Sådan starter du hurtigt et design af en børsteløs DC-motorstyring ved hjælp af højt integrerede IC'er

På grund af det accelererende skifte til elektronisk styring af mekaniske systemer, som i høj grad skyldes IoT (Internet of Things) og elektrificeringen af biler, anvender designere motorer med lav effekt til grundlæggende opgaver i applikationer, der spænder fra husholdningsapparater, dørlåse og fjernstyrede persienner til bilpumper, sæder, vinduer og døre. Disse DC-motorer, som varierer i størrelse fra små, sub-fraktionelle hestekræfter til flere hestekræfter, er overalt, men ofte ikke synlige.

Mens forbedringer af motorerne samt bedre og lettere anvendelig motorstyringsteknologi bidrager til denne hurtige udbredelse, er designerne fortsat under konstant pres for at forbedre effektiviteten og sænke omkostningerne, samtidig med at de skal opnå større nøjagtighed og højere pålidelighed.

Variationer af den børsteløse DC-motor (BLDC) og step-motorer (en anden type børsteløs DC-motor) kan hjælpe konstruktører med at opfylde disse stadig mere krævende præstations- og omkostningsmål, men kun med nøje overvejelse af motorstyringen og motordrevskredsløbet. Styringen skal levere passende drivsignaler til motorens elektroniske drivkontakter (normalt MOSFET'er), og det skal ske med nøje kontrolleret timing og varighed. Den skal også styre motorens op- og nedkørselsbane samt registrere og håndtere de uundgåelige små problemer og store fejl med motoren eller belastningen.

I denne artikel gennemgås de funktioner, der leveres af kontrol-IC'er til BLDC-motorer. Den giver et overordnet perspektiv på elektriske egenskaber ved BLDC-motorer og forklarer, hvordan en sofistikeret controller gør det muligt for en BLDC-motor at opfylde anvendelsesmålene ved hjælp af Renesas RAJ306010-serien af motorstyrings-IC'er.

Motorstyringsvej og motor

Vejen fra bevægelsesstyringssoftware til motoren består af den processor, som softwaren kører på, gate-drivere til motorens strøm switch-enheder og motoren (figur 1). Der kan også være en vej fra en sensor på motoren tilbage til processoren via en analog front-end, der giver oplysninger om position af motorens rotor eller hastighed for at bekræfte ydeevnen og lukke et feedback-loop.

Figur 1: Dagens motorstyring begynder med software, der er indlejret som firmware i processoren, og som styrer gate-drivere, der til gengæld skifter strøm til motorens viklinger; der kan også være et sensordrevet feedback-loop fra motoren tilbage til processoren. (Billedkilde: Renesas)

Designere har to førende valgmuligheder for deres DC-drevne børsteløse motor: BLDC-motoren og step-motoren. Begge fungerer på grund af den magnetiske interaktion mellem deres interne permanente magneter og skiftet af deres elektromagnetiske spoler. Valget af, hvilken af disse to der skal anvendes, afgøres af deres relative fordele og ulemper i forhold til den påtænkte anvendelse.

Generelt er BLDC-motorer meget pålidelige og effektive og kan levere store drejningsmoment over en række hastigheder. Motorens statorpoler aktiveres i rækkefølge, hvilket får rotoren (med dens permanente magneter) til at dreje. BLDC-motorer har typisk tre elektronisk styrede statorer rundt om deres periferi (figur 2).

Figur 2: BLDC-motorens statorer aktiveres i en sådan rækkefølge, at rotoren med permanentmagnet drejer. (Billedkilde: Renesas)

De vigtigste egenskaber ved BLDC-motorer er lydhørhed, hurtig acceleration, pålidelighed, lang levetid, højhastighedsdrift og høj effekttæthed. De er ofte det foretrukne valg i applikationer som medicinsk udstyr, køleblæsere, batteridrevet elværktøj, drejeskiver og automatiseringsudstyr.

Step-motorer fungerer på samme måde som BLDC-motorer, bortset fra at den bevæger sig i meget mindre roterende bevægelser ved at opdele en fuld rotation i et stort antal trin med samme vinkel (typisk 128 eller 256). I stedet for at rotere kontinuerligt drives motorrotoren sekventielt for at gå eller træde gennem de små vinkel steps (figur 3). Dette gør det muligt at placere rotoren nøjagtigt, da den er synkroniseret med det magnetfelt, der produceres af de strømførende statorpoler.

Figur 3: En step-motor har et stort antal stator-poler, der er anbragt omkring rotoren og deres permanente magneter; ved at aktivere disse poler i en kontrolleret rækkefølge drejer rotoren og trinvis bevæger sig gennem små vinkler. (Billedkilde: Renesas)

Steppermotorer er pålidelige og præcise og giver hurtig acceleration og reaktionsevne. På grund af deres trinvise drift og motorkonstruktion er styring med åben loop og positioneringsstabilitet ofte tilstrækkelig selv til præcisionsanvendelser som f.eks. cd-drev, fladbedscannere, printere og plottere. Avancerede applikationer kan tilføje en feedback-sensor og lukket loop-kontrol for at opnå yderligere præcision og bekræftelse af ydeevne.

Muligheder for BLDC-motorstyring

I modsætning til AC-induktionsmotorer eller DC-børstemotorer, hvor den primære måde at styre hastighed og drejningsmoment på er ved at justere forsyningsspændingen, styres BLDC-motoren ved omhyggelig timing af tænding og slukning af de strømslukkende MOSFET'er. Dette gør det muligt for motoren at håndtere en lang række forskellige opgaver effektivt og præcist.

Disse krav kan spænde fra at levere de høje omdrejninger pr. minut (RPM), der er nødvendige for at flytte store mængder luft for at skabe sugning i en ledningsfri støvsuger, til elværktøj, der skal have et højt startmoment, især hvis motoren er gået i stå i forhold til belastningen. I mange applikationer skal motoren også kunne håndtere store belastningsændringer, som kræver hurtige reaktionstider for at opretholde et konstant omdrejningstal.

Der findes almindelige strategier til styring af BLDC-motoren: Grundlæggende 120⁰ on/off-styring og vektorstyring. Ved 120⁰ on/off-styring aktiveres to af BLDC-motorens tre spoler, og seks aktiveringsmønstre skiftes i en roterende sekvens for at understøtte rotation i begge retninger (figur 4).

Figur 4: Statorpolerne i BLDC-motoren (til venstre) kan aktiveres i enten urets eller mod urets retning (til højre) og dermed drive rotoren i en af de to retninger, som applikationen kræver. (Billedkilde: Renesas)

I denne tilstand aktiveres statorspolerne med on/off-strøm (en firkantet bølge), hvilket resulterer i en trapezformet accelerationsprofil, når motoren stiger op til hastighed, opretholder hastigheden og derefter falder, når spolerne afbrydes. Fordelene ved denne fremgangsmåde er den ibyggede enkelhed og den ukomplicerede drift.

Den er dog sårbar over for udsving i ydeevnen ved belastning og andre ændringer, og præcisionen og effektiviteten er ikke høj nok til visse anvendelser. Sofistikerede algoritmer i motorstyringen kan til en vis grad afhjælpe disse mangler ved at justere MOSFET- on/off-tidspunktet samt ved at anvende PID (Proportional Integral Derivative) eller PI (Proportional Integral) styring.

Et alternativ, der er blevet mere og mere attraktivt, er vektorkontrol, også kaldet feltorienteret kontrol (FOC). Ved denne fremgangsmåde får alle tre spoler strøm via kontinuerlig styring af det roterende magnetfelt, hvilket resulterer i en mere jævn bevægelse sammenlignet med 120-graders styring. FOC er blevet så avanceret, at det nu anvendes i mange masseprodukter, f.eks. tøjvaskemaskiner.

I FOC måles og styres strømmen til hver statorspole ved hjælp af avancerede algoritmer, som kræver kompleks numerisk behandling. Algoritmen skal også løbende omdanne de trefasede AC-værdier til tofasede DC-værdier (en proces kaldet koordinatfasekonvertering), hvilket forenkler de efterfølgende ligninger og beregninger, der er nødvendige for styringen (figur 5). Resultatet af FOC er, hvis det gøres korrekt, en meget præcis og effektiv kontrol.

Figur 5: En del af FOC-algoritmen kræver koordinatfasekonvertering for at forenkle de komplekse numeriske beregninger. (Billedkilde: Renesas)

Sensormuligheder for feedback

BLDC-motorer kan styres i en open-loop topologi uden et feedback-signal eller via en closed-loop algoritme med feedback fra en sensor på motoren. Valget er en funktion af applikationens nøjagtighed, pålidelighed og sikkerhedshensyn.

Tilføjelse af en feedback-sensor øger omkostningerne og algoritmens kompleksitet, men øger tilliden til beregningerne, hvilket gør den afgørende i mange applikationer. Afhængigt af anvendelsen er den primære bevægelsesparameter af interesse enten rotorposition eller hastighed. Disse to faktorer hænger tæt sammen: Hastighed er tidsafledt af position, og position er tidsintegralet af hastighed.

Faktisk angiver næsten alle feedback-sensorer position, og controlleren kan bruge deres signaler direkte eller udvikle den afledte værdi til at bestemme hastigheden. I enklere tilfælde er feedback-sensorens primære rolle som en sikkerhedsrelateret kontrol af motorens grundlæggende ydeevne eller som en indikator for standsning snarere end til regulering i lukket kredsløb.

Der er fire typer feedback-sensorer i almindelig brug: Hall-effekt-enheder, optiske enkodere, resolvere og induktive sensorer (figur 6). De har hver især forskellige ydeevneegenskaber, opløsning og omkostninger.

Figur 6: Brugerne har et bredt udvalg af sensormuligheder, hvis deres system har brug for et motor-feedback-signal, lige fra Hall-effekt-enheder til encodere, resolvere og induktionssensorer. (Billedkilde: Renesas)

Hall-effekt-enheder anses generelt for at være de enkleste og letteste at installere og er egnede til mange situationer. Optiske enkodere er tilgængelig med en række opløsninger fra lave til moderat høje opløsninger, men de er forbundet med installationsproblemer og kan have visse problemer med pålideligheden på lang sigt. Resolverne og de induktive sensorer er større, tungere og dyrere og har nogle interfaceudfordringer, men de giver en meget høj opløsning og langtidsydelse.

Levering af strøm

Polerne i børsteløse motorer - uanset om det er BLDC- eller step-motorer - er elektromagnetiske "spoler" og skal derfor drives af strøm i stedet for spænding. For at kunne aktivere disse poler korrekt skal motorstyringssystemet levere denne strøm via on/off-kontakter (MOSFET'er i de fleste tilfælde) med nøjagtig timing, pulsbredde og kontrollerede svinghastigheder for at drive motoren korrekt og effektivt. Drev-delen skal også beskytte MOSFET'erne mod forskellige fejltilstande som f.eks. motorstop, overdreven strømforbrug, termiske overbelastninger og kortslutninger.

For relativt små motorer, der typisk kræver under 500 milliampere (mA) til en ampere (A), er det muligt at integrere MOSFET-gate-driverne og endda MOSFET'erne i motorstyrings-IC-pakken, så fodaftrykket holdes så lille som muligt. Selv om dette er praktisk og letter konstruktionen, er det ikke et praktisk valg i mange tilfælde af flere grunde:

• Halvlederprocesserne for højtydende MOSFET'er er meget forskellige fra dem, der anvendes til styringens digitale logik, så det endelige design af kombinationen er et kompromis (men et kompromis, der kan være acceptabelt).
• MOSFET-effektforbruget og den termiske styring er i høj grad dikteret af applikationens effektbehov. Efterhånden som strøm- og effektniveauerne stiger, kan MOSFET-dissipationen og den genererede varme hurtigt overskride pakkens grænser. I disse tilfælde er det en bedre løsning at adskille de digitale funktioner og strømfunktioner, så designeren kan optimere placeringen og den termiske styring af MOSFET'erne.
• Endelig kan stigningen i det IR-drevne spændingsfald i motorens forsyningsledninger blive et problem, når de strømniveauer, som motoren kræver, stiger. Som følge heraf er det tilrådeligt at placere koblingsanordningerne tættere på belastningen.

Af disse grunde indeholder mange motor- og bevægelsesstyrings-IC'er alle de nødvendige funktioner, undtagen effekt-MOSFET'erne. Topologien for de mange MOSFET'er kaldes ofte en inverterfunktion. Ved at bruge diskrete MOSFET'er får designeren fleksibilitet til at vælge enheder med den rigtige kombination af specifikationer for faktorer som belastningsstrøm, "on"-modstand, pakningstype og koblingsegenskaber.

Sofistikerede IC'er løser udfordringerne med motorstyring

Tidligere krævede avanceret motorstyring en samling af IC'er. Typisk kan dette omfatte en low-end-processor til at udstede generelle kommandoer med en dedikeret numerisk co-processor til at implementere de nødvendige algoritmer eller en high-end-processor til at gøre begge dele sammen med gate-drive-kredsløbet til strømforsyningsenhederne. Det krævede ikke blot et større printkort og en længere materialebeskrivelse (BOM), men der var ofte problemer med systemintegration og tilhørende fejlfinding.

Nutidens motorstyrings-IC'er kan dog klare det hele i en enkelt enhed, som Renesas RAJ306010 (figur 7) viser. I RAJ306010 findes de mange funktionsblokke, der specifikt er rettet mod de unikke behov for motorstyringsdesigns.

Figur 7: Renesas RAJ306010-IC'en har den funktionalitet, der kræves til meget avanceret motorstyring (bortset fra effekt-MOSFET'erne), og fylder derfor mindre end en løsning med flere IC'er, samtidig med at den forenkler både BOM og designintegration. (Billedkilde: Renesas)

Denne motorstyrings-IC til generelle formål er beregnet til trefasede børsteløse DC-motorer. Den kombinerer og integrerer tæt to forskellige roller i en lille QFN-pakke på 8 × 8 millimeter (mm) med 64 ledninger: Den digitale controllerfunktion og den hovedsagelig analoge pre-driver-funktion. Den fungerer med en forsyning på 6 til 24 volt og er beregnet til standalone, stort set autonome applikationer som f.eks. elværktøj, haveredskaber, støvsugere, printere, ventilatorer, pumper og robotter. (Bemærk, at den ellers næsten identiske RAJ306001 er en 6 til 30 volt version, som har samme datablad som RAJ306010.)

På den digitale side indeholder RAJ306010 en 16-bit mikrocontroller (Renesas' RL78/G1F-klasse), der understøttes af 64 kilobyte (Kbytes) flash ROM, 4 Kbyte data flash ROM og 5,5 Kbyte RAM. Desuden er der en betydelig mængde digital I/O: Generel I/O (GPIO), SPI, I²C og en UART. Der er også en ni-kanals 10-bit analog-til-digital-konverter (ADC) til at overføre analoge signaler til enheden.

For at bruge RAJ306010 skal systemdesigneren indlæse de ønskede driftsparametre i de relevante flash-hukommelseskontrolregistre for at fastlægge de ønskede driftstilstande og betingelser. IC'en er derefter klar til at fungere ved opstart uden behov for en ekstra mikrocontroller, som det fremgår af højniveau systemblokdiagrammet for en typisk applikation (figur 8).

Figur 8: Dette højniveua systemblokdiagram af en grundlæggende applikation med RAJ306001 viser, hvordan den høje grad af integration minimerer behovet for yderligere diskrete komponenter. (Billedkilde: Renesas)

Den analoge side af RAJ306010 har tre halvbro-gate-drivere med en justerbar gate-drive spidsstrøm på op til 500 mA, en selvjusterende dødtidsgeneratorfunktion til at forhindre brogen i at "skyde igennem" og beskadige den, en strømfølelsesforstærker og en back-EMF-forstærker. En integreret ladningspumpe øger den leverede gate-drift til op til 13 volt fra en lavere spænding.

Der er direkte understøttelse af Hall-effekt-sensorer, og den analoge front-end (AFE) kan også bruges til at understøtte andre typer feedback-sensorer. Som med enhver korrekt designet motorstyring er der funktioner, herunder beskyttelse mod overtemperatur, over-/underspændingslåsning (UVLO), overstrømsdetektion og beskyttelse mod motorlåsning.

Eksemplet i figur 9 viser, hvordan RAJ306010 håndterer en grundlæggende standalone-applikation som f.eks. en 24-volts batteridrevet blender, selv om der kan være tale om næsten ethvert lignende lille apparat. Bemærk, at størstedelen af kredsløbet er afsat til opladning og styring af den otte-cellede batteripakke, mens motorstyringen kun kræver kontrol-IC'en, den eksterne trefasebro (inverter), et feedback-spændingsfølerkredsløb (via en strømføler modstand) og brugerens "start"-knap.

Figur 9: Den høje grad af funktionel integration af RAJ306010 viser tydeligt, hvor lidt ekstra kredsløb og hvor få ekstra komponenter der er nødvendige for den centrale motorstyringsfunktion i et basismaskineapparat som denne batteridrevne blender. (Billedkilde: Renesas)

Få praktisk erfaring med BLDC-motorstyring

Det er én ting at planlægge, simulere, evaluere og justere et motorstyringsprogram "på papir" eller på en pc ved hjælp af forskellige modeller af det samlede system. Men det er en anden ting at køre en rigtig motor og teste ydeevnen ved hjælp af rigtige komponenter, rigtige belastninger og rigtige dynamikker samt at lære virkningen af at indstille de indledende startbetingelser og ændringer i forskellige ydelsesparametre.

Det er her, Renesas RTK0EML2C0C0S01020BJ Motor Control Evaluation System (Figur 10) er et vigtigt aktiv for designingeniøren sammen med Renesas Motor Workbench for at lette debugging. Dette softwareværktøj gør det muligt for designeren at blive fortrolig med RAJ306010's funktion, dens ind- og udgangstilstande og funktionerne i de forskellige styringsregistre.

Figur 10: Dette kort er kernen i Renesas RTK0EML2C0S01020BJ Motor Control Evaluation System, og når det bruges sammen med Renesas Motor Workbench-softwaren, fremskynder det finjusteringen af parametre og evalueringen af motorens ydeevne ved brug af RAJ306010-motorstyrings-IC'en. (Billedkilde: Renesas)

For at få produktudviklingsfasen i gang endnu hurtigere omfatter evalueringssystemet en 24 volt/420 mA BLDC-motor med en tomgangshastighed på 3900 omdrejninger pr. minut og et nominelt drejningsmoment på 19,6 millinewton-meter (mN-m) (svarende til 200 g kraftcentimeter). Desuden leverer Renesas eksempler på softwarestyringsrutiner til både sensorløs og sensorbaseret styring.

Konklusion

Designere, der indarbejder DC-motorer i deres systemer, har mange muligheder ud over den klassiske børstede DC-motor, da der findes højtydende, omkostningseffektive BLDC-motorer, der giver kraft og præcision i små pakker. For at udnytte potentialet i disse BLDC-motorer fuldt ud skal smarte controllere inkorporere og implementere de nødvendige algoritmer med brugerens ønskede parametre. De leverer også det nødvendige drev til motorens switching MOSFET'er og andre analoge I/O'er til en komplet motorstyringsløsning.

Som det fremgår, forenkler IC'er som Renesas RAJ306010, der understøttes af udviklingskits og software, i høj grad designudfordringen med at levere høj ydeevne, lille størrelse og effektiv motorstyring til applikationer som f.eks. apparater, bilsæder og vinduer og mange andre nu almindelige applikationer.

Referencer

1. Algoritmer til styring af BLDC-motorer
2. RTK0EML2C0S01020BJ evalueringssystem til BLDC-motorstyring til RAJ3060xx-motorstyrings-IC'er
3. Applikationsnote R01AN3786EJ0102, "Sensorless Vector Control for Permanent Magnet Synchronous Motor (Algorithm)"
4. Bærbart elværktøj løsning
5. 24V batteridrevet blender
6. Motorløsninger: Brugervenligt udviklingsmiljø for motorstyring for at forkorte tiden til markedet