magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

digi ke3A hadiiparban, a robotikában és más nehézipari tevékenységekben számos felhasználási terület megköveteli a szénkefe nélküli egyenáramú (BLDC) motorok használatát a beágyazott rendszerekben. Miközben a villanymotorok működtetése egyszerű hétköznapi feladatnak tűnik, valójában bonyolult művelet, amely lelassíthatja a projektet, mert a fejlesztőnek meg kell ismernie a motor vezérlését, nyomaték- és villamos jelleggörbéit, illetve elektromágneses jellemzőit, valamint a visszacsatolási áramerősség mérésének módját.

 

Az első feladat kiválasztani a megfelelő hardvert, amelyen a motort a felhasználási terület teljes mozgási tartományában egyenletes szabályozással vezérlő algoritmust futtatni szeretnék, lehetőleg minél kevesebb alkatrészt használva.
Szükség van valamire, ami lerövidíti a munkát, mégpedig egy mindent tartalmazó hardver- és szoftvercsomag formájában, amely nagymértékben csökkentheti a fejlesztésre fordított időt, és lehetővé teszi a fejlesztők számára, hogy a végső alkalmazási területre összpontosítsanak anélkül, hogy túl mélyen bele kellene ásniuk magukat a motorvezérlés művészetének finomságaiba.
Ez a cikk a Texas Instruments egy csomagját mutatja be, amely a cég mikrovezérlőjét és fejlesztőkészlet-hardverét kombinálja a cég InstaSPIN™ térirányvezérelt (FOC) motorvezérlést megvalósító szoftverével és eszközeivel. Ezt követően azt ismerteti, hogyan határozhatja meg az ezen a területen újonc fejlesztő ezzel a kombinációval a motor paramétereit, és hogyan állíthat üzembe egy komplett szénkefe nélküli egyenáramú motort egy órán belül.

 

digi ke3

1. ábra  A TMS320F280049C LaunchPad tartalmaz egy elkülönített USB XDS110 hibakereső szondát, egy F280049C Piccolo mikrovezérlőt és egy elektronikát, amely két felhasználásspecifikus hardverelemekhez használható gyorsítócsomag áramellátását teszi lehetővé (A kép forrása: Texas Instruments)

 

Mi az az InstaSPIN-FOC, és tényleg ennyire egyszerűen használható?

A Texas Instruments InstaSPIN megoldása annyiban egyedi, hogy a fejlesztő a nulláról indulva egy órán belül működőképes villanymotort tud üzembe állítani. Ezt a megoldást korábban, akár csak egyszer is használó fejlesztő tíz perc alatt működőképessé tud tenni egy villanymotort. Ezenkívül, mivel a megoldáskódoló helyett térirányvezérlést (FOC, field-oriented control) használ, a fejlesztőnek nincs más dolga, mint tápfeszültségre és testre kötni a villanymotort, majd csatlakoztatni minden vezérlési fázist. Ezzel a villanymotor bekötése villamos szempontból készen is van. Nincs szükség kódolókra vagy más bonyolult elektronikai eszközökre.
Természetesen vannak a térirányvezérlésen kívül más olyan szabályozómechanizmusok is, amelyek nem használnak sem érzékelőket, sem kódolókat, ilyen például az ellen-elektromotoros erő nullaátmenetének időzítésével működő szabályozás. Az InstaSPIN viszont a villanymotor fluxusát figyelve határozza meg, mikor kell kommutálni (átkapcsolni) a motort. A fejlesztő egy grafikonablakban figyelheti a fluxusjelet, és a Flux Threshold (Fluxusküszöbérték) csúszkával beállíthatja, milyen fluxusszintnél kommutáljon a motor. Az optimális kommutálást a fázisfeszültség és a pillanatnyi hullámformák figyelésével lehet ellenőrizni, amelyek szintén megjelennek az ablakban.
Az InstaSPIN-FOC megoldásnak négy fő része van:

  • a mikrovezérlő kártya,

  • a motorvezérlő kártya,

  • az InstaSPIN-FOC grafikus felhasználói felület (GUI),

  • a szénkefe nélküli egyenáramú (BLDC) motor.

A mikrovezérlő kártya biztosítja a térirányvezérlési algoritmus logikáját, és utasítja a motorvezérlőt, hogy mikor kapcsolja ki vagy be a motor különböző fázisait, valamint kezeli a kommunikációt a grafikus felhasználói felülettel, ahol a fejlesztő figyelheti a fluxusszinteket és egyéb paramétereket. A motorvezérlő biztosítja az adott villanymotor vezérléséhez szükséges illesztőfelületet. Ide tartoznak a mikrovezérlőt a nagyfeszültségtől védő, a méréseket elvégző, és a villanymotor hibáit érzékelő villamos áramkörök.
Az InstaSPIN-FOC grafikus felhasználói felülete egy egyetemes grafikus felhasználói felület, amely a Texas Instruments internetes fejlesztői galériájában található. A fejlesztők futtathatják a grafikus felhasználói felületet közvetlenül a böngészőprogramban, vagy letölthetik egy helyileg futtatható változatát a saját számítógépükre.
Végül pedig az utolsó fő rész a konkrét háromfázisú, állandó mágneses, szénkefe nélküli egyenáramú motor.
Vizsgáljuk most meg mindezen területeket, és fedezzünk fel egy lehetséges hardveres megoldást, amelynek segítségével a szénkefe nélküli egyenáramú motor üzembe állítható.

 

digi key2

2. ábra  A TMS320F280049C vezérlőkártya motorvezérlési képességeket kínál egy kis modulcsomagban, amely dokkolóállomás segítségével felhasználható a mikrovezérlő be- és kimeneteihez való hozzáférésre (A kép forrása: Texas Instruments)

 

A szénkefe nélküli egyenáramú motorok vezérlőegységei és mikrovezérlői

Többféle megoldás is van, amelyek közül a fejlesztők kiválaszthatják, melyiket szeretnék használni szénkefe nélküli egyenáramú motorjuk vezérlésére, úgyhogy nem kell sokáig keresgélniük: a TI cég InstaSPIN-FOC és MotorControl jelű szoftverfejlesztő készletei (SDK-i) párosítva vannak a cég LAUNCHXL-F280049C TMS320F280049C LaunchPad fejlesztőkártyájával (1. ábra) és BOOSTXL-DRV8323RS LaunchPad Booster Pack indítópult-gyorsító csomagjával. A TMS320F28049C LaunchPad egy olcsó fejlesztőkártya, amely tartalmaz egy kártyán elhelyezett XDS110 hibakeresőt, bővítőfoglalatokat és a F280049CPMS TMS320F280049C PiccoloTM mikrovezérlőt.
A TMS320F280049C mikrovezérlő egy C2000 mikrovezérlőmagot használ, továbbá 256 kB flashmemóriát és 100 kB RAM-ot tartalmaz, valamint 100 MHz-en fut.
A TMS320F280049C tartalmazza ezenkívül a TI cég FOC (térirányvezérelt) motorvezérlő algoritmusát a ROM-ba építve, hogy a fejlesztőknek ne kelljen értékes kódterületet pazarolniuk erre.
A TMS320F280049C LaunchPad nem az egyetlen megoldás, amelynek révén a fejlesztők hasznosíthatják a TMS320F280049C mikrovezérlőt. Létezik még a TMDSCNCD280049C vezérlőkártya is a TMS320F280049C mikrovezérlővel (2. ábra). Ez a kártya használható a prototípuskészítési fázisban, illetve használhatják azok a fejlesztők, akik szeretnék megteremteni azt a rugalmasságot, hogy kiírhassák a mikrovezérlő tartalmát egy lapozófájlba, vagy nagyobb bővíthetőséget szeretnének. A vezérlőkártya behelyezhető egy dokkolóállomásba, ami hozzáférést biztosít a fejlesztők számára a mikrovezérlő be- és kimeneteihez.
A DRV8323RS LaunchPad Booster Pack indítópult-gyorsító csomag egy bővítőkártya, amely a TMS320F280049C LaunchPad kártya felső oldalán helyezkedik el, és a szénkefe nélküli egyenáramú motor vezérléséhez szükséges további hardverelemekkel egészíti ki azt (3. ábra).

 

digi ke3

3. ábra  A DRV8323RS LaunchPad Booster Pack indítópult-gyorsító csomag egy motorvezérlő-egységet, FET-eket és a szénkefe nélküli egyenáramú motor vezérléséhez szükséges egyéb kiegészítő áramköröket tartalmaz (A kép forrása: Texas Instruments)


A DRV8232RS kártya elhelyezhető az 1. és a 2. bővítőhelyen is, de a MotorControl SDK (motorvezérlési szoftverfejlesztő készlet) laborpéldái azt feltételezik, hogy az 1. bővítőhelyen van. A fejlesztők a szénkefe nélküli egyenáramú motort háromérintkezős csatlakozóval tudják a kártyához csatlakoztatni, majd el kell látniuk a kártyát külső áramellátással a motor vezérléséhez. A DRV8232RS LaunchPad Booster Pack indítópult-gyorsító csomag biztosítja a TMS320F280049C kártya áramellátását is. A kártya visszajelző LED-ekkel van ellátva, amelyek jelzik, ha van áramellátás, és van hibajelző LED is.
A DRV8232RS LaunchPad Booster Pack lelke a DRV8230 háromfázisú intelligens kapuvezérlő. A kapuvezérlő alacsony jelértékű áramérzékelést nyújt, és közvetlenül hajtja meg a névlegesen 60 V-ig használható MOSFET-eket.
A TMS320F280049C LaunchPad kártya és a DRV8232RS LaunchPad Booster Pack indítópult-gyorsító csomag révén a fejlesztők szénkefe nélküli egyenáramú motorok széles körét tudják vezérelni. Kezdetnek nagyszerű példa a Trinamic cég QBL4208-41-04-006 jelű villanymotorja (4. ábra).
A Trinamic motor 24 V tápfeszültségről működik, a legnagyobb fordulatszáma 4000 f/perc, és 62,5 mNm nyomatékot ad le.
Annak érdekében, hogy meglegyen az a minimális felszereltség, amelyre egy fejlesztőnek a szénkefe nélküli egyenáramú motorok vezérlésével végzett munka megkezdéséhez szüksége van, a következő lépésként nézzük meg, hogyan lehet azonosítani a motor paramétereit a InstaSPIN-FOC GUI grafikus felhasználói felület segítségével.

 

digi key4

4. ábra  A Trinamic QBL4208-41-04-006 jelű, 4000 f/perc fordulatszámú szénkefe nélküli egyenáramú motorja 24 V tápfeszültségről működik, és 62,5 mNm nyomatékot ad le (A kép forrása: Trinamic Motion Control GmbH)

 

A szénkefe nélküli egyenáramú motor paramétereinek azonosítása, és a motor működtetése

Ahhoz, hogy az InstaSPIN-FOC GUI vezérelni tudja a motort, meg kell ismernie a motor jelleggörbéit, hogy el tudja végezni a fordulatszám vagy a nyomaték térirányvezérlését (FOC). Ehhez az algoritmusnak ismernie kell a következő jelleggörbéket:

  • ellenállás,

  • induktancia,

  • a villanymotor fluxusa,

  • gerjesztőáram.

Ezeket a jelleggörbéket az InstaSPIN-FOC GUI mind meg tudja határozni mindössze néhány perc alatt.
A grafikus felhasználói felület futtatható böngészőben, és alapértelmezés szerint a TMS320F280049C kártyával és a DRV8232 bővítőkártyával való működésre tervezett MotorControl SDK Lab 5 jelű laborpéldát tölti be. A Lab 5 bemutatja, hogyan azonosíthatja a fejlesztő a villanymotort, és készítheti el annak jelleggörbéit. A részleteket a grafikus felhasználói felület gyorskalauza és a Lab 5 használati utasítása tartalmazza.
A fejlesztőnek első lépésként meg kell nyitnia az InstaSPIN-FOC grafikus felhasználói felületet a TI fejlesztői webhelyéről. Ezután látni fogja, hogy a grafikus felhasználói felületen van egy futtatógomb (Run), mint minden más fejlesztésre szolgáló IDE beépített fejlesztőkörnyezetben. A gombra kattintva letöltődik a villanymotor azonosítókódja az indítópultba, amely megpróbálja futtatni azt.
Először semmi érdekes nem történik, mert a fejlesztőnek engedélyeznie kell a szoftvert. Ehhez be kell jelölnie a grafikus felhasználói felületen az Enable System (A rendszer engedélyezése) jelölőnégyzetet. Ekkor a motorazonosító kód még mindig nem fut, mivel a Run (Futtatás) jelölőnégyzetet is be kell jelölni. A futtatás engedélyezése után a kód elkezd végrehajtani egy műveletsort, amelynek célja a motor azonosítása. Ez elvégzi a motor működtetéséhez nélkülözhetetlen paraméterek beszerzéséhez szükséges méréseket. A teljes azonosítási folyamat mindössze néhány percig tart, amelynek során a motor felpörög, majd lelassul, és pár percig kis fordulatszámon jár.
A folyamat végén a fejlesztő grafikus felhasználói felülete nagyjából úgy fog kinézni, mint az 5. ábrán látható.
Figyelje meg, hogy az 5. ábrán van néhány érték a grafikus felhasználói felület jobb felső sarkában, amely ki van töltve. Ezek a villanymotor azon paraméterei, amelyeket érdemes menteni, hogy később fel lehessen őket használni a motor vezérléséhez nyomaték- vagy fordulatszám-vezérlési üzemmódban. Azt is figyelje meg, hogy a bal oldalon a Motor Identified (A villanymotor azonosítva) lámpa színe szürkéről zöldre változott. Ekkor a motor fordulatszámát már lehet közvetlenül a grafikus felhasználói felületről szabályozni.
A motor fordulatszámának szabályozásához egyszerűen csak módosítsa a speedRef (Hz) [referencia-fordulatszám (Hz)] mező értékét a grafikus felhasználói felületen. Megfigyelhető, hogy a motor ezt a referencia-kezelőszervet használva nagyon gyorsan pörög fel. A fordulatszám csökkentéséhez viszont több vezérlési értéket kell megadni, egyre alacsonyabb speedRef értékkel. A motor egy pillanat alatt teljesen megállítható, ha törli a jelet a Run jelölőnégyzetből.

 

digi key5

5. ábra  Az InstaSPIN-FOC grafikus felhasználói felülete röviddel a villanymotor azonosítása után (A kép forrása: Jacob Beningo)

 

Tanácsok és trükkök a szénkefe nélküli egyenáramú motoroknak a TI cég InstaSPIN-FOC vezérlőegységével való használatához

Alább néhány, a gyakorlatban már bevált módszert ismertetek, amelyeket a fejlesztőknek figyelembe kell venniük, amikor a szénkefe nélküli egyenáramú motorokat a TI cég InstaSPIN-FOC vezérlőegységével együtt használják:
Válasszon olyan mikrovezérlőt, amely tartalmazza a villanymotor algoritmusait a belső flashmemóriájába beégetve. Ezzel csökken a villanymotor algoritmusai által felhasznált kódterület, és az algoritmusok végrehajtása során nagyobb lehet a teljesítmény is.
Az F280049C indítópulton használja az 1. bővítőhelyet a DRV8323RS Launchpad Booster Pack indítópult-gyorsító csomag alapértelmezett helyeként. A 2. bővítőhely használatához frissíteni kell a szoftvert.
Szánjon időt arra, hogy átnézze a TI cég MotorControl SDK szoftverfejlesztő készletének részét képező 13 laborpéldát. Ezek a laborpéldák mindent tartalmaznak a villanymotor paramétereinek azonosításától a motor fordulatszám- és nyomatékszabályozás révén történő vezérléséig.
A saját villanymotorja paramétereinek meghatározásához használja a Lab 5 jelű laborpéldát. Ha MOTOR_TYPE_PM utasítást használ, feltétlenül adja hozzá az alábbi meghatározást is, hogy sikeresen fordítsa gépi kódra a laborpéldát, majd használja a beállított értéket:

 

define #define USER_MOTOR_INERTIA_Kgm2 (7.06154e-06)

 

Kezdjen el kísérletezgetni a szénkefe nélküli egyenáramú motorral az InstaSPIN-FOC internetes grafikus felhasználói felületét használva.

 

Következtetés

Ha szénkefe nélküli egyenáramú motort használ fordulatszám- vagy nyomatékszabályozásra, a projektfejlesztés lelassulhat, mivel ez egy bonyolult probléma, amely könnyen meghaladhatja egy beágyazott szoftverekkel foglalkozó mérnök ismereteit. Ez a cikk azt mutatta be, hogy a Texas Instruments cég InstaSPIN és MotorControl SDK termékét, valamint az azokhoz kapcsolódó hardverelemeket használó fejlesztők korlátozott vezérléstechnikai ismeretek birtokában is gyorsan és egyszerűen állíthatnak üzembe egy szénkefe nélküli egyenáramú motort.

Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics

 

Digi-Key Electronics
Angol/német nyelvű kapcsolat
Hermann W. Reiter
Director, Global Strategic Business Development
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +49 151 6286 5934
E-mail: hermann.reiter@digikey.com

www.digikey.hu

 

Még több Digi-Key Electronics