Háromfázisú BLDC-motorvezérlés: előnyök és hátrányok

A kefe nélküli, egyenáramú (BLDC-) -motorok aránya folyamatosan növekszik a többi motortechnológiákéhoz képest – különösen az autóiparban és az elektromedikai berendezésekben. Ez új motorvezérlési technológiák kidolgozására késztette a fejlesztőket. A készüléktervezőknek dönteniük kell, melyik megközelítés melyik alkalmazáshoz illik legjobban.

A hagyományos megközelítésben a motorvezérlő áramköröket diszkrét elemek felhasználásával szokás felépíteni (1. ábra). A legújabb fejlesztések azonban inkább egycsipesek – rendszercsipeken (SoC – System on a Chip) vagy alkalmazásorientált céláramkörökön (ASSP – Application Specific Standard Product) alapulnak –, de kétcsipes változatok is ismeretesek.
Az összes újabb egy- és kétcsipes megoldás kevesebb alkatrészt igényel ugyan, de mindegyik megoldásnak vannak előnyei és hátrányai. Ezeket a fejlesztőknek meg kell ismerniük, és megérteniük ahhoz, hogy – ha ez lehetséges – megtalálhassák a legkedvezőbb kompromisszumot a helytakarékos integráció és a flexibilitás között.
A választott megoldástól függetlenül egy tipikus motorvezérlő rendszer három fő részből áll. Ezek: a tápegység, a motorhajtás és a vezérlőegység. Egy hagyományos, diszkrét alapú áramkörben, amilyen az 1. ábrán is látható, a vezérlés céljára egyszerű, integrált flash-memóriás RISC-processzort használnak a kapuvezérlő áramkörök meghajtására, amelyek viszont a külső MOSFET-kapcsolók kapuelektródáit vezérlik. Ennek egy másik lehetséges módja a motor közvetlen meghajtása egy olyan processzor által, amely integráltan tartalmazza a MOSFET-eket, továbbá a processzor és a meghajtó tápellátásához szükséges feszültségszabályozót.

1. ábra Egy hagyományos, diszkrét elemekből felépített BLDC-motorvezérlés tömbvázlata

Mindezek az elemek tipikusan egyetlen motorvezérlő rendszer­csipbe integrálva is megvalósíthatók. Ráadásul a SoC a programozhatóság előnyét is kínálja, amely révén különböző alkalmazások igényeihez lehet hozzáigazítani. Egycsipes megoldásként a SoC azokban az alkalmazásokban is előnyösen használható, ahol kevés hely áll rendelkezésre a NyÁK-lapon.
A SoC-megoldás hátránya a viszonylag alacsony számítási teljesítmény és a korlátozott belső memória, amely gyakran nem elégíti ki az igényesebb motorvezérlő alkalmazások követelményeit. További hátránya, hogy – ellentétben a mikrovezérlő-gyártók által kínált bőséges fejlesztőeszköz-választékkal – a SoC-motorvezérlők firmware-fejlesztését támogató segédeszközök lényegesen kevesebb támogatást képviselnek.
Az egycsipes megközelítés lehetséges másik módja az alkal­ma­zásspecifikus szériatermékek (ASSP-motorvezérlők) használata, amelyeket egyedileg, egy-egy konkrét alkalmazáshoz fejlesztenek. Az ASSP használatának előnye az, hogy minimális NyÁK-felületen helyezhető el, ami ideális tulajdonság a méretkritikus alkalmazásokban. Egy ilyen (10-kivezetéses, DFN-tokozású, egycsipes) ventilátorve­zérlő tömbvázlata látható a 2. ábrán. Az ASSP egyben kiküszöböli a szoftver „finomhangolásának” igényét is, amely révén használata kiemelkedő ár–teljesítmény arányt jelent a nagy sorozatú gyártmá­nyoknál, továbbá teljesítménye gyakran eléri egy felsőkategóriás mirkovezérlőét. Egy ASSP-morotvezérlő például a BLDC-motorok szenzor nélküli és/vagy szinuszos jelalakú vezérlését lehetővé tevő algoritmust is megvalósíthat. Az előnyök mellett azonban az ASSP-k hátránya, hogy nem programozhatók, ezért nem lehetséges a nagyobb teljesítményű hajtásokban való használatuk, és hiányzik belőlük az a rugalmasság, amellyel egy létező terméket úgy lehetne könnyen átalakítani, hogy alkalmazkodjék a piaci igények jövőbeli változá­saihoz.

2. ábra Egycsipes, ASSP-alapú motorvezérlés ventilátor meghajtásához

Miközben a SoC- és az ASSP-alapú fejlesztési stratégiák kétségtelenül segítik a fejlesztőket, hogy eleget tehessenek a miniatürizálás folytatódó trendje követelményeinek, más alkalmazásokban viszont kétcsipes megoldást használnak, amely egy intelligens, analóg vezérlőként konfigurált mikrovezérlő képességeit kombinálja egy küldő meghajtó áramkörével. Ez a megközelítés lehetővé teszi a tervezőnek, hogy a mikrovezérlők széles kínálatából választhasson; amelyek optimálisan alkalmazhatók az érzékelős vagy érzékelő nélküli áramirány-váltás vezérlésére trapéz vagy szinusz jelalakot használó meghajtási technikákhoz.
Amikor a mikrovezérlőhöz társítani kívánt meghajtócsipet kiválasztjuk, lényeges, hogy a meghajtó ne csak a MOSFET-ek (és a BLDC-motor) teljesítménykövetelményeit elégítse ki. Hasznos, ha integráltan tartalmaz egy nagy hatásfokú, beállítható feszültségű feszültségszabályozót, amely képes arra, hogy minimális teljesítményveszteséggel lássa el tápfeszültséggel a mikrovezérlőt. Olyan felügyeleti és segédfunkciók is lényegesek, amelyek a motor biztonságos működéséről gondoskodnak, és kétirányú kommunikációt tesznek lehetővé a meghajtó és a hosztvezérlő között. Fontos, hogy választható paraméterek segítségével lehessen a meghajtó tulajdonságait optimalizálni – külön programozási műveletek nélkül.
A 3. ábrán egy tipikus kétcsipes megoldás látható. Ez az áramkör egy számos, hasznos funcióval rendelkező, háromfázisú motormeghajtóból (például Microchip MCP8024) és egy nagy teljesítményű dsPIC33EP MC digitális jelfeldolgozó mikrovezérlőből (DSC) áll, és ez vezérli egy 6 db n-csatornás MOSFET-ből álló meghajtón keresztül az állandó mágneses szinkronmotort (PMSM – Permanent Magnet Sychronous Motor). Ha csak egyszerűbb, hatfázisú vezérlőarchitektúrára van szükségünk, a DSC helyén egy egyszerű, 8 bites mikrovezérlőt is használhatunk egy hasonló teljesítményű BLDC-motorhoz.

3. ábra Kétcsipes BLDC-vezérlés külső MOSFET-ekkel

Az egycsipes, SoC- vagy ASP-alapú BLDC-vezérlők tulajdonságait egy kétcsipes, mikrovezérlőből vagy DSC-ből, valamint meghajtócsipből álló vezérlésével az 1. táblázat hasonlítja össze. Ez azt mutatja, hogy a SoC és az ASSP a kis helyigényű megoldásokban előnyös ugyan, de rögzített paramétereik és képességeik, korlátozott memóriájuk és számítási teljesítményük jelentősen csökkenti a flexibilitást és az alkalmazás paramétereihez alkalmazkodó méretezhetőséget.

1. táblázat Az egy- és kétcsipes BLDC-motorvezérlések összehasonlítása

A BLDC-motorvezérlés egy- és kétcsipes megközelítései lehetőséget adnak a fejlesztők számára, hogy csökkentsék a felhasznált alkatrészek számát és a szükséges NyÁK-felületet a hagyományos, diszkrét elemekből megvalósított áramkörökhöz viszonyítva. A gyártóktól (például a Microchiptől) elérhető hardver- és firmware-referenciatervek és könyvtárak ugyancsak jelentősen csökkentik azt a fejlesztési időt, amely egy korszerű motorvezérlés piacképessé érleléséhez szükséges.

www.microchip.com

Szerző: Brian Chu – Microchip Technology, Inc. 

Még több Microchip

Címkék: BLDC | motorvezérlés | SoC | ASSP |