou snímání a porovnávání pro řízení pulzně šířkové modulace, a 16bitové časovače. Integrován je také transceiver LIN, který umožňuje komunikaci se zařízením spolu s řadou univerzálních vstupů a výstupů. K napájení externích zátěží je obsažen regulátor lineárního napětí na čipu.

Dobrým řešením pro implementování vektorového řízení motorů BLDC je model TLE9879QXA40 společnosti Infineon. Nabízí sadu výkonu a funkcí k implementování vysoce výkonného a nákladově efektivního řadiče motoru BLDC, který na desce zabere minimální místo. V podrobné aplikační poznámce „Bezsenzorové vektorové řízení s vestavěným napájecím systémem SoC“ je popsána teorie vektorového řízení a postup, jak lze algoritmus implementovat.

Začínáme

Nízkonákladová vyhodnocovací deska BLDC_SHIELD_TLE9879 společnosti Infineon je snadným způsobem, jak s bezsenzorovým vektorovým řízením začít. Je založena na modelu TLE9879QXA40 a určena k pohonu motorů BLDC v kombinaci s kompatibilní základní deskou Arduino. Při kombinaci s produkty Arduino Uno a kompatibilním motorem BLDC dosáhnete rozběhu motoru již za necelou hodinu (obrázek 3).

Obrázek 3. Deska BLDC_SHIELD_TLE9879 namontovaná na základní desce Arduino Uno. (Zdroj obrázku: Infineon)

Schémata, knihovna Arduino a kompletní dokumentace k desce BLDC_SHIELD_TLE9879 jsou k dispozici na webu https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. Během bádání ohledně tohoto blogu jsem strávil nějaký čas prací s deskou Uno a stíněním, abych se seznámil s pohonem motoru BLDC. Kroky konfigurace, testovací kód a odkazy na dokumenty jsou zahrnuty do mého projektu Pohon motoru BLDC se stíněním 3fázového řadiče motoru TLE9879Qx společnosti Infineon zveřejněného na webu TechForum společnosti DigiKey.

Vývoj aplikací

Všem, kteří se hlouběji zajímají o návrh a vývoj založené na desce TLE9879Qx, poskytuje společnost Infineon další zdroje. Počátečním bodem je zdrojový kód firmwaru nainstalovaný na stínění BLDC, který je k dispozici jako soubory projektu Keil uVision. Soubory projektu jsou zahrnuty do stažení softwaru „Stínění BLDC pro Arduino s deskou TLE9879QXA40“ od společnosti Infineon na odkazu BLDC_SHIELD_TLE9879 na stránce projektu stínění. Navíc jsou kromě stínění BLDC od společnosti DigiKey k dispozici také referenční návrh čerpadla REF_WATERPUMP100W a referenční návrh ventilátoru REF_ENGCOOLFAN1KW.

Závěr

Vyhodnocovací deska BLDC_SHIELD_TLE9879 společnosti Infineon poskytuje rychlý a levný způsob, jak začít s bezsenzorovým vektorovým řízením pro pohánění motorů BLDC. Deska je také dobrým zdrojem pro pokročilé uživatele, kteří se zajímají o vyhodnocení systému TLE9879QXA40 a zahájení práce s poskytnutým zdrojovým kódem.

Externí odkazy

1 – Infineon. „Příručka k motorům“

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-motorcontrol_handbook-AdditionalTechnicalInformation-v01_00-EN.pdf