Kom godt i gang med sensorløs FOC (Field Oriented Control) af BLDC-motorer og Infineon

Elektriske motorer er overalt - I vores hjem, på arbejdspladser og i køretøjer. Tag f.eks. en typisk moderne bil, hvor der i gennemsnit findes ca. 35 motorer, fordelt over hele køretøjet. Både standard DC- og børsteløse DC-motorer (BLDC) bruges til applikationer lige fra brændstofpumper til rudeløft (figur 1).

Figur 1. Typiske anvendelser for DC- og børsteløse DC-motorer (BLDC). (Billedkilde: Infineon)

Med væksten inden for elektriske og hybridelektriske køretøjer går tendensen mod et endnu større antal motorer pr. køretøj. Udover bilindustrien bruges DC- og BLDC-motorer i vid udstrækning i mange industrielle automatiserings-, styrings- og robotapplikationer.

BLDC-motorer bruges generelt i mere krævende applikationer på grund af deres ydelsesfordele i forhold til DC-motorer med børster. BLDC-motorer giver højere effektivitet, længere levetid og højere drejningsmoment pr. vægtforhold sammenlignet med DC-motorer. Ulemper ved BLDC inkluderer deres højere omkostninger og krav til yderligere styrekredsløb.

Personligt opgraderede jeg for nylig min batteridrevne boremaskine og slagboremaskine fra DC-motorteknologi med børster til børsteløs DC-motorteknologi. Forbedringen i drejningsmoment og batterilevetid var fremragende og var de ekstra omkostninger værd.

BLDC-motorer

BLDC-motorer er en variation af en traditionel standard DC-motor. Den grundlæggende forskel er at BLDC-motoren kræver at kommutationen skal udføres på elektronisk vis frem for med mekaniske børster. Rotoren på en BLDC-motor består af permanente magneter, og statoren er viklet med et tilsvarende sæt poler. Et styrekredsløb bruges til at give energi til viklingerne og generere et roterende felt. Bevægelse og drejningsmoment genereres, når rotormagneterne forsøger at tilpasse sig det roterende statorfelt.

Sensorløs FOC (Field Oriented Control)

Sensorløs FOC (Field Oriented Control) er en af de metoder, der bruges til at styre en BLDC-motors hastighed og drejningsmoment. Feltorienteret styring (også kendt som vektorkontrol) er en teknik, der bruges til at generere en 3-faset sinusformet modulering, som derefter kan styres i frekvens og amplitude. Beregninger bruges til at omdanne trefasesignalerne til to faser, der er lettere at styre og implementere i motorstyringskredsløbet. Sensorløs kontrol eliminerer positionssensorerne og måler i stedet tilbageløbende elektromotorisk kraft (EMF) for at bestemme rotorens position.

Implementering af sensorløs FOC i en mikrocontroller

Implementering af sensorløs FOC kræver, at man tager signalmålinger og udfører de matematiske beregninger. En mikrokontroller med den nødvendige ydelse og perifere sæt er en god løsning til at implementere denne funktionalitet. Infineons TLE9879QXA40 er en 3-faset motordriver SoC med en chip, der integrerer en Arm® Cortex®-M3-kerne (figur 2).

Figur 2. TLE9879x applikationsblokdiagram. (Billedkilde: Infineon)

Den indeholder seks fuldt integrerede NFET-drivere, der er optimeret til at drive en 3-faset motor via seks eksterne NFET'er, en ladepumpe, der muliggør lavspændingsdrift, og programmerbar strøm sammen med slope-styring af strøm for optimeret EMC-funktion. Dens perifere sæt indeholder en strømsensor, en successiv-tilnærmelses ADC synkroniseret med en CCU-enhed (capture and compare unit, CCU) til PWM-styring og 16 bit timere. En LIN-transceiver er også integreret for at muliggøre kommunikation til enheden sammen med en række generelle indgange/udgange. Den inkluderer en on-chip lineær spændingsregulator til levering af eksterne belastninger.

Infineons TLE9879QXA40 er en god løsning til implementering af feltorienteret styring af BLDC-motorer. Den har ydeevnen og funktionen til at implementere en højtydende, omkostningseffektiv BLDC-motordriver med minimalt kortafstand. De dybdegående applikationsbemærkninger "Sensorless Field Oriented Control with Embedded Power SoC" beskriver FOC-teorien og hvordan algoritmen kan implementeres.

Kom godt i gang

Infineons BLDC_SHIELD_TLE9879 billige evalueringskort er en nem måde at komme i gang med sensorløs FOC på. Den er baseret på TLE9879QXA40 og designet til at drive BLDC-motorer i kombination med et Arduino-kompatibelt bundkort. Når den kombineres med en Arduino Uno og kompatibel BLDC-motor, kan du komme i gang med at køre motoren på mindre end en time (figur 3).

Figur 3. BLDC_SHIELD_TLE9879 monteret på Arduino Uno bundkort. (Billedkilde: Infineon)

Skemaer, Arduino-biblioteket og komplet dokumentation for BLDC_SHIELD_TLE9879 er tilgængelige på https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. Mens jeg lavede research for denne blog, arbejdede jeg med Uno'en og afskærmningen for at gøre mig bekendt med at køre en BLDC-motor. Konfigurationstrin, testkode og dokumentreferencer er inkluderet i mit Kørsel med en BLDC-motor med Infineons TLE9879Qx 3-fasede motordriverskærm projekt lagt ud på Digi-Keys TechForum.

Applikationsudvikling

For dem, der er interesseret i at grave dybere ned i TLE9879Qx-baseret design og udvikling, leverer Infineon yderligere ressourcer. Som udgangspunkt er kildekoden til den firmware, der er overført til BLDC-afskærmningen tilgængelig som Keil uVision-projektfiler. Projektfilerne er inkluderet i softwaredownloadet "BLDC-afskærmning til Arduino med TLE9879QXA40" fra Infineon på link BLDC_SHIELD_TLE9879 på siden for afskærmningsprojektet. Ud over BLDC-afskærmningen, er REF_WATERPUMP100W pumpereferencedesignet og REF_ENGCOOLFAN1KW ventilatorreferencedesignet også tilgængeligt fra DigiKey.

Konklusion

Infineons BLDC_SHIELD_TLE9879 evalueringskortet giver en hurtig og billig måde at komme i gang med at bruge sensorløs FOC til at drive BLDC-motorer. Kortet er også en god ressource for mere avancerede brugere, der er interesseret i at evaluere TLE9879QXA40 og starte med den givne kildekode.

Eksterne referencer

1 – Infineon. "Motorhåndbog"

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