Hur man snabbt kommer igång med en konstruktion av en borstlös DC-motorstyrning med hjälp av högintegrerade kretsar

Tack vare den allt snabbare övergången till elektronisk styrning av mekaniska system, som till stor del beror på sakernas internet (IoT) och elektrifieringen av bilar, använder konstruktörer motorer med låg effekt för grundläggande uppgifter i tillämpningar som sträcker sig från hushållsapparater, dörrlås och fjärrstyrda persienner till pumpar, säten, fönster och dörrar i bilar. Dessa likströmsmotorer, som varierar i storlek från små, med mindre än en hästkraft till flera hästkrafter, är ständigt närvarande men ofta osynliga.

Även om förbättringar av motorerna likväl som bättre och mer lättanvända tekniker för motorstyrning bidrar till den snabba spridningen, står konstruktörerna under ständig press att förbättra effektiviteten och sänka kostnaderna, samtidigt som de uppnår större noggrannhet och högre tillförlitlighet.

Varianter på den borstlösa likströmsmotorn (BLDC) och stegmotorn (en annan typ av borstlös likströmsmotor) kan hjälpa konstruktörerna att uppfylla dessa alltmer krävande prestanda- och kostnadsmål, men endast om man noga överväger motorns styr- och drivkrets. Styrenheten måste leverera lämpliga drivsignaler till motorns switchar (vanligtvis MOSFET:ar) för elektronisk drivning, och göra det med noggrant kontrollerad timing och varaktighet. Den måste också styra motorns upp- och nedrampningsbana samt upptäcka och hantera oundvikliga programproblem och hårdvarufel med motorn eller belastningen.

Artikeln handlar om de funktioner som tillhandahålls av integrerade styrkretsar för BLDC-motorer. Den ger ett övergripande perspektiv på BLDC-motorers elektriska egenskaper och förklarar hur en sofistikerad styrenhet gör det möjligt för en BLDC-motor att uppfylla tillämpningens mål med hjälp av serien med motorstyrningskretsar RAJ306010 från Renesas.

Motorstyrningens väg och motorn

Vägen från programvaran för rörelsestyrning till motorn består av en processor på vilken programvaran körs, gatedrivkretsar för motorns effektswitchningsenheter och motorn (figur 1). Det kan även finnas en väg från en sensor på motorn tillbaka till processorn via en analog front-end, som ger information om rotorns position eller hastighet för att bekräfta prestanda och stänga en återkopplingsslinga.

Figur 1: Dagens motorstyrning börjar med en programvara som är inbäddad som firmware i processorn och styr gatedrivkretsar som i sin tur switchar strömmen till motorns lindningar; det kan även finnas en sensordriven återkopplingsslinga från motorn tillbaka till processorn. (Bildkälla: Renesas)

Konstruktörer har två huvudalternativ för sina borstlösa DC-motorer: BLDC-motorn och stegmotorn. Båda fungerar tack vare den magnetiska interaktionen mellan deras inbyggda permanentmagneter och switchningen av deras elektromagnetiska spolar. Valet av vilken av dessa två som ska användas bestäms av deras relativa för- och nackdelar med avseende på den avsedda tillämpningen.

I allmänhet är BLDC-motorer mycket tillförlitliga, effektiva och kan leverera stort vridmoment i ett antal hastigheter. Polerna på motorns stator aktiveras i en sekvens, vilket får rotorn (med dess permanentmagneter) att snurra. BLDC-motorer har vanligtvis tre elektroniskt styrda statorer runt sin periferi (figur 2).

Figur 2: BLDC-motorns statorer aktiveras i en sådan sekvens att rotorn med permanentmagneten snurrar. (Bildkälla: Renesas)

De viktigaste egenskaperna hos BLDC-motorer är reaktionsförmåga, snabb acceleration, tillförlitlighet, lång livslängd, höghastighetsdrift och hög effekttäthet. De är ofta valet i tillämpningar som medicinsk utrustning, kylfläktar, sladdlösa elverktyg, skivspelare och automationsutrustning.

Stegmotorn fungerar på samma sätt som BLDC-motorer, förutom att den rör sig i mycket mindre vridningsrörelser genom att dela upp ett helt varv i ett stort antal steg med samma vinkel (vanligtvis 128 eller 256). Istället för att rotera kontinuerligt, drivs motorns rotor sekventiellt för att gå eller ta stega sig igenom dessa små vinkelsteg (figur 3). Detta gör det möjligt att placera rotorn noggrant när den synkroniseras med det magnetfält som produceras av de strömförande statorpolerna.

Figur 3: Stegmotorn har ett stort antal statorpoler som är placerade runt rotorn och dess permanentmagneter. Genom att aktivera dessa poler i en styrd sekvens vrids rotorn och stegas i små vinklar. (Bildkälla: Renesas)

Stegmotorer är tillförlitliga, exakta och ger snabb acceleration och reaktionsförmåga. Tack vare stegfunktionen och motorns konstruktion är styrningen med öppen slinga och stabil positionering ofta tillräcklig även för precisionstillämpningar som t.ex. CD-enheter, flatbäddsskannrar, skrivare och plottrar. Avancerade tillämpningar kan lägga till en återkopplingssensor och en styrning med sluten krets för ytterligare precision och bekräftelse av prestanda.

Alternativ för styrning av BLDC-motorer

Till skillnad från induktionsmotorer för växelström och likströmsmotorer med borstar, där det primära sättet att styra hastighet och vridmoment på, är att justera matningsspänningen, så styrs BLDC-motorn genom noggrann timing av på- och avstängning av de strömswitchande MOSFET:arna. Detta medför att motorn kan hantera en mängd olika uppgifter på ett effektivt och noggrant sätt.

Kraven kan sträcka sig från att tillhandahålla de höga varvtal per minut (RPM) som behövs för att flytta stora mängder luft för att skapa sugkraft i en sladdlös dammsugare, för elverktyg som måste ha ett högt vridmoment vid start, särskilt om motorn stannar på grund av belastningen. I många tillämpningar måste motorn också kunna hantera stora belastningsförändringar vilket kräver snabba reaktionstider för att bibehålla ett konstant varvtal.

Det finns vanliga strategier för att styra BLDC-motorn: grundläggande styrning av på/av i 120⁰ och vektorstyrning. Vid styrning på/av i 120⁰ aktiveras två av BLDC-motorns tre spolar, och sex aktiveringsmönster växlas i en roterande sekvens för att snurra motorn i båda riktningarna (figur 4).

Figur 4: Polerna i BLDC-motorns stator (till vänster) kan antingen aktiveras med- eller moturs (till höger), vilket gör att rotorn driver i endera riktningen, beroende på vad som krävs för tillämpningen. (Bildkälla: Renesas)

I detta läge aktiveras statorspolarna med ström på/av (en fyrkantsvåg), vilket ger en trapetsoid accelerationsprofil när motorn ökar sin hastighet, bibehåller hastigheten som sedan minskar när spolarna inte längre aktiveras. Fördelarna med detta tillvägagångssätt är den inneboende enkelheten och okomplicerade användningen.

Den är dock känslig för prestandavariationer i belastningen och andra förändringar, och precisionen och effektiviteten är inte tillräckligt hög för vissa tillämpningar. Sofistikerade algoritmer i motorstyrenheten kan i viss mån övervinna dessa brister genom att justera MOSFET:arnas tidpunkt för på- och av, och genom att använda PID- (proportional-integral-derivativ) eller PI- (proportional-integral) styrning.

Ett alternativ som har blivit alltmer attraktivt är vektorstyrning, även kallat fältorienterad styrning (FOC). I detta tillvägagångssätt aktiveras alla tre spolarna genom kontinuerlig styrning av det roterande magnetfältet, vilket ger en jämnare rörelse jämfört med 120-graders styrning. FOC har utvecklats så pass att det nu används i många massmarknadsprodukter, t.ex. tvättmaskiner.

I FOC mäts och styrs strömmen till varje statorspole med hjälp av avancerade algoritmer som kräver komplicerad numerisk bearbetning. Algoritmen måste även kontinuerligt omvandla de trefasiga växelströmsvärdena till tvåfasiga likströmsvärden (en process som kallas koordinatfasomvandling), vilket förenklar de efterföljande ekvationer och beräkningar som behövs för styrning (figur 5). Resultatet av FOC, om det görs på rätt sätt, är en mycket noggrann och effektiv kontroll.

Figur 5: En del av FOC-algoritmen kräver koordinatfasomvandling för att förenkla de komplicerade numeriska beräkningarna. (Bildkälla: Renesas)

Sensoralternativ för återkoppling

BLDC-motorer kan styras i en topologi med öppen en krets utan återkopplingssignal eller via en algoritm med en sluten krets och återkoppling från en sensor på motorn. Beslutet beror på tillämpningens noggrannhet, tillförlitlighet och säkerhetsaspekterna.

Att lägga till en sensor för återkoppling ökar kostnaden och algoritmens komplexitet, men ökar förtroendet för beräkningarna, vilket gör den nödvändig i många tillämpningar. Beroende på tillämpning är den viktigaste rörelseparametern antingen rotorns position eller dess hastighet. Dessa två faktorer är nära förbundna med varandra: hastigheten är tidsderivatan av positionen, och positionen är tidsintegralen av hastigheten.

Nästan alla sensorer för återkoppling indikerar position och styrenheten kan använda deras signaler direkt eller utveckla derivatan för att bestämma hastigheten. I enklare fall är återkopplingssensorns primära roll en säkerhetsrelaterad kontroll av motorns grundprestanda eller en indikering för att motorn stannar, snarare än en reglering av den slutna slingan.

Fyra återkopplingssensorer som används ofta är: Hall-effektenheter, optiska kodare, resolvrar och induktiva sensorer (figur 6). Alla har olika prestandaegenskaper, upplösning och kostnad.

Figur 6: Användarna har ett brett utbud av sensoralternativ om deras system behöver en återkopplingssignal för motorn, allt från Hall-effektenheter till kodare, resolvers och induktionssensorer. (Bildkälla: Renesas)

Hall-effektsystem anses i allmänhet vara de enklaste och lättaste att installera och är lämpliga i många situationer. Optiska kodare finns med en rad olika upplösningar, från låga till relativt höga, men de är svåra att installera och kan ha vissa problem med tillförlitligheten på lång sikt. Resolvers och induktiva sensorer är större, tyngre, dyrare och har vissa utmaningar i gränssnittet, men har en mycket hög upplösning och långtidsprestanda.

Leverans av ström

Polerna i borstlösa motorer - oavsett om det är BLDC- eller stegmotorer - är elektromagnetiska "spolar" och måste därför drivas med ström snarare än spänning. För att aktivera dessa poler korrekt måste motorns styrsystem leverera strömmen via på/av-switchar (MOSFET:ar i de flesta fall) med exakt timing, pulsbredd och kontrollerad ändringshastighet för att driva motorn korrekt och effektivt. Drivkretsens konstruktion måste även skydda MOSFET:arna mot olika feltillstånd, t.ex. motorstopp, överdrivna strömkrav, termiska överbelastningar och kortslutningar.

För relativt små motorer, som vanligtvis kräver mindre än 500 mA till 1 A, är det möjligt att integrera gatedrivkretsarna för MOSFET:arna och till och med MOSFET:arna i motorstyrningens integrerade kretspaket, så att formatet blir så litet som möjligt. Även om detta är praktiskt och förenklar konstruktionen är det inte ett praktiskt val i många fall av flera skäl:

• Halvledarprocesserna för högeffektiva MOSFET:ar skiljer sig väldigt mycket från de som används för styrenhetens digitala logik, så den slutliga utformningen av kombinationen är en kompromiss (som dock kan vara acceptabel).
• MOSFET:arnas effektförlust och värmehantering styrs till stor del av tillämpningens effektbehov. När ström- och effektnivåerna ökar, kan MOSFET-förlusten i kretsen och den värme som genereras snart överskrida kapslingens gränsvärden. I dessa fall är det en bättre lösning att separera de digitala funktionerna och strömfunktionerna, vilket gör det möjligt för konstruktören att optimera placeringen och värmehanteringen av MOSFET:arna.
• Slutligen kan ökningen av det IR-drivna spänningsfallet i motorns matningsledningar bli ett problem när strömnivåerna som krävs av motorn ökar. Detta medför att det är lämpligt att placera de switchande enheterna närmare lasten.

Av dessa skäl innehåller många motor- och rörelsestyrningskretsar alla nödvändiga funktioner, förutom effekt-MOSFET:arna. Topologin med flera MOSFET:ar kallas ofta för en växelriktarfunktion. Genom användningen av diskreta MOSFET:ar får konstruktören flexibilitet att välja enheter med rätt kombination av specifikationer för faktorer som belastningsström, "på"-motstånd, typ av kapsling och switchningsegenskaper.

Sofistikerade integrerade kretsar möter utmaningar inom motorstyrning

Tidigare krävde avancerad motorstyrning en stor uppsättning integrerade kretsar. I normalfallet kunde det handla om en processor med låg prestanda för att utfärda allmänna kommandon med en dedicerad numerisk co-processor för att implementera de nödvändiga algoritmerna, eller en processor med hög prestanda för att göra båda delarna, tillsammans med gatedrivkretsen för effektenheter. Detta krävde inte bara en större kretskortyta och en större materiallista, utan ofta även systemintegration och tillhörande felsökningsbekymmer.

Dagens kretsar för motorstyrning kan dock göra allt i en enda enhet, vilket visas av RAJ306010 från Renesas (figur 7). I RAJ306010 finns många funktionsblock som är specifikt inriktade på de unika behoven i konstruktioner för motorstyrning.

Figur 7: Den integrerade kretsen RAJ306010 från Renesas innehåller den funktionalitet som krävs för en mycket avancerad motorstyrning (förutom effekt-MOSFET:arna) och tar därför mindre plats än en lösning med flera integrerade kretsar samtidigt som den förenklar både materiallistan och konstruktionens integration. (Bildkälla: Renesas)

Denna integrerade krets för allmänna motorstyrningsändamål är avsedd för trefasiga borstlösa likströmsmotorer. Den kombinerar och integrerar två olika roller i ett litet QFN-paket på 8 × 8 mm med 64 stift: den digitala styrfunktionen och den mestadels analoga fördrivningsfunktionen . Den drivs av 6 till 24 V och är avsedd för fristående, till stor del autonoma tillämpningar som t.ex. elverktyg, trädgårdsredskap, dammsugare, skrivare, fläktar, pumpar och robotteknik. (observera att den i övrigt nästan identiska RAJ306001 är en 6-30 V version med samma datablad som RAJ306010.)

På den digitala sidan innehåller RAJ306010 en 16-bitars mikrokontroller (Renesas RL78/G1F-klass) med 64 Kb ROM-flashminne, 4 Kb ROM-flashminne för data och 5,5 Kb RAM-minne. Det finns dessutom ett stort antal digitala in- och utgångar: GPIO (allmänna I/O), SPI, I²C och en UART. Det finns även en analog-till-digitalomvandlare (ADC) med 9 kanaler och 10 bitar för att överföra analoga signaler till enheten.

För att använda RAJ306010 laddar systemkonstruktören in de önskade driftsparametrarna till lämpliga kontrollregister i flash-minnet för att fastställa de önskade driftslägena och förhållandena. Den integrerade kretsen är då redo för funktion vid start utan behov av någon ytterligare mikrokontroller, vilket framgår av systemets blockdiagram på hög nivå, för en typisk tillämpning (figur 8).

Figur 8: Detta blockdiagram på hög nivå av systemet för en grundläggande tillämpning med RAJ306001 visar hur den höga integrationsnivån minimerar behovet av ytterligare diskreta komponenter. (Bildkälla: Renesas)

Den analoga sidan av RAJ306010 har tre gatedrivkretsar med halvbrygga och en justerbar toppström för gatedrivkretsen på upp till 500 mA, en självjusterande funktion för dödtidsgenerering för att förhindra att bryggan "skjuter igenom" och skadas, en strömavkänningsförstärkare och en förstärkare av motorns motelektromotoriska funktion. En inbyggd laddningspump ökar den levererade gatedrivningen upp till 13 V från en lägre matningsspänning.

Det finns direkt stöd för Hall-effektsensorer, och den analoga front-enden (AFE) kan också användas för att stödja andra typer av återkopplingssensorer. Som i alla korrekt utformade motorstyrningar, finns det funktioner som skydd mot övertemperatur, över-/underspänningslåsning (UVLO), överströmsdetektering och skydd mot motorlåsning.

Exemplet i figur 9 visar hur RAJ306010 enkelt hanterar en grundläggande fristående tillämpning såsom en 24 V sladdlös mixer, även om det kan vara nästan vilken liknande liten apparat som helst. Observera att huvuddelen av kretsen är avsedd för laddning och hantering av batteripaketet med åtta celler, medan motorstyrningen endast kräver styrkretsen, den externa trefasbryggan (invertern), en återkopplingskrets för spänningsavkänning (via ett strömavkänningsmotstånd) och användarens "start"-knapp.

Figur 9: Den höga nivån av funktionsintegration i RAJ306010 visar tydligt hur få extra kretsar och komponenter som behövs för den huvudsakliga motorstyrningsfunktionen i en grundläggande apparat, som den batteridrivna mixern. (Bildkälla: Renesas)

Få praktisk erfarenhet av BLDC-motorstyrning

Det är en sak att planera, simulera, utvärdera och justera en tillämpning med motorstyrning "på papper" eller på en dator med hjälp av olika modeller av det övergripande systemet. Det är dock en annan sak att köra en riktig motor och testa prestandan med hjälp av riktiga komponenter, riktiga belastningar och riktig dynamik, samt att lära sig effekterna av att ställa in initiala startvillkor och förändringar i olika prestandaparametrar.

Det är där utvärderingssystemet RTK0EML2C0S01020BJ för motorstyrning från Renesas (figur 10) är en viktig tillgång för konstruktören, tillsammans med Motor Workbenchfrån Renesas, för att underlätta felsökning. Detta programvaruverktyg gör det möjligt för konstruktören att bekanta sig med funktion, lägen för in- och utgångar och de olika kontrollregistrens funktion i RAJ306010.

Figur 10: Det här kortet är kärnan i utvärderingssystemet RTK0EML2C0S01020BJ för motorstyrning från Renesas och används tillsammans med Renesas programvara Motor Workbench för att skynda på finjustering av parametrar och utvärdering av motorns prestanda när motorstyrningen RAJ306010 används. (Bildkälla: Renesas)

För att få ännu mer fart på produktutvecklingsfasen innehåller utvärderingssystemet en BLDC-motor på 24 V/420 mA med en hastighet utan belastning på 3900 varv/min och ett nominellt vridmoment på 19,6 mN-m (vilket motsvara 200 g/kraftcentimeter). Renesas tillhandahåller dessutom exempel på rutiner för mjukvarustyrning med både sensorlös och sensorbaserad styrning.

Sammanfattning

Konstruktörer som integrerar likströmsmotorer i sina system har många alternativ utöver den klassiska likströmsmotorn med borstar, eftersom det finns kostnadseffektiva BLDC-motorer med hög prestanda som erbjuder kraft och precision i små paket. För att utnyttja potentialen hos BLDC-motorerna fullt ut, måste smarta styrenheter införliva och implementera de nödvändiga algoritmerna med användarens önskade parametrar. De tillhandahåller även den nödvändiga drivkretsen för motorns MOSFET:ar och andra analoga in-/utgångar för en komplett lösning för motorstyrning.

Som framgår förenklar integrerade kretsar såsom RAJ306010 från Renesas, som har stöd av utvecklingssatser och programvara, avsevärt konstruktionsutmaningen att tillhandahålla hög prestanda, liten storlek och effektiv motorstyrning för tillämpningar som apparater, bilsäten, fönster och många andra numera vanliga tillämpningar.

Referenser

1. Algoritmer för styrning av BLDC-motorer
2. RTK0EML2C0S01020BJ utvärderingssystem för BLDC-motorstyrning för motorstyrningskretsarna RAJ3060xx
3. Programanteckning R01AN3786EJ0102, "Sensorlös vektorstyrning för synkronmotorer med permanentmagnet (algoritm)"
4. Lösningar för bärbara elverktyg
5. 24 V sladdlös mixer
6. Motorlösningar: Användarvänlig utvecklingsmiljö för motorstyrningar, för att förkorta tiden till marknaden