Der Bedarf an präziser Bewegungssteuerung wächst in Anwendungen wie Robotik, Drohnen, medizinischen Geräten und industriellen Systemen. Bürstenlos Gleichstrommotoren (BLDCs) und wechselstrombetriebene Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMs) können die erforderliche Präzision liefern und gleichzeitig den Bedarf an hoher Effizienz in einem kompakten Formfaktor erfüllen. Im Gegensatz zu bürstenbehafteten Gleichstrommotoren und Wechselstrom-Induktionsmotoren, die einfach anzuschließen und zu betreiben sind, sind BLDCs und PMSMs jedoch viel komplexer.
Beispielsweise bieten Techniken wie die sensorlose Vektorsteuerung (auch als feldorientierte Steuerung oder FOC bezeichnet) insbesondere eine ausgezeichnete Effizienz zusammen mit dem Vorteil der Eliminierung der Sensor Hardware, wodurch Kosten gesenkt und die Zuverlässigkeit verbessert werden. Das Problem für Designer besteht darin, dass die Implementierung der sensorlosen Vektorsteuerung kompliziert ist, sodass ihre Verwendung die Entwicklungszeiten verlängern, Kosten hinzufügen und möglicherweise Time-to-Market-Fenster verpassen kann.
Um dieses Dilemma zu lösen, können sich Entwickler an Entwicklungsplattformen und Evaluierungsplatinen wenden, in denen bereits die sensorlose Vektorsteuerungssoftware integriert ist, sodass sie sich auf Probleme beim Systemdesign konzentrieren können und sich nicht in den Nuancen der Codierung der Steuerungssoftware festsetzen müssen. Darüber hinaus umfassen diese Entwicklungsumgebungen die gesamte Motorsteuerung und Energieverwaltungshardware, die in ein komplettes System integriert sind, wodurch die Markteinführungszeit verkürzt wird.
In diesem Artikel werden einige der Anforderungen an die präzise Bewegungssteuerung kurz beschrieben und die Unterschiede zwischen gebürstetem Gleichstrom, Wechselstrominduktion, BLDC und PMSM erläutert. Anschließend werden die Grundlagen der Vektorsteuerung zusammengefasst, bevor mehrere Plattformen und Evaluierungskarten von Texas Instruments, Infineon Technologies und Renesas Electronics vorgestellt werden. Außerdem werden Konstruktionsanleitungen vorgestellt, die die Entwicklung präziser Bewegungssteuerungssysteme erleichtern.
Beispiele für Präzisionsanwendungen zur Bewegungssteuerung
Drohnen sind komplexe Bewegungssteuerungssysteme und nutzen typischerweise vier oder mehr Motoren. Damit eine Drohne schweben, steigen oder sinken kann, ist eine präzise und koordinierte Bewegungssteuerung erforderlich.
Abbildung 1: Drohnen verwenden typischerweise vier oder mehr Motoren, typischerweise BLDCs oder PMSMs, die sich mit 12,000 Umdrehungen pro Minute (RPM) oder mehr drehen, und werden von einem elektronischen Geschwindigkeitsregler (ESC) angetrieben. Dieses Beispiel zeigt einen ESC Modulen in einer Drohne mit einem bürstenlosen Motor mit sensorloser Steuerung. (Bildquelle: Texas Instruments)
Um zu schweben, muss der Nettoschub der Rotoren, die die Drohne nach oben drücken, ausgeglichen sein und genau der Gravitationskraft entsprechen, die sie nach unten zieht. Durch gleichmäßiges Erhöhen des Schubes (der Geschwindigkeit) der Rotoren kann die Drohne gerade nach oben klettern. Umgekehrt führt das Verringern des Rotorschubs dazu, dass die Drohne abfällt. Zusätzlich gibt es Gieren (Drehen der Drohne), Pitch (Fliegen der Drohne vorwärts oder rückwärts) und Rollen (Fliegen der Drohne nach links oder rechts).
Präzise und sich wiederholende Bewegungen sind eines der Merkmale vieler Robotikanwendungen. Ein stationärer mehrachsiger Industrieroboter muss unterschiedliche Kraftmengen in drei Dimensionen abgeben, um Objekte mit unterschiedlichem Gewicht zu bewegen (Abbildung 2). Motoren im Inneren des Roboters liefern variable Drehzahl und Drehmoment (Drehkraft) an präzisen Punkten, mit denen die Steuerung des Roboters die Bewegung entlang verschiedener Achsen für eine genaue Drehzahl und Positionierung koordiniert.
Bei mobilen Robotern mit Rädern kann ein präzises Differentialantriebssystem verwendet werden, um sowohl die Geschwindigkeit als auch die Bewegungsrichtung zu steuern. Zwei Motoren sorgen zusammen mit einem oder zwei Lenkrädern für Bewegung, um die Last auszugleichen. Die beiden Motoren werden mit unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben, um eine Drehung und Richtungsänderungen zu erreichen, während die gleiche Drehzahl für beide Motoren zu einer geraden Bewegung führt, entweder vorwärts oder rückwärts. Während die Motorsteuerungen im Vergleich zu einem herkömmlichen Lenksystem komplexer sind, ist dieser Ansatz präziser, mechanisch einfacher und daher zuverlässiger.
Motorauswahl
Grundlegende Gleichstrommotoren und Wechselstrom-Induktionsmotoren sind relativ kostengünstig und einfach anzutreiben. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Staubsaugern bis hin zu Industriemaschinen, Kränen und Aufzügen. Obwohl sie kostengünstig und einfach zu fahren sind, können sie nicht den Präzisionsbetrieb bieten, der für Anwendungen wie Robotik, Drohnen, medizinische Geräte und industrielle Präzisionsgeräte erforderlich ist.
Ein einfacher bürstenbehafteter Gleichstrommotor erzeugt ein Drehmoment durch mechanisches Umschalten der Stromrichtung in Abstimmung mit der Drehung unter Verwendung eines Kommutators und von Bürsten. Zu den Mängeln gebürsteter Gleichstrommotoren gehören die Notwendigkeit einer Wartung aufgrund des Verschleißes der Bürsten und die Erzeugung elektrischer und mechanischer Geräusche. Ein PWM-Antrieb (Pulsweitenmodulation) kann zur Steuerung der Drehzahl verwendet werden. Eine präzise Steuerung und ein hoher Wirkungsgrad sind jedoch aufgrund der inhärenten mechanischen Natur gebürsteter Gleichstrommotoren schwierig.
Ein BLDC eliminiert den Kommutator und die Bürsten bürstenbehafteter Gleichstrommotoren und kann je nach Wicklung der Statoren auch ein PMSM sein. Die Statorspulen sind in einem BLDC-Motor trapezförmig gewickelt, und die erzeugte Gegen-EMK (EMF) hat eine trapezförmige Wellenform, während PMSM-Statoren sinusförmig gewickelt sind und eine sinusförmige Gegen-EMK (Ebemf) erzeugen.
Das Drehmoment in BLDC- und PMSM-Motoren ist eine Funktion der Strom- und Gegen-EMK. BLDC-Motoren werden mit Rechteckstrom angetrieben, während PMSM-Motoren mit Sinusstrom angetrieben werden.
Merkmale des BLDC-Motors:
- Einfachere Steuerung mit sechsstufigen Rechteck-Gleichströmen
- Erzeugt eine signifikante Drehmomentwelligkeit
- Sind kostengünstiger und leistungsfähiger als PMSMs
- Kann mit Hall-Effekt-Sensoren oder mit sensorloser Steuerung implementiert werden
PMSM-Funktionen:
- Komplexere Steuerung mit Drei Phasen sinusförmige PWM
- Keine Drehmomentwelligkeit
- Höherer Wirkungsgrad, Drehmoment und Kosten als BLDC
- Kann mit Wellencodierer oder mit sensorloser Steuerung implementiert werden
Was ist Vektorkontrolle?
Die Vektorsteuerung ist ein Verfahren zur Steuerung des Motorantriebs mit variabler Frequenz, bei dem die Statorströme eines dreiphasigen Elektromotors als zwei orthogonale Komponenten identifiziert werden, die mit einem Vektor sichtbar gemacht werden können. Eine Komponente definiert den Magnetfluss des Motors, die andere das Drehmoment. Das Kernstück des Vektorsteuerungsalgorithmus sind zwei mathematische Transformationen: Die Clarke-Transformation modifiziert ein Dreiphasensystem in ein Zweikoordinatensystem, während die Park-Transformation zweiphasige stationäre Systemvektoren in rotierende Systemvektoren und deren Inverse umwandelt.
Die Verwendung der Clarke- und Park-Transformationen bringt die Statorströme, die gesteuert werden können, in die Rotordomäne. Auf diese Weise kann ein Motorsteuerungssystem die Spannungen bestimmen, die dem Stator zugeführt werden sollen, um das Drehmoment bei sich dynamisch ändernden Lasten zu maximieren.
Eine Hochleistungsdrehzahl- und / oder Positionssteuerung erfordert eine Echtzeit- und genaue Kenntnis der Position und Geschwindigkeit der Rotorwelle, um die Phasenanregungsimpulse mit der Rotorposition zu synchronisieren. Diese Informationen wurden typischerweise von Sensoren wie Absolutwertgebern und Magnetauflösern geliefert, die an der Welle des Motors angebracht sind. Diese Sensoren weisen mehrere Systemnachteile auf: geringere Zuverlässigkeit, Störanfälligkeit, höhere Kosten und Gewicht sowie höhere Komplexität. Die sensorlose Vektorsteuerung macht Geschwindigkeits- / Positionssensoren überflüssig.
Hochleistungs-Mikroprozessoren und digitale Signalprozessoren (DSPs) ermöglichen die Integration einer modernen und effizienten Steuerungstheorie in die fortschrittliche Systemmodellierung und gewährleisten so eine optimale Leistung und Steuerungseffizienz für jedes Echtzeit-Motorsystem. Es wird erwartet, dass aufgrund der zunehmenden Rechenleistung und der sinkenden Kosten von Mikroprozessoren und DSPs die sensorlose Steuerung die Sensorvektorsteuerung sowie die einfache, aber leistungsschwache, einfach variable skalare Volt pro Hertz (V / f) nahezu universell verdrängt ) Steuerung.
Antrieb von dreiphasigen PMSM- und BLDC-Motoren für Industrie- und Verbraucherrobotik
Um die Komplexität der Vektorsteuerung zu umgehen, können Entwickler vorgefertigte Evaluierungsboards verwenden. Beispielsweise ist das DRV8301-69M-KIT von Texas Instruments ein DIMM100-ControlCARD-basiertes Motherboard-Evaluierungsmodul, mit dem Entwickler dreiphasige PMSM/BLDC-Motorantriebslösungen entwickeln können (Abbildung 4). Es umfasst den dreiphasigen Gate-Treiber DRV8301 mit Dual-Strom-Shunt-Verstärkern und einem Abwärtswandler Reglerund ein InstaSPIN-fähiges Piccolo TMS320F28069M Mikrocontroller-Board (MCU).
Das DRV8301-69M-KIT ist ein InstaSPIN-FOC und InstaSPIN-MOTION von Texas Instruments Technologie-basiertes Motorsteuerungs-Evaluierungskit für drehende dreiphasige PMSM- und BLDC-Motoren. Mit InstaSPIN ermöglicht das DRV8301-69M-KIT Entwicklern die schnelle Identifizierung, automatische Abstimmung und Steuerung eines Dreiphasenmotors und sorgt so für ein „sofort“ stabiles und funktionsfähiges Motorsteuerungssystem.
Zusammen mit der InstaSPIN-Technologie bietet das DRV8301-69M-KIT eine leistungsstarke, energieeffiziente, kostengünstige sensorlose oder Encoder-Sensor-fähige FOC-Plattform, die die Entwicklung für eine schnellere Markteinführung beschleunigt. Zu den Anwendungen gehören Synchronmotoren mit einer Spannung von unter 60 Volt und 40 Ampere (A) zum Antrieb von Pumpen, Toren, Aufzügen und Lüftern sowie Industrie- und Verbraucherrobotik und -automatisierung.
Die Hardwarefunktionen des DRV8301-69M-KIT:
- Ein dreiphasiges Wechselrichter-Baseboard mit Schnittstelle zur Aufnahme von DIMM100-Steuerkarten
- Eine integrierte Leistungsplatine des dreiphasigen Wechselrichters DRV8301 (mit integriertem 1.5-A-Abwärtswandler), die bis zu 60 Volt und 40 A Dauerstrom unterstützt
- Die TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC- und InstaSPIN-MOTION-Karten
- Die Fähigkeit, mit MotorWare zu arbeiten, unterstützt TMDXCNCD28054MISO (separat erhältlich) und TMDSCNCD28027F + External Emulator (separat erhältlich).
Hochleistungsfähige, hocheffiziente PMSM- und BLDC-Motorantriebe
Der EVAL-IMM101T von Infineon Technologies ist ein voll ausgestattetes Starter-Kit, das ein IMM101T Smart IPM (integriertes Leistungsmodul) enthält, das ein vollständig integriertes, schlüsselfertiges High-Power-Modul bietet.Spannung Motorantriebslösung, die Konstrukteure mit leistungsstarken und hocheffizienten PMSM / BLDC-Motoren verwenden können (Abbildung 5). Der EVAL-IMM101T enthält auch andere erforderliche Schaltkreise, die für die sofort einsatzbereite Auswertung von IMM101T-Smart-IPMs erforderlich sind, z. B. einen Gleichrichter und eine EMI-Filterstufe sowie einen isolierten Debugger-Bereich mit USB-Verbindung zu einem PC.
Der EVAL-IMM101T wurde entwickelt, um Designer bei ihren ersten Schritten bei der Entwicklung von Anwendungen mit einem IMM101T Smart IPM zu unterstützen. Die Auswertungskarte ist mit allen Baugruppen für sensorlosen LWL ausgestattet. Es enthält einen einphasigen Wechselstromstecker, ein EMI-Filter, einen Gleichrichter und einen dreiphasigen Ausgang zum Anschließen des Motors. Die Leistungsstufe enthält auch einen Source-Shunt zur Stromerfassung und einen Spannungsteiler zur Messung der Zwischenkreisspannung.
Das IMM101T von Infineon bietet verschiedene Steuerungskonfigurationsoptionen für PMSM / BLDC-Antriebssysteme in einem kompakten 12 x 12 Millimeter (mm) Aufputzpaket, wodurch die Anzahl der externen Komponenten und der Leiterplattenbereich minimiert werden. Das Gehäuse ist thermisch so verbessert, dass es mit oder ohne Kühlkörper gut funktioniert. Das Gehäuse verfügt über einen Kriechabstand von 1.3 mm zwischen den Hochspannungskissen unter dem Gehäuse, um die Oberflächenmontage zu vereinfachen und die Robustheit des Systems zu erhöhen.
Die IMM100-Serie integriert entweder einen 500-Volt-FredFET oder einen 650-Volt-CoolMOS MOSFET. Abhängig von der Leistung Mosfets Die im Paket verwendete IMM100-Serie deckt Anwendungen mit einer Nennausgangsleistung von 25 Watt (W) bis 80 W bei einer maximalen Gleichspannung von 500 Volt / 600 Volt ab. In den 600-Volt-Versionen ist die Power MOS-Technologie für 650 Volt ausgelegt, während der Gate-Treiber für 600 Volt ausgelegt ist, wodurch die maximal zulässige Gleichspannung des Systems bestimmt wird.
24-Volt-Motorsteuerungssystem
Entwickler von 24-Volt-PMSM / BLDC-Motorantrieben können sich für die RX0T-Mikrocontroller an das Bewertungssystem RTK0006EM01212S23BJ von Renesas wenden (Abbildung 6). Die RX23T-Geräte sind 32-Bit-Mikrocontroller, die für die Steuerung einzelner Wechselrichter mit einer integrierten Gleitkommaeinheit (FPU) geeignet sind, mit der sie komplexe Steuerungsalgorithmen für Wechselrichter verarbeiten können. Dies trägt dazu bei, die für die Softwareentwicklung und -wartung erforderlichen Arbeitsstunden erheblich zu reduzieren.
Darüber hinaus beträgt der Stromverbrauch im Software-Standby-Modus (mit RAM-Erhaltung) kernbedingt nur 0.45 Mikroampere (μA). RX23T-Mikrocontroller arbeiten im Bereich von 2.7 bis 5.5 Volt und sind hinsichtlich Pinanordnung und Softwareebene hochkompatibel mit der RX62T-Reihe. Das Kit enthält:
- 24 Volt Wechselrichterplatine
- PMSM-Steuerfunktion
- Drei-Shunt-Stromerkennungsfunktion
- Überstromschutzfunktion
- CPU-Karte für RX23T-Mikrocontroller
- USB Mini B Kabel
- PMSM
Fazit
BLDC und PMSMs können verwendet werden, um präzise Bewegungssteuerungslösungen bereitzustellen, die kompakt und hocheffizient sind. Die Verwendung einer sensorlosen Vektorsteuerung mit BLDC- und PMS-Motoren bietet den Vorteil, dass die Sensorhardware entfällt, wodurch die Kosten gesenkt und die Zuverlässigkeit verbessert werden. Die sensorlose Vektorsteuerung in diesen Anwendungen kann jedoch ein komplexer und zeitaufwändiger Prozess sein.
Wie gezeigt, können sich Entwickler an Entwicklungsplattformen und Evaluierungskarten wenden, die mit einer sensorlosen Vektorsteuerungssoftware geliefert werden. Darüber hinaus umfassen diese Entwicklungsumgebungen die gesamte Motorsteuerung und Energieverwaltungshardware, die in ein komplettes System integriert sind, wodurch die Markteinführungszeit verkürzt wird.