Brug sensorfri vektorkontrol med BLDC- og PMS-motorer til at levere præcis bevægelseskontrol

Behovet for præcis bevægelseskontrol vokser på tværs af applikationer som robotteknologi, droner, medicinsk udstyr og industrielle systemer. Børsteløse jævnstrømsmotorer (BLDC'er) og vekselstrømsdrevne permanentmagnet-synkronmotorer (PMSM'er) kan levere den krævede præcision, samtidig med at de imødekommer behovet for høj effektivitet i en kompakt formfaktor. Men i modsætning til børstede jævnstrømsmotorer og vekselstrømsinduktionsmotorer, som er nemme at tilslutte og køre, er BLDC'er og PMSM'er meget mere komplekse.

For eksempel tilbyder teknikker såsom sensorløs vektorkontrol (også kaldet feltorienteret kontrol eller FOC) fremragende effektivitet sammen med fordelen ved at eliminere sensorhardwaren og derved reducere omkostninger og forbedre pålideligheden. Problemet for designere er, at sensorløs vektorkontrol er kompliceret at implementere, så brugen af den kan forlænge udviklingstiderne, tilføje omkostninger og muligvis mangler time-to-market-vinduer.

For at løse dette dilemma kan designere henvende sig til udviklingsplatforme og evalueringskort, der allerede har den sensorløse vektorkontrolsoftware bagt ind, så de kan fokusere på systemdesignproblemer og ikke sætte sig fast i nuancerne ved kodning af kontrolsoftwaren. Derudover inkluderer disse udviklingsmiljøer al motorcontroller og strømstyringshardware, der er integreret i et komplet system, hvilket hurtigere tid til markedet.

Denne artikel beskriver kort nogle af behovene til præcisionsbevægelseskontrol og gennemgår forskellene mellem børstet DC, AC-induktion, BLDC og PMSM'er. Derefter opsummeres det grundlæggende med vektorkontrol, før der introduceres flere platforme og evalueringskort fra Texas Instruments ,Infineon Technologies ogRenesas Electronics sammen med designvejledning, der letter udviklingen af præcisionskontrolsystemer.

Eksempler på præcisionskontrolapplikationer

Droner er komplekse bevægelseskontrolsystemer og anvender typisk fire eller flere motorer. Præcis og koordineret bevægelseskontrol er nødvendig for at gøre det muligt for en drone at svæve, klatre eller ned (figur 1).

Figur 1: Droner bruger typisk fire eller flere motorer, typisk BLDC'er eller PMSM'er, der drejer ved 12.000 omdrejninger pr. Minut (RPM) eller højere og drives af en elektronisk hastighedsregulator (ESC). Dette eksempel viser et ESC-modul i en drone ved hjælp af en børsteløs motor med sensorløs kontrol. (Billedkilde: Texas Instruments)

For at svæve skal nettotrykket fra rotorerne, der skubber dronen op, være afbalanceret og nøjagtigt lig med tyngdekraften, der trækker den ned. Ved ligeligt at øge rotorernes fremdrift (hastighed) kan dronen klatre lige op. Omvendt får reduktion af rotorkraft dronen til at falde ned. Derudover er der yaw (drejning af dronen), tonehøjde (flyvning af dronen frem eller tilbage) og rul (flyvning af dronen til venstre eller højre).

Præcis og gentagen bevægelse er en af funktionerne i mange robottekniske applikationer. En stationær industriel robot med flere akser skal levere forskellige mængder kraft i tre dimensioner for at flytte genstande med forskellige vægte (figur 2). Motorer inde i robotten leverer variabel hastighed og drejningsmoment (rotationskraft) på præcise punkter, som robotens controller bruger til at koordinere bevægelse langs forskellige akser for nøjagtig hastighed og positionering.

Figur 2: En stationær industriel robot med flere akser skal levere forskellige mængder kraft i tre dimensioner for at flytte genstande med forskellige vægte og koordinere dens aktiviteter med andre robotter på samlebåndet. (Billedkilde: Texas Instruments)

I tilfælde af mobile robotter på hjul kan et præcist differentielt drivsystem bruges til at kontrollere både hastighed og bevægelsesretning. To motorer bruges til at give bevægelse sammen med et eller to hjul til at afbalancere belastningen. De to motorer køres med forskellige hastigheder for at opnå rotation og ændringer i retning, mens den samme hastighed for begge motorer resulterer i lige liniebevægelse, enten fremad eller bagud. Mens motorstyringerne er mere komplekse sammenlignet med et konventionelt styresystem, er denne tilgang mere præcis, mekanisk enklere og derfor mere pålidelig.

Motorvalg

Grundlæggende DC-motorer og AC-induktionsmotorer er relativt billige og enkle at køre. De bruges i vid udstrækning i en bred vifte af applikationer fra støvsugere til industrimaskiner, kraner og elevatorer. Selvom de er billige og nemme at køre, kan de imidlertid ikke levere den nøjagtige operation, der kræves af applikationer såsom robotteknologi, droner, medicinsk udstyr og industrielt præcisionsudstyr.

En simpel børstet jævnstrømsmotor genererer drejningsmoment ved mekanisk at skifte strømretningen i koordination med rotation ved hjælp af en kommutator og børster. Mangler ved børstede jævnstrømsmotorer inkluderer behovet for vedligeholdelse på grund af slid på børsterne og genereringen af elektrisk og mekanisk støj. Et pulsbreddemodulationsdrev (PWM) kan bruges til at kontrollere omdrejningshastigheden, men præcisionskontrol og høj effektivitet er vanskelige på grund af den iboende mekaniske karakter af børstede jævnstrømsmotorer.

En BLDC eliminerer kommutatoren og børsterne til børstede jævnstrømsmotorer, og afhængigt af hvordan statorer er viklet, kan det også være en PMSM. Statorspolerne er viklet trapesformet i en BLDC-motor, og den frembragte elektromotoriske kraft (EMF), der er produceret, har en trapezformet bølgeform, mens PMSM-statorer vikles sinusformet og frembringer en sinusformet ryg EMF (E_bemf (Figur 3).

Figur 3: En PMSM-motor genererer en sinusformet E._bemf , mens en BLDC genererer en trapezformet E_bemf bølge. (Billedkilde: Texas Instruments)

Drejningsmoment i BLDC- og PMSM-motorer er en funktion af strøm og tilbage EMF. BLDC-motorer drives med firkantbølgestrøm, mens PMSM-motorer drives med sinusformet strøm.

BLDC-motorfunktioner:

• Lettere at kontrollere med seks-trins firkantbølge DC-strømme
• Producerer betydelig drejningsmoment
• Er lavere omkostninger og ydeevne end PMSM'er
• Kan implementeres med Hall-effekt sensorer eller med sensorløs kontrol

PMSM-funktioner:

• Mere kompleks kontrol ved hjælp af trefaset sinusformet PWM
• Ingen momentkrusning
• Højere effektivitet, drejningsmoment og pris end BLDC
• Kan implementeres med skaftkoder eller med sensorløs kontrol

Hvad er vektorkontrol?

Vektorkontrol er en motorisk styremetode med variabel frekvens, hvor statorstrømmene for en trefaset elmotor identificeres som to ortogonale komponenter, der kan visualiseres med en vektor. Den ene komponent definerer motorens magnetiske flux, den anden drejningsmoment. Kernen i vektorstyringsalgoritmen er to matematiske transformationer: Clarke-transformationen modificerer et trefasesystem til et to-koordinatsystem, mens Park-transformeringen konverterer tofasede stationære systemvektorer til roterende systemvektorer og deres inverse.

Brug af Clarke og Park-transformationer bringer statorstrømmene, der kan styres, ind i rotordomænet. Dette gør det muligt for et motorstyringssystem at bestemme de spændinger, der skal tilføres statoren for at maksimere drejningsmomentet under dynamisk skiftende belastning.

Højtydende hastighed og/eller positionskontrol kræver realtid og præcis viden om rotorakslens position og hastighed for at synkronisere fase excitationsimpulser til rotorpositionen. Denne information er typisk leveret af sensorer såsom absolutte kodere og magnetiske resolvere fastgjort til motorakslen. Disse sensorer har flere system ulemper: lavere pålidelighed, modtagelighed for støj, flere omkostninger og vægt og højere kompleksitet. Sensorløs vektorstyring eliminerer behovet for hastigheds-/positionssensorer.

Højtydende mikroprocessorer og digitale signalprocessorer (DSP'er) gør det muligt for moderne og effektiv styringsteori at blive inkorporeret i avanceret systemmodellering, hvilket sikrer optimal effekt og kontroleffektivitet for ethvert realtidsmotorsystem. Det forventes, at som et resultat af den stigende beregningskraft og faldende omkostninger ved mikroprocessorer og DSP'er, sensorløs kontrol næsten universelt vil fortrænge sensorstyret vektorkontrol samt enkel, men lavere ydelse med en enkelt variabel skalar volt pr. Hertz (V/f ) styring.

Kørsel af trefasede PMSM- og BLDC-motorer til industriel og forbrugerrobotik

For at omgå kompleksiteten af vektorkontrol kan designere bruge færdige evalueringstavler. For eksempel DRV8301-69M-KIT fra Texas Instruments er et DIMM100 controlCARD-baseret bundkortevalueringsmodul, som designere kan bruge til at udvikle trefasede PMSM/BLDC-motordrevsløsninger (figur 4). Det inkluderer DRV8301 trefaset gate driver med dobbelt strøm shunt forstærkere og en buck regulator og en InstaSPIN-aktiveret Piccolo TMS320F28069M microcontroller (MCU) -kort.

Figur 4: Designere kan udvikle trefasede PMSM / BLDC-motordrevløsninger ved hjælp af DRV8301-69M-KIT-motorsættet, der inkluderer et DRV8301 og et InstaSPIN-aktiveret Piccolo TMS320F28069M MCU-kort. (Billedkilde: Texas Instruments)

DRV8301-69M-KIT er et InstaSPIN-FOC og InstaSPIN-MOTION Texas Instruments teknologi-baseret motorstyringsevalueringskit til centrifugering af trefasede PMSM- og BLDC-motorer. Med InstaSPIN giver DRV8301-69M-KIT udviklere mulighed for hurtigt at identificere, automatisk indstille og styre en trefaset motor, hvilket giver et "øjeblikkeligt" stabilt og funktionelt motorstyringssystem.

Sammen med InstaSPIN-teknologi giver DRV8301-69M-KIT en højtydende, strømeffektiv, omkostningseffektiv sensorløs eller encoder-sensor-aktiveret FOC-platform, der fremskynder udviklingen for hurtigere tid til markedet. Anvendelserne inkluderer synkronmotorer under 60 volt og 40 ampere (A) til kørsel af pumper, porte, elevatorer og ventilatorer samt industriel og forbrugerrobotik og automatisering.

DRV8301-69M-KIT hardwarefunktioner:

• Et tre-faset inverter baseboard med interface til at acceptere DIMM100 controlCARDs
• Et DRV8301 trefaset inverter integreret effektmodul (med integreret 1,5 A buck-konverter) bundkort, der understøtter op til 60 volt og 40 A kontinuerligt
• TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC og InstaSPIN-MOTION-kort
• Evnen til at arbejde med MotorWare-understøttet TMDXCNCD28054MISO (sælges separat) og TMDSCNCD28027F + Ekstern emulator (sælges separat)

Højtydende, højeffektive PMSM- og BLDC-motordrev

EVAL-IMM101T fra Infineon Technologies er et fuldt udstyret startsæt, der inkluderer en IMM101T Smart IPM (integreret effektmodul), der giver en fuldt integreret nøglefærdig, højspændingsmotordrevsløsning, som designere kan bruge med højtydende, højeffektive PMSM/BLDC-motorer (figur 5). EVAL-IMM101T inkluderer også andre nødvendige kredsløb, der kræves til "out-of-the-box" evaluering af IMM101T Smart IPM'er, såsom en ensretter og EMI-filtertrin, samt en isoleret debugger-sektion med USB-forbindelse til en pc.

Figur 5: IMM101T eval board er en komplet løsning, der inkluderer en bevægelseskontrolmotor (MCE 2.0), gate driver og 3-faset inverter, der er i stand til at drive PMSM og BLDC motorer ved hjælp af sensorfri FOC. (Billedkilde: Infineon Technologies)

EVAL-IMM101T blev udviklet til at støtte designere i deres første trin med at udvikle applikationer med en IMM101T Smart IPM. Eval kort er udstyret med alle samlingsgrupper til sensorfri FOC. Den indeholder et enfaset vekselstrømsstik, EMI-filter, ensretter og trefaset output til tilslutning af motoren. Effektfasen indeholder også kildeshunt til strømføling og en spændingsdeler til måling af jævnstrømsforbindelse.

Infineons IMM101T tilbyder forskellige kontrolkonfigurationsmuligheder for PMSM/BLDC-drevsystemer i en kompakt 12 x 12 millimeter (mm) overflademonteringspakke, hvilket minimerer ekstern komponentantal og printkort (pc-kort). Pakken er termisk forbedret, så den kan fungere godt med eller uden køleplade. Pakken har en krympeafstand på 1,3 mm mellem højspændingspuderne under pakken for at lette overflademontering og øge systemets robusthed.

IMM100-serien integrerer enten en 500 volt FredFET eller en 650 volt CoolMOS MOSFET. Afhængig af de anvendte MOSFET'er i pakken dækker IMM100-serien applikationer med en nominel udgangseffekt fra 25 watt (W) til 80 W med 500 volt/600 volt maksimal jævnstrømsspænding. I 600 volt-versionerne er Power MOS-teknologien vurderet til 650 volt, mens portdriveren er vurderet til 600 volt, hvilket bestemmer systemets maksimalt tilladte jævnstrømsspænding.

24 volt motor kontrol eval system

Designere af 24 volt PMSM/BLDC-motordrev kan henvende sig til Renesas' RTK0EM0006S01212BJ - system til evaluering af motorstyring til RX23T mikrokontroller (figur 6). RX23T-enhederne er 32-bit mikrokontroller, der er velegnet til enkelt inverterstyring med en indbygget float point-enhed (FPU), der gør det muligt at bruge dem til at behandle komplekse inverterstyringsalgoritmer. Dette hjælper med at reducere de arbejdstimer, der kræves til softwareudvikling og vedligeholdelse, i høj grad.

Figur 6: Renesas '24 volt motorstyringsevalueringssystem til RX23T mikrocontroller inkluderer et inverterkort til at drive PMSM, der er inkluderet i evalueringspakken. (Billedkilde: Renesas Electronics)

Derudover er strømmen, der forbruges i softwarestandbytilstand (med RAM-tilbageholdelse), på grund af kernen kun 0,45 mikroampere (μA). RX23T mikrocontrollere fungerer i området 2,7 til 5,5 volt og er kompatible med RX62T linje på pin-arrangementet og softwareniveau. Sættet inkluderer:

• 24 volt inverterkort
• PMSM-kontrolfunktion
• Tre-shunt strømdetekteringsfunktion
• Overstrømsbeskyttelsesfunktion
• CPU-kort til RX23T mikrokontroller
• USB mini B-kabel
• PMSM

Konklusion

BLDC og PMSM kan bruges til at levere præcise bevægelsesstyringsløsninger, der er kompakte og meget effektive. Anvendelsen af sensorløs vektorstyring med BLDC- og PMS-motorer tilføjer fordelen ved at eliminere sensorhardwaren og derved reducere omkostningerne og forbedre pålideligheden. Sensorløs vektorkontrol i disse applikationer kan imidlertid være en kompleks og tidskrævende proces.

Som vist kan designere henvende sig til udviklingsplatforme og evalueringskort, der leveres med sensorløs vektorstyringssoftware. Derudover inkluderer disse udviklingsmiljøer al motorcontroller og strømstyringshardware, der er integreret i et komplet system, hvilket hurtigere tid til markedet.

Anbefalet læsning

1. Feltkontrol fører til bedre AC-motoreffektivitet
2. Det næste evolutionære trin i Drone Design