MCU-fejlesztések válaszolnak a motorvezérlés kihívásaira
A beágyazott vezérlések területe azért izgalmas, mert itt találkoznak a digitális vezérlők a valós fizikai világgal. Ezek egyik legdinamikusabban fejlődő ágazata, a motorvezérlés sajátos igényeire a félvezetőipar olyan mikrovezérlők kidolgozásával válaszol, amelyek teljesítőképességük és célorientált perifériakészletük révén a motorok megbízható, biztonságos, pontos pozicionálású és jó energiahasznosítású vezérlésére alkalmasak.
Motorokkal sokféle megjelenésben találkozhatunk. A tartomány egyik végén a precíziós pozicionálási alkalmazásokra gyakran használt léptetőmotorokat találjuk, a másik végletet a nagy teljesítményű, váltakozóáramú indukciós (Alternating Current Induction) motorok képezik, amelyek nagy nyomatékukkal szolgálják – egyebek közt – az ipari keverő- és feldolgozóberendezések meghajtását.
A motorok kiválasztását nagyon gyakran nem is az alkalmazás, hanem annak környezete határozza meg. Automotív környezetben például a váltakozóáramú táplálás helyett a kisfeszültségű akkumulátorokról történő tápellátás a célszerű. Emiatt előnyös a kefés egyenáramú (Brushed Direct Current – BDC) és a kefe nélküli egyenáramú (Brushless Direct Current – BLDC), valamint az állandómágneses szinkronmotorok (Permanent Magnet Synchronous – PMS) használata. A hálózati tápellátású háztartási eszközöket, mint például a mosógépeket, vagy az ipari célú gépi berendezéseket gyakran úgy tervezik, hogy közvetlenül legyenek táplálhatók a 110 vagy 220 V-os, esetleg magasabb feszültségű váltakozóáramú energiahálózatról. Viszont, még ha a nagyobb feszültségű váltakozóáramú hálózat elérhető is, meglehet, hogy az ipari felhasználók a nagyfeszültségű BLDC vagy PMS motorokat választják inkább, mivel ezek alacsony fordulatszámnál nagyobb nyomatékot tudnak leadni, mint az ACI-motorok.
Kisfeszültségű motorvezérlés-fejlesztőrendszer BLDC és PMSM-alkalmazásokhoz
Végeredményben a motorfajta kiválasztása és az alkalmazás célterülete erősen befolyásolja a vezérlési stratégiát, és ezen keresztül azt az elektronikai platformot, amivel ezt rendszerint megvalósítják. A legegyszerűbb motorvezérlés nem több egy kapcsolónál vagy feszültségszabályozónál. Az ACI-motoroknál az egyszerű alkalmazások szokásos vezérlési stratégiája a „Volt per Hertz”, amely szerint a motorfeszültség és a frekvencia hányadosa határozza meg a motor által előállított nyomatékot. Ezzel a módszerrel azonban csak alacsony nyomaték érhető el alacsony fordulatszámnál, amely sok alkalmazásban elfogadhatatlan.
Ha az összetettebb vezérlési stratégiák felé fordulunk, a tervezőnek egy-egy kiválasztott motortípus hátrányainak sokaságával kell megbirkóznia. A léptetőmotorokat például állandó lépésekben kifejezhető szögelfordulásra tervezték, de a mikroléptetés (microstepping) néven ismert, fejlettebb vezérlési eljárásokkal nagy felbontású pozicionálást és folyamatos mozgást is megvalósíthatunk velük.
A magas minőségű, mágnestér-irányvezérlésű (Field Oriented Control – FOC) stratégiák a motorbeli fluxuseloszlás matematikai modelljeit használják annak pontos meghatározására, mikor kell aktiválni a motor egyes fázistekercseit. A FOC képes kiküszöbölni a kevésbé kifinomult motorvezérlési stratégiák (például a Volt per Hertz) számos problémáját. A FOC széles fordulatszám-tartományban garantál nagy nyomatékot, és megvan az az előnye, hogy a pontos pozicionálást költséges szenzorok alkalmazása nélkül is képes biztosítani – pusztán azzal, hogy méri a motortekercsek áramát, amiből a matematikai modellel összevetve meghatározható a forgórésznek az állórész tekercseihez viszonyított pozíciója. A pontosság és az ismételhetőség követelményeinek legmagasabb fokát a többtengelyű robotok és a számítógéppel vezérelt (CNC) szerszámgépek jelenítik meg, amelyek megvalósításához gyakran többféle motortípus kombinációjára lehet szükség.
A magas minőségi követelmények miatt a tervezők gyakran használnak nagy sebességű digitális jelfeldolgozó (DSP) áramköröket, sőt akár programozható logikai hálózatokat (FPGA-kat) is. Ezek a vezérlők egyidejűleg több motor működtetését képesek koordinálni, például a robotkarokban és a szerszámgépekben, ahol pontos útvonalakat kell végigjárni a helyzetvisszacsatolásra szolgáló szögpozíció-kódolók felhasználásával.
A motorvezérlés tervezését befolyásoló számos tényező közt felismerhető egy hosszú távú trend: az energiahatékonyságra törekvés, különösképpen olyan rendszereknél, amelyek folyamatosan vagy hosszú időn át működnek. Éppúgy, ahogy a FOC-alapú módszereket használjuk a motor belső hatásfokának javítására, korszerű algoritmusok állnak rendelkezésre ahhoz is, hogy magasabb hatásfokot érjünk el a kimenőteljesítmény valós idejű szabályozásával ahelyett, hogy a motort állandó fordulatszámmal járatnánk. Ezenkívül a motorfajta kiválasztásánál a megbízhatóság és az ár is jelentős szerepet játszik. Ezek a megfontolások a vezérlést végző mikrovezérlő (MCU) és a motorok kiválasztását egyaránt befolyásolják.
A tervezőcsoportok most kezdik alkalmazni az állandó mágnessel segített szinkron reluktancia- (Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance – PMASR) és a belső állandómágnesű (Interior Permanent Magnet – IPM) motorokat a háztartási gépekben és az autós alkalmazásokban, mindenek előtt a légkondicionálók és hűtőgépek kompresszorainak meghajtására. Bár ezek a motorok költségesebbek a hagyományos PMS-motoroknál, cserébe magasabb energiahatékonyságot kínálnak. Az IPM-alapú motorok „megforgatása” felveti az igényt a szorosan vett FOC-algoritmusok további vezérlőszoftverekkel való kiegészítésére. Az ilyen „értéknövelő”, hozzáadott funkciók közé tartozik az egységnyi motoráramra vonatkoztatott nyomaték (Maximum Torque Per Amper – MTPA) maximalizálása, valamint a szögkövető fázisszinkron hurok (Angle Track Phase Locked Loop – AT-PLL).
Bár a motorok sokféle működési elvet valósítanak meg, amelyek mindegyike különböző vezérlőalgoritmust igényel, mégis gyakran ugyanazok a hardverperifériák alkalmazhatók interfészként a motor tekercseihez. A motorvezérlésre optimalizált mikrovezérlők (MCU-k) és digitális jelvezérlők (Digital Signal Controller – DSC) gyakran tartalmaznak intelligens perifériakombinációkat, amelyek több processzorarchitektúra-változathoz egyaránt alkalmazhatók. A motorvezérlő MCU-kba célszerű beépíteni például az impulzusszélesség-moduláció (Pulse Width Modulation – PWM) és a holtidő-beiktatás (Dead Time Insertion) hardveres támogatását. Ezek a funkciók kezelik azt a sok kapcsolási eseményt, amelyre a pontos teljesítményszabályozás megvalósításához van szükség a motortekercseken – és mindezt közvetlen szoftverbeavatkozás nélkül. Ez mérsékli azoknak a programmegszakításoknak a számát, amelyeket a rendszermagnak motorfordulatonként kell lekezelnie.
A nagyfeszültségű motorok kihasználják a nagy hatásfokú FOC-vezérlés előnyeit
Sok rendszerben további fontos követelmény egy pontos, 10 vagy 12 bites AD-átalakító jelenléte. Ezt használjuk a motorfázisok visszacsatolt feszültségének mérésére, továbbá a rendellenesen alacsony vagy magas tápfeszültségű állapotok érzékelésére. Néhány megoldásban a jelkondicionáláshoz műveleti erősítőkre is lehet szükség a motor visszacsatolt áramának mérésénél, mielőtt a jelet az AD-átalakítóra vezetjük. Az integráltan beépített műveleti erősítőt vagy analóg komparátort tartalmazó MCU-kkal csökkenthető a NyÁK-lapra építendő alkatrészek száma. Azok az integrált eszközök, amelyekben a nagy teljesítményű MOSFET-kapcsolók kapumeghajtó áramköreit egyetlen tokba építik a motorvezérlő MCU-val vagy DSC-vel, az elektromos kéziszerszám- és automotívgyártók különös érdeklődésére számíthatnak.
Egy PWM-ekkel felszerelt nyolcbites MCU számos egyszerű motorvezérlő alkalmazás igényeit képes kielégíteni. Ám ha az alkalmazás nagyobb aritmetikai képességet igényel, gyakran érdemes inkább hasonló felépítésű, de 16 bites architektúrájú alkatrészt választani a megvalósításhoz. Például, ha a zárt hurkú vezérlés programkódjának az AD-konverter által mintavételezett visszacsatolt feszültséget és más jeleket kell feldolgoznia, az aritmetikai műveleteket 8 bites egységekre feldarabolt számokon kell végrehajtania, és ez teljesítménycsökkenést eredményezhet. Az ilyen helyzetek megelőzése érdekében előnyös 16 bites MCU-t vagy DSC-t választani azzal a megjegyzéssel, hogy a DSC nagyobb teljesítménnyel képes végrehajtani az igényes vezérlőalgoritmusokat.
Innovatív motorvezérlési stratégiák használata esetén, amelyek matematikai modelleket használnak mozgáspályák és sebességprofilok kiszámításánál, a 32 bites architektúrák (mint például az ARM Cortex-M) használatát is érdemes megfontolni. Az olyan processzormagok, mint a Cortex-M4 is, hardveresen támogatják a lebegőpontos aritmetikai műveleteket, amely jelentősen megkönnyíti az olyan programkódok egyszerű használatbavételét, amelyeket a Matlab vagy más magasszintű szoftvereszköz felhasználásával fejlesztettek.
A Microchip már bemutatott egy szoftvert az összetett FOC-algoritmusok könnyű használatbavételéhez. A motorBench Development Suite (mB) fejlesztőrendszer eszközöket biztosít például a BDLC vagy PMS motorok elektromos és mechanikai paramétereinek kigyűjtéséhez és felhasználásához valamely FOC algoritmusban, továbbá lehetővé teszi, hogy a felhasználó „finomhangolja” a motor vezérléséhez használt három vezérlőhurkot is. Ha viszont a vezérlőhurkok és az algoritmus más paraméterei már definiálva vannak, a szoftvereszköz kimenetként egy olyan szoftverprojektfájlt állít elő, amely készen áll arra, hogy a felhasználó az MPLAB X Integrated Development Environment szoftverfejlesztő-környezet segítségével futtatható programkódot állítson elő. Az mB 2.0 bevezetésével lehetségessé vált – egészen 600 V-ig – a nagyfeszültségű motorok támogatása is, a korábban is létezett kisfeszültségű motorok hangolási lehetőségeihez hasonlóan.
Bár a motorvezérléshez szükséges perifériakészlet lényegében lefedi az alkalmazások egy széles választékát, az MCU-k és DSC-k számos változata szükséges ahhoz, hogy a felhasználók a rendszerek növekvő komplexitását kezelhessék. A hálózati támogatás mára kulcsfontosságúvá vált az autóiparban, a háztartás-automatizálásban és az ipari vezérlőrendszerekben. Az a képesség, hogy az alkalmazás ne csak a működési és hibaüzenetek elküldésére legyen képes, hanem távvezérelni is lehessen, mára számos rendszer eladhatóságának elemi feltételévé vált.
A gyártók kezdik használatba venni a PMASR és IPM motorokat a háztartási gépekben
Úgyszólván minden szakterületnek megvan a maga saját hálózati protokollja, amely viszont befolyásolja a perifériarendszer megválasztását. Az automotív alrendszerek tipikusan LIN vagy CAN-FD protokollt használnak. Az ipari rendszerekben használhatók az Ethernet és az EtherCAT, a vezetékmentes alkalmazásokban egyre inkább az IoT környezetbe való integrálódás kezd tipikus választássá előlépni. A hálózati támogatás beépítése gyakran jelentős mértékben növeli a tárolást igénylő programkód terjedelmét, ami a processzorcsipre integrált flashmemória elvárt méretét egyre inkább a 256 vagy 512 kbájt tartományba tolja el. A kommunikációs protokollok kezeléséhez szükséges RAM terjedelme is növekvő tendenciát mutat. A kommunikációt nem igénylő, „magában álló” motorvezérlések viszont hagyományosan megelégednek 32 kbájt vagy még annál is kevesebb progam-flashmemóriával.
Az olyan piaci szegmensekben, mint az ipari vezérlések vagy az automotív alkalmazások, szigorú követelményeket kell teljesíteni a funkcionális biztonság érdekében. A rendszertervezőknek olyan szabványok követelményeihez kell igazodniuk, mint az IEC 60137 Class B vagy az ISO 26262. Ezeket a feltételeket segítenek kielégíteni az MCU-k olyan kiegészítői, mint a hibajelző és hibajavító kódolásra képes memóriavezérlők, a helyes programfutás folyamatos ellenőrzésére szolgáló (watchdog) és a kommunikáció megszakadását jelezni képes „holtember” időzítők, tápfeszültség- és órajelfigyelők. A tervezők a DSC-architektúrában rejlő előnyöket is kihasználhatják a megbízhatóság és a biztonság növelése érdekében. Ha például a rendszervezérlő két processzormagot tartalmaz, az egyes magokon futó szoftvert ki lehet úgy alakítani, hogy a processzormagok egymás programfutását ellenőrizzék, és figyelmeztessenek a hibaállapotra vagy újraindítást kezdeményezzenek, ha a másik processzor programvégrehajtása bármilyen okból elakad.
A kétmagos felépítés előnyei más módon is kihasználhatók. A munkaterhelést két független processzorra szétosztva a tervezők egyszerűsíthetik a valós idejű motorvezérlő-szoftver integrációját olyan más funkciókkal is, mint az IoT-orientált rendszerek hálózati kommunikációja. Ilyen koncepciók támogatására alkalmasak például a motorvezérlésre tervezett, kétmagos dsPIC33CH DSC-termékcsalád tagjai. Ezek az eszközök két dsPIC-processzormagot tartalmaznak egy csipre integrálva. Egyikük a főprocesszor (master), a másik pedig a segédprocesszor (slave) funkcióját látja el. A segédprocesszor önmagában két háromfázisú motor vezérléséhez is elegendő számítási teljesítőképességgel rendelkezik. A főprocesszor pedig amellett, hogy még egy további háromfázisú motort képes vezérelni, kezelni tudja a rendszervezérlést, a hálózati kommunikációt és olyan egyéb funkciókat is, mint a nagy teljesítményű motoroknál elengedhetetlen teljesítménytényező-javítás (Power Factor Correction – PFC).
Ahogy a motortechnológia folyamatosan továbbfejlődik, és változnak az alkalmazási igények, a felhasználók számíthatnak az MCU- és DSC-tervezés további innovációira, valamint a teljesítőképesség olyan növekedésére, amellyel nemcsak a növekvő bonyolultságú vezérlési stratégiák, hanem az egyre igényesebb rendszermenedzsment és a kommunikációs funkciók is megvalósíthatók.
még több Microchip
