Använd vektorstyrning utan givare med BLDC- och PMS-motorer för att leverera exakt rörelsestyrning

Behovet av noggrann rörelsestyrning ökar inom tillämpningar för robotteknik, drönare, medicintekniska produkter och industriella system. Borstlösa likströmsmotorer (BLDC) och växelströmsdrivna synkronmotorer med permanentmagnet (PMSM) kan ge den noggrannhet som krävs samtidigt som de tillgodoser behovet av hög effektivitet i en kompakt formfaktor. Till skillnad från likströmsmotorer med borstar och induktionsmotorer för växelström, som är lätta att ansluta och köra, är BLDC och PMSM mycket mer komplicerade.

Tekniker som vektorstyrning utan givare (även kallad fältorienterad styrning, eller FOC) ger exempelvis utmärkt effektivitet, tillsammans med fördelen att den eliminerar givarhårdvaran, vilket minskar kostnaderna och förbättrar tillförlitligheten. Problemet för konstruktörerna är att vektorstyrning utan givare är komplicerat att implementera, så dess användning kan förlänga utvecklingstiden, öka kostnaden och medföra eventuellt missade fönster för marknadslansering.

För att lösa detta dilemma kan konstruktörer använda utvecklingsplattformar och utvärderingskort som redan har styrprogrammen för vektorstyrning utan givare inbyggd, så att de kan fokusera på problem i systemkonstruktionen och inte fastna i detaljer kring kodning av styrprogrammet. Dessa utvecklingsmiljöer inkluderar dessutom alla motorstyrenheter och program för effekthantering integrerat i ett komplett system, för att skynda på tiden till marknaden.

Artikeln beskriver kortfattat några av behoven för rörelsestyrning med precision och granskar skillnaderna mellan likströmsmotorer med borstar, induktionsmotorer för växelström, BLDC och PMSM. Den sammanfattar sedan grunderna för vektorstyrning innan flera plattformar och utvärderingskort frånTexas instrument ,Infineon Technologies ochRenesas Electronics introduceras, tillsammans med en konstruktionsguide som underlättar utvecklingen av noggranna styrsystem för rörelsestyrning.

Exempel på tillämpningar med noggrann rörelsestyrning

Drönare är komplicerade system för rörelsestyrning och använder vanligtvis fyra eller flera motorer. En exakt och samordnad rörelsestyrning krävs för att en drönare ska kunna sväva, flyga högre och lägre (figur 1).

Figur 1: Drönare använder vanligtvis minst fyra motorer, av typen BLDC eller PMSM, som snurrar med 12 000 varv per minut (varv/min) eller högre och drivs av en elektronisk hastighetsregulator. Exemplet visar en elektronisk hastighetsregulatormodul i en drönare som använder en borstlös motor med styrning utan givare. (Bildkälla: Texas Instruments)

För att sväva måste nettokraften från de rotorer som trycker drönaren uppåt vara balanserad och exakt motsvara den tyngdkraft som drar den neråt. Genom att öka rotorernas dragkraft (hastighet) kan drönaren lyfta rakt uppåt. På motsvarande vis, medför en minskning av rotorns dragkraft att drönaren sjunker. Dessutom finns det girning (snurrar drönaren), lutning (drönaren flyger framåt eller bakåt) och rullning (drönaren flyger vänster eller höger).

Exakta och upprepade rörelser är en av funktionerna i många tillämpningar inom robotteknik. En stationär industriell robot med flera axlar måste leverera olika mängder kraft i tre dimensioner för att flytta föremål med olika vikter (figur 2). Motorer inuti roboten ger ett variabelt varvtal och vridmoment (rotationskraft) vid exakta punkter, som robotens styrenhet använder för att samordna rörelser längs olika axlar för exakt hastighet och positionering.

Figur 2: En stationär industriell robot med flera axlar måste leverera olika mängder kraft i tre dimensioner för att flytta föremål med olika vikter och koordinera sina aktiviteter med andra robotar i monteringslinjen (figur 2). (Bildkälla: Texas Instruments)

När det gäller mobila robotar med hjul kan ett exakt differentiellt drivsystem användas för att styra både hastighet och rörelseriktning. Två motorer används för att skapa rörelse tillsammans med ett eller två hjul för att balansera belastningen. De två motorerna drivs med olika hastigheter för att åstadkomma rotation och ändringar i riktning, medan samma hastighet för båda motorerna resulterar i rörelse i en rak linje, antingen framåt eller bakåt. Även om motorstyrenheterna är mer komplicerade jämfört med ett konventionellt styrsystem, är detta tillvägagångssätt mer exakt, mekaniskt enklare och därför mer tillförlitligt.

Val av motor

Enkla likströmsmotorer och induktionsmotorer för växelström är relativt billiga och enkla att driva. De används ofta i breda tillämpningsområden, från dammsugare till industrimaskiner, kranar och hissar. Även om de är billiga och lätta att driva, kan de inte tillhandahålla den noggranna drift som krävs i tillämpningar för robotteknik, drönare, drönare, medicinsk utrustning och industriell precisionsutrustning.

En enkel likströmsmotor med borstar genererar vridmoment genom att mekaniskt växla strömriktning i samordning med rotation med hjälp av en kommutator och borstar. Nackdelarna med likströmsmotorer med borstar är behovet av underhåll på grund av borstarnas slitage och genereringen av elektriska och mekaniska ljud. En drivenhet med pulsbreddsmodulering (PWM) kan användas för att styra rotationshastigheten, men precisionsstyrning och hög effektivitet är svårt på grund av den inneboende mekaniska karaktären hos likströmsmotorer med borstar.

En BLDC eliminerar kommutatorn och borstarna hos likströmsmotorer med borstar, och beroende på hur statorerna lindas kan det även vara en PMSM. Statorspolarna lindas som en trapetsoid i en BLDC-motor och den elektromotoriska kraften (EMF) som produceras har en trapetsoid vågform, medan PMSM-statorer lindas sinusformigt och producerar en sinusformad EMF (E_bemf (figur 3).

Figur 3: En PMSM-motor genererar en sinusformad E._bemf, medan en BLDC genererar en trapetsoid E_bemf vågform. (Bildkälla: Texas Instruments)

Vridmomentet i BLDC- och PMSM-motorer är en funktion av ström och bakåtriktad EMF. BLDC-motorer drivs med ström i fyrkantvåg medan PMSM-motorer drivs med en sinusformad ström.

Egenskaper för BLDC-motorer:

• Lättare att kontrollera med sexstegs DC-strömmar med fyrkantsvåg
• Producerar betydande momentrippel
• Har en lägre kostnad och prestanda än PMSM-motorer
• Kan implementeras med Hall-effektgivare eller med styrning utan givare

Egenskaper för PMSM-motorer:

• Mer komplicerad styrning med trefas sinusformad PWM
• Inget momentrippel
• Högre effektivitet, vridmoment och kostnad än BLDC-motorer
• Kan implementeras med axelavkodare eller med styrning utan givare

Vad är vektorstyrning?

Vektorstyrning är en styrmetod för motordrivning med variabel frekvens där statorströmmarna för en trefas elmotor identifieras som två ortogonala komponenter som kan visualiseras med en vektor. En komponent definierar motorns magnetiska flöde, den andra vridmomentet. Kärnan i algoritmen för vektorstyrning är två matematiska omvandlingar: Clarke-transformationen ändrar ett trefassystem till ett system med två koordinater, medan Park-transformationen omvandlar stationära systemvektorer med tvåfas till roterande systemvektorer och dess inversion.

Användning av Clarke- och Park-transformationer ger statorströmmar som kan styras i rotordomänen. Genom att göra detta kan ett system för motorstyrning bestämma de spänningar som ska tillföras statorn för att maximera vridmomentet vid dynamiskt föränderliga belastningar.

Högeffektiv hastighets- och/eller positionsstyrning kräver realtid och exakt kunskap om rotoraxelns läge och hastighet för att synkronisera fasens excitationspulser till rotorpositionen. Information har vanligtvis levererats av givare såsom absoluta kodare och magnetiska avläsare fästa vid motorns axel. Givarna har flera systemnackdelar: lägre tillförlitlighet, känslighet för brus, högre kostnad och vikt samt högre komplexitet. Vektorstyrning utan givare eliminerar behovet av hastighets-/positionsgivare.

Högeffektiva mikroprocessorer och digitala signalprocessorer (DSP:er) gör det möjligt för modern och effektiv styrteori att förverkligas i avancerade systemmodeller, vilket garanterar optimal ström- och styreffektivitet för alla system med realtidsmotorer. Det förväntas att vektorstyrning utan givare, helt kommer att ta över från vektorstyrning med givare likväl som enklare styrning i form av variabel skalning med volt per hertz (V/f), till följd av den ökande beräkningskraften och de sjunkande kostnaderna för mikroprocessorer och DSP:er.

Driva trefas PMSM- och BLDC-motorer för industri och robotteknik för konsument.

För att komma runt komplexiteten med vektorstyrning kan konstruktörer använda färdiga utvärderingskort. Exempelvis, DRV8301-69M-KIT från Texas Instruments som är en utvärderingsmodul för moderkort baserat på en DIMM100 controlCARD som konstruktörer kan använda för att utveckla lösningar för motordrivning med trefas PMSM-/BLDC-motorer (figur 4). Den innehåller en DRV8301 trefas gatedrivkrets med dubbla shunt-strömförstärkare, en buckregulator och en Piccolo med InstaSPIN PiccoloTMS320F28069M mikrokontroller-kort (MCU).

Figur 4: Konstruktörer kan utveckla lösningar för motordrivning med trefas PMSM-/BLDC-motorer med motorsatsen DRV8301-69M-KIT som innehåller en DRV8301 och ett Piccolo TMS320F28069M MCU-kort med InstaSPIN. (Bildkälla: Texas Instruments)

DRV8301-69M-KIT är en utvärderingssats baserad på InstaSPIN-FOC och InstaSPIN-MOTION från Texas Instruments för motorstyrning för att vrida trefas PMSM- och BLDC-motorer. Med InstaSPIN gör DRV8301-69M-KIT det möjligt för konstruktörer att snabbt identifiera, automatiskt ställa in och styra en trefasmotor, vilket ger ett "direkt" stabilt och funktionellt motorstyrsystem.

Tillsammans med tekniken InstaSPIN ger DRV8301-69M-KIT en högeffektiv, energieffektiv, kostnadseffektiv FOC-plattform utan givare eller med kodargivare som påskyndar utvecklingen för en snabbare tid till marknaden. Tillämpningarna inkluderar synkrona motorer under 60 volt och 40 ampere (A) för att driva pumpar, grindar, hissar och fläktar, industri, automatisering och robotteknik för konsumenter.

Hårdvarufunktioner i DRV8301-69M-KIT:

• Ett grundkort med inverterad trefas för att acceptera DIMM100 controlCARDs
• En DRV8301 trefas-inverterare är inbyggd i effektmodulens (med integrerad 1,5 A buck-omvandlare) grundkort som stöder upp till 60 volt och 40 A kontinuerligt
• TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC- och InstaSPIN-MOTION-korten
• Möjligheten att arbeta med TMDXCNCD28054MISO med stöd för MotorWare (säljes separat) och ochTMDSCNCD28027F + den externa emulatorn (säljes separat)

Högpresterande, högeffektiva drivenheter för PMSM- och BLDC-motor

EVAL-IMM101T från Infineon Technologies är ett komplett startpaket som innehåller enIMM101T Smart IPM (integrerad effektmodul) som ger en helt integrerad, nyckelfärdig, drivningslösning för högspänningsmotorer som konstruktörer kan använda för högpresterande, högeffektiva PMSM-/BLDC-motorer (figur 5). EVAL-IMM101T innehåller även andra nödvändiga kretsar som krävs för utvärdering ”direkt ur lådan” av IMM101T Smart IPM, såsom en likriktare och EMI-filtersteg, likväl som en isolerad felsökningssektion med USB-anslutning till en dator.

Figur 5: utvärderingskortet IMM101T är en komplett lösning som innehåller en motor för rörelsestyrning (MCE 2.0), gatedrivkretsar och en 3-fas inverter som kan driva PMSM- och BLDC-motorer med FOC utan givare. (Bildkälla: Infineon Technologies)

EVAL-IMM101T utvecklades för att ge stöd till konstruktörer i deras första steg för att utveckla tillämpningar med en IMM101T Smart IPM. Utvärderingskortet är utrustat med alla monteringsgrupper för FOC utan givare. Den innehåller en enfas AC-anslutning, EMI-filter, likriktare och trefasutgång för anslutning av motorn. Effektsteget innehåller även shunt för strömavkänning vid källan och en spänningsdelare för spänningsmätning av DC-länken.

Infineons IMM101T erbjuder olika konfigurationsalternativ för styrning av PMSM-/BLDC-drivsystem i en kompakt ytmonterad kapsling på 12 x 12 mm, vilket minimerar den externa mängden komponenter och kretskortsytan. Kapslingen är termiskt förbättrad så att den fungerar bra med eller utan kylfläns. Kapslingen har ett krypningsavstånd på 1,3 mm mellan högspänningsplattorna under kapslingen för att underlätta ytmontering och öka systemets stabilitet.

Serien IMM100 integrerar antingen en 500 volt FredFET eller en 650 volt CoolMOS MOSFET. Beroende på vilka effekt-MOSFET:ar som används i paketet omfattar serien IMM100 tillämpningar med en nominell uteffekt på 25 watt (W) till 80 W med 500 V/600 V maximal likspänning. I versionerna med 600 V är Power MOS-teknologin märkt för 650 V, medan gatedrivkretsen är märkt med 600 V, vilket avgör systemets maximala tillåtna likspänning.

Utvärderingssystem för styrning av motorer med 24 V

Konstruktörer av drivenheter för PMSM-/BLDC-motorer med 24 V kan vända sig till Renesas utvärderingssystem RTK0EM0006S01212BJ system för motorstyrning RX23T mikrokontroller (figur 6). RX23T-enheterna är 32-bitars mikrokontroller som är lämpliga för styrning av enstaka inverterare med en inbyggd decimalprocessor, som gör det möjligt att aktivera dem för att bearbeta komplicerade styralgoritmer för invertering. Det gör det lättare att minska den mängd mantimmar som krävs för programvaruutveckling och underhåll.

Figur 6: Renesas utvärderingssystem för styrning av motorer med 24 V, för RX23T-mikrokontrollern innehåller ett inverterkort för att driva de PMSM:er som ingår i utvärderingspaketet. (Bildkälla: Renesas Electronics)

På grund av kärnan, är dessutom strömmen som förbrukas i programvarans vänteläge (med bibehållet RAM) endast 0,45 mikroampere (μA). Mikrokontrollerna RX23T arbetar inom intervallet 2,7 till 5,5 volt och är mycket kompatibla medRX62T sortiment på stift- och programvarunivå. Satsen innehåller:

• 24 volt inverterkort
• Styrningsfunktion för PMSM-motorer
• Funktion för strömdetekering med tre shuntar
• Överströmsskydd
• CPU-kort för mikrokontrollern RX23T
• USB-B minikabel
• PMSM

Slutsats

BLDC och PMSM kan användas för att skapa noggranna lösningar för motorstyrning som är kompakta och mycket effektiva. Användningen av vektorstyrning utan givare med BLDC- och PMS-motorer tillför fördelarna med att eliminera givarhårdvaran, vilket minskar kostnaderna och förbättrar tillförlitligheten. Vektorstyrning utan givare i dessa tillämpningar kan dock vara en komplicerad och tidskrävande process.

Som visat kan konstruktörer använda sig av utvecklingsplattformar och utvärderingskort som levereras med programvara för vektorstyrning utan givare. Dessa utvecklingsmiljöer inkluderar dessutom alla motorstyrenheter och program för effekthantering integrerat i ett komplett system, för att skynda på tiden till marknaden.

Rekommenderad läsning

1. Fältkontroll leder till bättre effektivitet hos växelströmsmotorer
2. Nästa evolutionära steg i konstruktionen av drönare