Tervezési döntések BLDC motorok vezérléséhez

A kefe nélküli egyenáramú (BLDC) motorokat a legkülönbözőbb alkalmazásokban használják, a repülés- és autószimulátoroktól kezdve a mennyezeti ventilátorokig. A Renesas System and Solutions csapatának szakértői a vállalat teljes portfólióját kihasználva létrehoztak egy kifejezetten a BLDC motorvezérlő alkalmazásokhoz kifejlesztett Winning Combinationt.

Az ilyen rendszereket fejlesztő mérnökök támogatására a tapasztalt rendszerépítők egy olyan proof-of-concept (a koncepció igazolása) kártyát kívántak létrehozni, amely bemutatja a rendszertervezés legjobb gyakorlatait, miközben lehetővé teszi a különböző vezérlőalgoritmusok értékelését. A cikk bemutatja, hogyan tervezték meg a kártyát, a tervezési döntések mögött meghúzódó indokokat, és hogy a kártya hogyan teszi lehetővé az egyes alkalmazások eltérő követelményeinek figyelembevételét. A megoldási kártya segíti a mérnököket abban, hogy saját fejlesztéseiknek lendületet adjanak, és az átvilágított tervezés révén rövidebb piacra jutási időt érjenek el, miközben csökkentik a tervezési és validálási erőfeszítéseiket.

Kefe nélküli egyenáramú motorok

Az egyenáramú motorok Michael Faraday és Joseph Henry, valamint Andrew Gordon 1740-es évekbeli munkásságára nyúlnak vissza, amikor kimutatták, hogy az áram mágneses mezőben egy dróton való áthaladása erőt vált ki. E korai kutatások ellenére csak az 1880-as években kezdték széles körben alkalmazni a motorokat kereskedelmi alapon.
Az első motorok kefés motorok voltak. Ennek oka, hogy az áram polaritását minden alkalommal meg kell fordítani, amikor a motor 180°-ot fordul, hogy a forgás ugyanabban az irányban maradjon. A kefék érintkeznek egy osztott kommutátorral (1. ábra), ami lehetővé teszi az áramáramlás irányának megváltoztatását. A kefék által biztosított mechanikus érintkezések azonban jelentős elektromágneses interferenciát (EMI), szikrákat és a kefe, valamint a kommutátor eróziója miatt csökkent élettartamot eredményeznek.

1. ábra A hagyományos egyenáramú motor működése

1962-ben a szilárdtest-technológia fejlődése lehetővé tette T.G. Wilson és P.H. Trickey számára egy kefe nélküli egyenáramú motor kifejlesztését, amely elektronikát használt a kommutáláshoz, kiküszöbölve a kefék használatának hátrányait, ezáltal lehetővé téve a nagyobb nyomaték-tömeg arányt és a nagyobb hatékonyságot. A BLDC-motor egy állandó mágnesekkel ellátott rotort és egy elektromágnesekből álló állórészt használ, amelynek polaritását elektronikusan kapcsolják a rotor meghajtására (2. ábra). A BLDC-motorok egyfázisú, kétfázisú és háromfázisú konfigurációban készülhetnek – a háromfázisú a legnépszerűbb.

2. ábra A BLDC motor működése

Napjainkban a BLDC-motorok alkalmazása a legelterjedtebb technológia, amely a számítógépes merevlemezektől és ipari robotoktól kezdve az elektromos járművekig és ventilátorokig mindenféle motor teljesítményét javítja.

BLDC motorok vezérlése

Mivel a kommutációt elektronikusan vezérlik, valamilyen módon ellenőrizni kell a rotor helyzetét. Hagyományosan ezt Hall-effektus-érzékelővel oldották meg, bár precízebb vezérlés lehetséges, ha a forgás pontos szöge ismert. Alternatív megoldásként az egyes tekercsekben folyó áram mérhető söntellenállások segítségével. Annak érdekében, hogy a proof-of-concept kártya minél több alkalmazásban használható legyen, a Renesas úgy döntött, hogy söntellenállásokat alkalmaz, és pozícióérzékelőt használ olyan projektekhez, ahol pontosabb vezérlésre van szükség.
A BLDC motorok vezérlésére számos különböző algoritmus létezik. A modern alkalmazások általában szinuszos hullámformákat használnak a motor meghajtására, mivel ezek hatékonyabbak, egyenletesebb nyomatékot biztosítanak, és alacsony fordulatszámon pontosabbak, mint a trapéz- (PWM) technikák. A szinuszos kimeneti hullámformák használata és a szögszámítások – ha pozícióérzékelőket használnak – jelentős teljesítményigényt támasztanak a rendszerben használt mikrokontrollerrel szemben.

A motor és a MOSFET-ek kiválasztása

A rendszer kulcsfontosságú eleme egyértelműen a motor, és jellemzően ez az első termék, amelyet kiválasztunk. Az elsődleges kiválasztási kritériumok a rendelkezésre álló feszültség, a szükséges fordulatszám, a nyomaték és a teljesítmény, bár néha más tényezők, például a motor mérete is fontos lehet. Napjainkban a legtöbb BLDC-motor 3-fázisú konfigurációt használ.
A Renesas proof-of-concept-jében egy 24 V-os motort választottak. Ha 24 V-os V-busszal működik, és a motor teljes fordulatszámon leáll, akkor 24 V-os hátsó elektromotoros erőt (EMF) generál, ami azt jelenti, hogy a motor meghajtásához használt MOSFET-eknek legalább 48 V-os névleges feszültségre van szükségük. A tranzisztoroknak képesnek kell lenniük az áramcsúcsok leadására is, amelyek jelentősen meghaladhatják az átlagos áramot. Az RJK0651DBP Power MOSFET ideális, mivel 60 V-os névleges feszültséget és 25 A áramerősséget garantál, ami több mint megfelelő a kiválasztott motorhoz.
A mikrokontroller nem képes közvetlenül meghajtani a MOSFET-eket, ezért a HIP2211 félhidas kapumeghajtók kerültek kiválasztásra. Ezek a rugalmas eszközök széles, 6 V és 18 V közötti üzemi tápellátási tartománnyal és integrált high-side bootstrap diódával rendelkeznek.

A mikrokontroller kiválasztása

A proof-of-concept kártyán lehetőség van induktív helyzetérzékelő vagy söntellenállások használatára a rotor helyzetének meghatározásához. Ez azt jelenti, hogy a mikrokontrollernek három ADC-re van szüksége mintavételezéssel és tartással. A BLDC motorvezérlő alkalmazásban használt mikrokontrollernek jó teljesítményt kell nyújtania, különösen a rotor szöghelyzetének meghatározásához szükséges számításokhoz. Ez vezetett ahhoz, hogy a tervezők egy lebegőpontos egységgel rendelkező mikrokontrollert választottak.
A legtöbb modern mikrokontroller 3,3 V-on működik, de zajos alkalmazásokban ez hátrányos lehet. A robusztus működés biztosítása érdekében a tervezők olyan mikrokontrollert választottak, amely 5 V-on működik. Az RX13T-család megfelelt ezeknek a követelményeknek, és kifejezetten motorvezérlő alkalmazásokhoz készült. Többféle tokozási lehetőség áll rendelkezésre, valamint 12 kB RAM és választható 64 K vagy 128 K programmemória. Mivel ez egy proof-of-concept, nagy programmemóriás eszköz került kiválasztásra, hogy kiküszöböljék a megvalósítható algoritmusok korlátozását.
A kártyát a motor vezérlésére szolgáló szoftverrel látják el, és egyaránt használhatók a söntellenállások vagy az induktív helyzetérzékelő. A forráskódot mellékelték, ami lehetővé teszi az algoritmusok optimalizálását, és segít a mérnököknek a fejlesztési időkeret csökkentésében.

Helyzetérzékelés

Bár a BLDC-motorok nagyon gyakran rendelkeznek Hall-effektusos érzékelőkkel a rotor helyzetére vonatkozó adatok szolgáltatásához, más módon is meg lehet határozni ezt az információt. Az áramérzékelő ellenállások mellett ez a kialakítás egy IPS2200 induktív pozícióérzékelőt is tartalmaz. Ez az érzékelő drámai javu­lást kínál a Hall-effektusos érzékelőkhöz képest, mivel ezek a pozíciót a fordulat 1/3-áig adják meg, míg az IPS2200 0,5°-os pontosságot biztosít a teljes fordulaton mérve. Az érzékelő lehetővé teszi a rotor abszolút helyzetének meghatározását, ellentétben a rezolverrel, amely az érzékelő pontosságát megközelítő – de nem megfelelő – pontosságot tud nyújtani, ugyanakkor az abszolút helyzet megadásához nullpontra van szükség.

Tápegység

A tervezők úgy döntöttek, hogy szabványos 24 V-os tápegységet használnak, 5 mm-es jack-csatlakozóval. Ez azt jelenti, hogy a cseretápegységek könnyen beszerezhetők. Bár a kialakítás nagyobb teljesítmény leadását teszi lehetővé, a szabványos csatlakozó választása azt jelenti, hogy a maximálisan adható áram 4 A, ami korlátozza a motornak leadható teljesítményt. A tervezők úgy érezték, hogy a könnyen beszerezhető tápegység előnyei felülmúlják a nagyobb motorok táplálásának előnyeit, mivel a koncepció bizonyítása nem függött egy adott méretű motortól.
A 24 V-os bemenet közvetlenül a motort hajtja meg. A MOSFET-meghajtóknak azonban 6…14 V-os tápellátásra van szükségük. Az ISL85413 segítségével 10 V-os vezérlőfeszültséget állítanak elő. Ez a tápegység egy általános célú szinkron Buck szabályozó, amely akár 300 mA kimeneti áramot is biztosít nagy hatékonysággal. Különösen könnyen megvalósítható, kevés külső alkatrészt igényel, ezért ideális egy ilyen proof-of-concept laphoz.
A fentiekben tárgyaltak szerint a mikrokontrollerhez 5 V-os sínt választottak a zajtartomány növelése és a robusztus működés biztosítása érdekében. Az alacsony áramigény lehetővé tette az ISL80410, egy LDO szabályozó használatát, amely a 10 V-os sínről táplált. Ez biztosította a mikrokontroller zavartalan ellátását.

Egyéb, a tervezés során hozott döntések

A tervezéshez egy USB-csatlakozást is hozzáadtak, hogy egy PC segítségével adatokat gyűjthessen és vezérelhesse a motort. A mikrokontroller nem tartalmaz USB-vezérlőt, ezért ezt a funkciót egy RL78/G1C mikrokontroller csatlakoztatásával érték el. Egy külön eszköz használata az USB-kapcsolathoz azt jelentette, hogy a tervezők egy opto-izolátort használhattak a PC védelmére, ha hiba lépne fel a kártyán. Ez kritikus fontosságú, amikor egy teljesítményelektronikai kártyát használnak fejlesztési célokra.
A négyrétegű nyomtatott áramköri lapot azért választották, hogy jó kompromisszumot kössenek a költségek és a méret között. Az egyik oldalon elhelyezett alkatrészek költséghatékonyabb gyártást tettek lehetővé. Megjegyzendő, hogy a felhasználható csomagokat is a NYÁK mérete határozza meg.

3. ábra A rendszer blokkdiagramja

A végleges rendszer

A végleges blokkdiagram a 3. ábrán látható, a 4. ábrán látható fotóval. A gyakorlatban a kártya értékes és rugalmas eszköznek bizonyult, amely az autó- és repülőgép-vezérlő szimulátorok vezérlésétől kezdve az elektromos szerszámokig és robotfűnyírókig segít a hatékony BLDC-motorvezérlési megoldások kifejlesztésében az alkalmazásokon dolgozó mérnököknek.

4. ábra Rendszerfotó

Bár a kompromisszumok az alkatrészek kiválasztásakor a saját alkalmazásaikban eltérhetnek a koncepció bizonyításától, az alapvető tervezési döntések ugyanazok maradnak. A Renesas egy jól átgondolt megoldás biztosításával segített az ügyfeleknek abban, hogy lerövidítsék a piacra jutási időt, és hatékony, eredményes megoldást nyújtsanak motorvezérlési kihívásaikra.

Szerző: Simon Meadmore, a Farnell beszállítói és termékmenedzsmentért felelős globális vezetője

Farnell element14
Ingyenesen hívható telefonszám: 06 80 016 413
Műszaki támogatás e-mailben: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hu.farnell.com
www.element14.com