تتزايد الحاجة إلى التحكم الدقيق في الحركة عبر تطبيقات مثل الروبوتات والطائرات بدون طيار والأجهزة الطبية والأنظمة الصناعية. فرش محركات العاصمة يمكن للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (BLDC) والمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSMs) توفير الدقة المطلوبة، مع تلبية الحاجة إلى الكفاءة العالية في عامل الشكل المدمج. ومع ذلك، على عكس محركات التيار المستمر المصقولة والمحركات الحثية ذات التيار المتردد، والتي يسهل توصيلها وتشغيلها، فإن BLDC وPMSMs أكثر تعقيدًا بكثير.
على سبيل المثال ، توفر تقنيات مثل التحكم في النواقل بدون أجهزة استشعار (وتسمى أيضًا التحكم الموجه نحو المجال ، أو FOC) ، على وجه الخصوص ، كفاءة ممتازة جنبًا إلى جنب مع ميزة القضاء على مدخل بطاقة الذاكرة : نعم الأجهزة ، وبالتالي تقليل التكاليف وتحسين الموثوقية. تكمن مشكلة المصممين في أن التحكم في النواقل غير المستشعرة معقد في التنفيذ ، لذا يمكن أن يؤدي استخدامه إلى إطالة أوقات التطوير ، مما يضيف التكلفة وربما يفقد نوافذ السوق.
لحل هذه المعضلة ، يمكن للمصممين اللجوء إلى منصات التطوير ولوحات التقييم التي تحتوي بالفعل على برنامج التحكم في النواقل بدون أجهزة استشعار ، مما يمكنهم من التركيز على مشكلات تصميم النظام وعدم الانغماس في الفروق الدقيقة في ترميز برنامج التحكم. بالإضافة إلى ذلك ، تشتمل بيئات التطوير هذه على جميع أجهزة التحكم في المحرك وأجهزة إدارة الطاقة المدمجة في نظام كامل ، مما يؤدي إلى تسريع وقت الوصول إلى السوق.
تصف هذه المقالة بإيجاز بعض الاحتياجات للتحكم الدقيق في الحركة وتراجع الاختلافات بين DC المصقول ، وتحريض التيار المتردد ، و BLDC و PMSM. ثم يلخص أساسيات التحكم في النواقل قبل تقديم العديد من المنصات ولوحات التقييم من Texas Instruments و Infineon Technologies و Renesas Electronics ، جنبًا إلى جنب مع إرشادات التصميم التي تسهل تطوير أنظمة التحكم في الحركة الدقيقة.
أمثلة لتطبيقات التحكم في الحركة الدقيقة
الطائرات بدون طيار هي أنظمة معقدة للتحكم في الحركة وتستخدم عادة أربعة محركات أو أكثر. هناك حاجة إلى تحكم دقيق ومنسق في الحركة لتمكين الطائرة بدون طيار من التحليق أو التسلق أو النزول.
الشكل 1: تستخدم الطائرات بدون طيار عادةً أربعة محركات أو أكثر، عادةً BLDC أو PMSMs، تدور بسرعة 12,000 دورة في الدقيقة (RPM) أو أعلى، ويتم تشغيلها بواسطة وحدة تحكم إلكترونية في السرعة (ESC). يوضح هذا المثال ESC وحدة في طائرة بدون طيار باستخدام محرك بدون فرش مع تحكم بدون مستشعر. (مصدر الصورة: شركة تكساس إنسترومنتس)
للتحليق ، يجب أن يكون الدفع الصافي للدوارات التي تدفع الطائرة بدون طيار متوازنة وأن تكون مساوية تمامًا لقوة الجاذبية التي تسحبها لأسفل. من خلال زيادة قوة الدفع (سرعة) الدوارات ، يمكن للطائرة بدون طيار الصعود بشكل مستقيم. على العكس من ذلك ، يؤدي تقليل الدفع الدوار إلى هبوط الطائرة بدون طيار. بالإضافة إلى ذلك ، هناك الانعراج (تدوير الطائرة بدون طيار) ، والميل (تحليق الطائرة بدون طيار للأمام أو للخلف) والدحرجة (تحلق الطائرة بدون طيار إلى اليسار أو اليمين).
تعد الحركة الدقيقة والمتكررة إحدى ميزات العديد من تطبيقات الروبوتات. يجب أن يقدم الروبوت الصناعي الثابت متعدد المحاور كميات مختلفة من القوة في ثلاثة أبعاد من أجل تحريك الأشياء ذات الأوزان المختلفة (الشكل 2). توفر المحركات داخل الروبوت سرعة متغيرة وعزم دوران (قوة دورانية) عند نقاط محددة ، والتي يستخدمها جهاز التحكم في الروبوت لتنسيق الحركة على طول محاور مختلفة من أجل السرعة وتحديد الموضع بدقة.
في حالة الروبوتات المتحركة ذات العجلات ، يمكن استخدام نظام قيادة تفاضلي دقيق للتحكم في كل من سرعة واتجاه الحركة. يتم استخدام محركين لتوفير الحركة جنبًا إلى جنب مع عجلة (عجلات) أو عجلتين لموازنة الحمل. يتم تشغيل المحركين بسرعات مختلفة لتحقيق الدوران والتغييرات في الاتجاه ، بينما تؤدي نفس السرعة لكلا المحركين إلى حركة خط مستقيم ، إما للأمام أو للخلف. في حين أن أجهزة التحكم في المحرك أكثر تعقيدًا عند مقارنتها بنظام التوجيه التقليدي ، فإن هذا النهج أكثر دقة وأبسط ميكانيكيًا وبالتالي أكثر موثوقية.
اختيارات المحرك
تعد محركات التيار المستمر الأساسية ومحركات الحث بالتيار المتردد غير مكلفة نسبيًا وبسيطة القيادة. تستخدم على نطاق واسع في مجموعة واسعة من التطبيقات من المكانس الكهربائية إلى الآلات الصناعية والرافعات والمصاعد. ومع ذلك ، في حين أنها غير مكلفة وسهلة القيادة ، فإنها لا تستطيع توفير التشغيل الدقيق الذي تتطلبه تطبيقات مثل الروبوتات والطائرات بدون طيار والأجهزة الطبية والمعدات الصناعية الدقيقة.
يولد محرك DC المصقول البسيط عزمًا عن طريق التبديل الميكانيكي لاتجاه التيار بالتنسيق مع الدوران باستخدام المبدل والفرش. تشمل أوجه القصور في محركات التيار المستمر المصقولة الحاجة إلى الصيانة بسبب تآكل الفرشاة وتوليد ضوضاء كهربائية وميكانيكية. يمكن استخدام محرك تعديل عرض النبضة (PWM) للتحكم في سرعة الدوران ، ولكن التحكم الدقيق والكفاءة العالية صعبان بسبب الطبيعة الميكانيكية المتأصلة لمحركات التيار المستمر المصقولة.
يقوم BLDC بإزالة مبدل التيار وفرش محركات التيار المستمر المصقولة، واعتمادًا على كيفية لف الأعضاء الثابتة، يمكن أيضًا أن يكون PMSM. يتم لف ملفات الجزء الثابت بشكل شبه منحرف في محرك BLDC، وتكون القوة الدافعة الكهربائية الخلفية (EMF) المنتجة على شكل موجة شبه منحرف، في حين يتم لف الجزء الثابت من PMSM بشكل جيبي وينتج EMF جيبي خلفي (Ebemf).
يعتبر عزم الدوران في محركات BLDC و PMSM دالة على EMF الحالي والعكسي. يتم تشغيل محركات BLDC بتيار موجة مربعة بينما يتم تشغيل محركات PMSM بتيار جيبي.
ميزات محرك BLDC:
- أسهل في التحكم باستخدام تيارات التيار المستمر ذات الموجة الست المربعة
- ينتج تموج عزم دوران كبير
- هي تكلفة وأداء أقل من PMSMs
- يمكن تنفيذه باستخدام مستشعرات تأثير هول أو بتحكم بدون أجهزة استشعار
ميزات PMSM:
- استخدام تحكم أكثر تعقيدًا ثلاث مراحل PWM الجيبية
- لا تموج عزم الدوران
- كفاءة وعزم دوران وتكلفة أعلى من BLDC
- يمكن تنفيذه باستخدام جهاز تشفير العمود أو التحكم بدون أجهزة استشعار
ما هي مكافحة ناقلات الأمراض؟
التحكم في القوة الموجهة هو طريقة للتحكم في محرك التردد المتغير حيث يتم تحديد تيارات الجزء الثابت لمحرك كهربائي ثلاثي الطور كمكونين متعامدين يمكن تصورهما باستخدام ناقل. أحد المكونات يحدد التدفق المغناطيسي للمحرك ، والآخر يحدد عزم الدوران. يوجد في صميم خوارزمية التحكم في المتجهات تحولين رياضيين: يعدل تحويل Clarke نظامًا ثلاثي الطور إلى نظام ثنائي الإحداثيات ، بينما يحول تحويل Park متجهات النظام الثابتة ثنائية الطور إلى متجهات النظام الدوارة وعكسها.
يؤدي استخدام تحويلات كلارك وبارك إلى جلب تيارات الجزء الثابت التي يمكن التحكم فيها في مجال الدوار. يسمح القيام بذلك لنظام التحكم في المحرك بتحديد الفولتية التي يجب توفيرها للجزء الثابت لزيادة عزم الدوران إلى أقصى حد تحت الأحمال المتغيرة ديناميكيًا.
تتطلب السرعة العالية الأداء و / أو التحكم في الموضع معرفة دقيقة في الوقت الفعلي لموضع عمود الدوار وسرعته من أجل مزامنة نبضات إثارة المرحلة مع موضع الدوار. يتم توفير هذه المعلومات بشكل نموذجي بواسطة أجهزة استشعار مثل أجهزة التشفير المطلقة والمحللات المغناطيسية المرفقة بعمود المحرك. هذه المستشعرات لها عيوب عديدة في النظام: موثوقية أقل ، وقابلية للضوضاء ، وزيادة التكلفة والوزن ، وزيادة التعقيد. يلغي التحكم في ناقل الحركة غير المستشعر الحاجة إلى مستشعرات السرعة / الموضع.
تتيح المعالجات الدقيقة عالية الأداء ومعالجات الإشارات الرقمية (DSPs) تجسيد نظرية التحكم الحديثة والفعالة في نمذجة النظام المتقدمة ، مما يضمن الكفاءة المثلى للطاقة والتحكم لأي نظام محرك في الوقت الفعلي. من المتوقع أنه نتيجة لزيادة القدرة الحسابية وانخفاض تكاليف المعالجات الدقيقة و DSPs ، فإن التحكم غير المستشعر سيحل تقريبًا على مستوى العالم من التحكم في المتجه المستشعر ، بالإضافة إلى بسيطة ولكن منخفضة الأداء أحادي المتغير فولت لكل هرتز (V / f ) يتحكم.
قيادة محركات PMSM و BLDC ثلاثية المراحل للروبوتات الصناعية والاستهلاكية
للتغلب على تعقيد مكافحة ناقلات الأمراض، يمكن للمصممين استخدام لوحات التقييم الجاهزة. على سبيل المثال، DRV8301-69M-KIT من شركة Texas Instruments عبارة عن وحدة تقييم اللوحة الأم المستندة إلى DIMM100 controlCARD والتي يمكن للمصممين استخدامها لتطوير حلول محرك المحرك PMSM/BLDC ثلاثية الطور (الشكل 4). يتضمن برنامج تشغيل البوابة ثلاثي الطور DRV8301 مع مضخمات تحويل التيار المزدوج وباك منظمولوحة التحكم الدقيقة Piccolo TMS320F28069M (MCU) التي تدعم InstaSPIN.
DRV8301-69M-KIT عبارة عن InstaSPIN-FOC وInstaSPIN-MOTION Texas Instruments التكنلوجيامجموعة تقييم التحكم في المحركات المستندة إلى محركات PMSM وBLDC ثلاثية الطور. مع InstaSPIN، تتيح DRV8301-69M-KIT للمطورين التعرف بسرعة على محرك ثلاثي الطور وضبطه تلقائيًا والتحكم فيه، مما يوفر نظام تحكم مستقر وعملي في المحرك "على الفور".
جنبًا إلى جنب مع تقنية InstaSPIN ، توفر DRV8301-69M-KIT منصة FOC عالية الأداء وموفرة للطاقة وفعالة من حيث التكلفة بدون مستشعرات أو مستشعرات ترميز تعمل على تسريع عملية التطوير لتسريع وقت التسويق تشمل التطبيقات محركات متزامنة 60 فولت و 40 أمبير (A) لمضخات القيادة والبوابات والمصاعد والمراوح ، بالإضافة إلى الروبوتات الصناعية والاستهلاكية والأتمتة.
ميزات الأجهزة DRV8301-69M-KIT:
- لوح أساسي عاكس ثلاثي الأطوار مع واجهة لقبول بطاقات التحكم DIMM100
- وحدة طاقة متكاملة ذات عاكس ثلاثي الأطوار DRV8301 (مع محول باك بقدرة 1.5 أمبير) تدعم اللوحة الأساسية ما يصل إلى 60 فولت و 40 أمبير مستمر
- بطاقات TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC و InstaSPIN-MOTION
- القدرة على العمل مع TMDXCNCD28054MISO المدعوم من MotorWare (يُباع بشكل منفصل) و TMDSCNCD28027F + المحاكي الخارجي (يُباع بشكل منفصل)
محركات محركات PMSM و BLDC عالية الأداء وعالية الكفاءة
تعد EVAL-IMM101T من Infineon Technologies مجموعة بدء تشغيل كاملة الميزات تتضمن IMM101T Smart IPM (وحدة طاقة متكاملة) توفر نظامًا متكاملًا وسليمًا وعاليًا.الجهد االكهربى حل محرك المحرك الذي يمكن للمصممين استخدامه مع محركات PMSM / BLDC عالية الأداء وعالية الكفاءة (الشكل 5). يتضمن EVAL-IMM101T أيضًا الدوائر الضرورية الأخرى المطلوبة للتقييم "خارج الصندوق" لـ IMM101T Smart IPMs ، مثل المقوم ومرحلة مرشح EMI ، بالإضافة إلى قسم مصحح الأخطاء المعزول مع اتصال USB بجهاز كمبيوتر.
تم تطوير EVAL-IMM101T لدعم المصممين خلال خطواتهم الأولى في تطوير التطبيقات باستخدام IMM101T Smart IPM. تم تجهيز لوحة EVAL بجميع مجموعات التجميع من أجل FOC بدون مستشعر. يحتوي على موصل تيار متردد أحادي الطور ، ومرشح EMI ، ومقوم ومخرج ثلاثي الطور لتوصيل المحرك. تحتوي مرحلة الطاقة أيضًا على تحويل مصدر لاستشعار التيار ومقسم جهد لقياس جهد وصلة التيار المستمر.
يوفر IMM101T من Infineon خيارات تكوين تحكم مختلفة لأنظمة محرك PMSM / BLDC في حزمة تثبيت سطحية مدمجة مقاس 12 × 12 مم (مم) ، مما يقلل من عدد المكونات الخارجية ومنطقة لوحة الدوائر المطبوعة (لوحة الكمبيوتر). تم تحسين الحزمة حرارياً بحيث يمكنها الأداء بشكل جيد مع أو بدون غرفة التبريد. تتميز الحزمة بمسافة زحف 1.3 مم بين وسادات الجهد العالي أسفل العبوة لتسهيل تركيب السطح وزيادة متانة النظام.
تدمج سلسلة IMM100 إما 500 فولت من FredFET أو 650 فولت CoolMOS MOSFET. حسب القوة الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة المستخدمة في الحزمة ، تغطي سلسلة IMM100 التطبيقات بقدرة خرج مصنفة من 25 واط (واط) إلى 80 واط بجهد تيار مستمر بحد أقصى 500 فولت / 600 فولت. في إصدارات 600 فولت ، تم تصنيف تقنية Power MOS عند 650 فولت ، بينما تم تصنيف محرك البوابة عند 600 فولت ، وهو ما يحدد الحد الأقصى المسموح به من جهد التيار المستمر للنظام.
نظام تقييم للتحكم في المحرك بجهد 24 فولت
يمكن لمصممي محركات 24 فولت PMSM / BLDC التحول إلى نظام تقييم التحكم في المحرك RTK0EM0006S01212BJ من Renesas لوحدات التحكم الدقيقة RX23T (الشكل 6). أجهزة RX23T عبارة عن وحدات تحكم دقيقة 32 بت مناسبة للتحكم في العاكس الفردي مع وحدة فاصلة عائمة مدمجة (FPU) تتيح استخدامها لمعالجة خوارزميات التحكم في العاكس المعقدة. هذا يساعد بشكل كبير على تقليل ساعات العمل المطلوبة لتطوير البرمجيات وصيانتها.
بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للنواة، يبلغ التيار المستهلك في وضع الاستعداد للبرنامج (مع الاحتفاظ بذاكرة الوصول العشوائي) 0.45 ميكرو أمبير (μA) فقط. تعمل وحدات التحكم الدقيقة RX23T في نطاق 2.7 إلى 5.5 فولت، وهي متوافقة بشكل كبير مع خط RX62T على مستوى ترتيب الدبوس والبرمجيات. تتضمن المجموعة:
- لوحة انفرتر بجهد 24 فولت
- وظيفة التحكم PMSM
- وظيفة الكشف عن التيار ثلاثي التحويلة
- وظيفة حماية التيار الزائد
- بطاقة وحدة المعالجة المركزية للميكروكونترولر RX23T
- كبل USB mini B
- PMSM
وفي الختام
يمكن استخدام BLDC و PMSM لتقديم حلول دقيقة للتحكم في الحركة تكون مدمجة وذات كفاءة عالية. يضيف استخدام التحكم في ناقل الحركة بدون مستشعر مع محركات BLDC و PMS ميزة التخلص من أجهزة المستشعر ، وبالتالي تقليل التكاليف وتحسين الموثوقية. ومع ذلك ، يمكن أن يكون التحكم في النواقل بدون أجهزة استشعار في هذه التطبيقات عملية معقدة وتستغرق وقتًا طويلاً.
كما هو مبين ، يمكن للمصممين اللجوء إلى منصات التطوير ولوحات التقييم التي تأتي مع برامج التحكم في ناقل الحركة بدون أجهزة استشعار. بالإضافة إلى ذلك ، تشتمل بيئات التطوير هذه على جميع أجهزة التحكم في المحرك وأجهزة إدارة الطاقة المدمجة في نظام كامل ، مما يؤدي إلى تسريع وقت الوصول إلى السوق.