Kom igång med fältorienterad styrning utan givare av borstlösa DC-motorer och Infineon

Elektriska motorer finns överallt: i våra hem, fordon och på våra arbetsplatser. Ta en typisk modern bil som exempel: det finns i genomsnitt cirka 35 motorer fördelade över hela fordonet. Både vanliga DC-motorer och borstlösa DC-motorer används i tillämpningar från bränslepumpar till fönsterhissar (figur 1).

Figur 1. Typiska tillämpningar för DC-motorer och borstlösa DC-motorer (BLDC). (Bildkälla: Infineon)

Med tillväxten inom elektriska och hybridelektriska fordon, rör sig trenden mot en ännu större mängd motorer per fordon. Förutom i fordon, används DC-motorer och BLDC-motorer i stor utsträckning i många tillämpningar inom industriautomation, styrning och robotteknik.

BLDC-motorer används generellt i mer krävande tillämpningar eftersom de har prestandafördelar jämfört med DC-motorer. BLDC-motorer har högre verkningsgrad, längre livslängd och högre moment-viktförhållande jämfört med DC-motorer. Nackdelarna med BLDC-motorer inkluderar den högre kostnaden och kraven på extra styrkretsar.

På en mer personligt nivå, uppgraderade jag nyligen min batteridrivna borr från en DC-motor med borstar till en borstlös DC-motor. Förbättringen i moment och batteritid var enastående och väl värt den extra kostnaden.

BLDC motorer

BLDC-motorer är en variant på de traditionella vanliga DC-motorerna. Den grundläggande skillnaden med en BLDC-motor är att kommuteringen måste ske elektroniskt istället för med mekaniska borstar. Rotorn i en BLDC-motor består av permanentmagneter, och statorn är lindad med en motsvarande uppsättning poler. En styrkrets används för att skicka energi till lindningarna för att generera ett roterande fält. Rörelsen och vridmomentet genereras av att motorns magneter försöker hamna i linje med det roterande statorfältet.

Fältorienterad styrning utan givare (FOC)

Fältorienterad styrning utan givare (FOC) är en av många metoder som används för att styra en BLDC-motors hastighet och vridmoment. Fältorienterad styrning (även kallat vektorstyrning) är en teknik som används för att generera en 3-fas sinusformad modulering som sedan kan styras i frekvens och amplitud. Beräkningar används för att omvandla 3-fassignalerna till två faser som är enklare att styra och implementera i motorns styrkrets. Styrning utan givare eliminerar behovet av positionsgivare och mäter istället den motriktade elektromotoriska kraften (EMF) för att avgöra rotorns position.

Implementera fältorienterad styrning utan givare i en mikrokontroller

Att implementera en fältorienterad styrning utan givare kräver mätning av signaler och matematiska beräkningar. En mikrokontroller med nödvändiga prestanda och rätt uppsättning kringutrustning passar bra för att implementera denna funktionalitet. TLE9879QXA40 från Infineon är en motordrivkrets för 3-fas som innehåller en Arm® Cortex®-M3 kärna (figur 2).

Figur 2. Blockdiagram på en tillämpning med TLE9879x. (Bildkälla: Infineon)

Den inkluderar sex helt integrerade NFET-drivkretsar som optimerats för att driva en 3-fasmotor via sex externa effekt-NFET:ar, en laddningspump som möjliggör drift med låg spänning, och programmerbar ström, samt styrning av strömlutningen för ett optimerat EMC-beteende. Dess uppsättning kringutrustning inkluderar en strömgivare, en ADC med successiv approximation som är synkroniserad med enheten för insamling och jämförelse för PWM-styrning, och 16-bitars timers. En LIN-transceiver finns också inbyggd för att möjliggöra kommunikation med enheten tillsammans med ett antal generella in/utgångar. Kretsen innehåller en linjär spänningsregulator för att spänningsförsörja externa laster.

TLE9879QXA40 från Infineon är en bra lösning för att implementera fältorienterad styrning av BLDC-motorer. Den har den prestanda och funktionsuppsättning som krävs för att implementera en högeffektiv, kostnadseffektiv BLDC-motordrivkrets på en minimal kretskortsyta. Den mer djupgående tillämpningsbeskrivningen "Fältorienterad styrning utan givare med inbäddad effektsystemkrets" beskriver teorin kring fältorienterad styrning och hur algoritmen kan implementeras.

Komma igång

Utvärderingskortet BLDC_SHIELD_TLE9879 från Infineon är ett enkelt sätt att komma igång med fältorienterad styrning utan givare. Den är baserad på TLE9879QXA40 och är konstruerad för att driva BLDC-motorer i kombination med ett Arduino-kompatibelt grundkort. När den kombineras med en Arduino Uno och en kompatibel BLDC-motor, kommer motorn att vara uppe och snurra på mindre än en timme (figur 3).

Figur 3. BLDC_SHIELD_TLE9879 monterade på ett Arduino Uno-grundkort. (Bildkälla: Infineon)

Scheman, bibliotek för Arduino, och fullständig dokumentation för BLDC_SHIELD_TLE9879 finns på https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. När jag forskade inför den här bloggen så lade jag tid på Uno och tilläggskortet för att lära mig att styra en BLDC-motor. Konfigurationssteg, testkod och referensdokument finns i mitt projekt Styra en BLDC-motor med tilläggskortet TLE9879Qx, drivkrets för 3-fasmotorer från Infineon som finns på Digi-Keys TechForum.

Utveckling av tillämpningar

För de som är intresserade av att djupdyka i konstruktioner och utveckling baserade på TLE9879Qx, har Infineon ytterligare resurser. Som startpunkt, finns källkoden för den firmware som finns i flash-minnet i BLDC-tilläggskortet som Keil uVision-projektfiler. Projektfilerna inkluderas i programnerladdningen "BLDC-tilläggskort för Arduino med TLE9879QXA40" från Infineon på länkenBLDC_SHIELD_TLE9879 på tilläggskortets projektsida. Dessutom finns förutom, BLDC-tilläggskortet, pumpreferensdesignen REF_WATERPUMP100W, och fläktreferensdesignen REF_ENGCOOLFAN1KW tillgängliga från DigiKey.

Sammanfattning

Utvärderingskortet BLDC_SHIELD_TLE9879 från Infineon är ett snabbt, billigt sätt att komma igång med fältorienterad styrning utan givare för att driva BLDC-motorer. Kortet är även en bra resurs för mer avancerade användare som är intresserade av att utvärdera TLE9879QXA40 och börja med den tillhandahållna källkoden.

Externa referenser

1 – Infineon. "Motorhandbok"

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