Kebutuhan akan kontrol gerak yang presisi berkembang di seluruh aplikasi seperti robotika, drone, perangkat medis, dan sistem industri. Tanpa sikat Motor DC (BLDC) dan motor sinkron magnet permanen (PMSM) yang digerakkan AC dapat memberikan presisi yang diperlukan, sekaligus memenuhi kebutuhan akan efisiensi tinggi dalam faktor bentuk yang ringkas. Namun, tidak seperti motor DC sikat dan motor induksi AC, yang mudah dihubungkan dan dijalankan, BLDC dan PMSM jauh lebih kompleks.
Misalnya, teknik seperti kontrol vektor tanpa sensor (juga disebut kontrol berorientasi lapangan, atau FOC), secara khusus, menawarkan efisiensi yang sangat baik bersama dengan keuntungan menghilangkan Sensor perangkat keras, sehingga mengurangi biaya dan meningkatkan keandalan. Masalah bagi desainer adalah bahwa kontrol vektor tanpa sensor rumit untuk diterapkan, sehingga penggunaannya dapat memperpanjang waktu pengembangan, menambah biaya, dan mungkin kehilangan jendela waktu ke pasar.
Untuk mengatasi dilema ini, desainer dapat beralih ke platform pengembangan dan papan evaluasi yang sudah memiliki perangkat lunak kontrol vektor tanpa sensor, memungkinkan mereka untuk fokus pada masalah desain sistem dan tidak terjebak dalam nuansa pengkodean perangkat lunak kontrol. Selain itu, lingkungan pengembangan ini mencakup semua pengontrol motor dan perangkat keras manajemen daya yang terintegrasi ke dalam sistem lengkap, mempercepat waktu ke pasar.
Artikel ini menjelaskan secara singkat beberapa kebutuhan untuk kontrol gerakan presisi dan mengulas perbedaan antara brushed DC, induksi AC, BLDC, dan PMSM. Kemudian merangkum dasar-dasar kontrol vektor sebelum memperkenalkan beberapa platform dan papan evaluasi dari Texas Instruments, Infineon Technologies dan Renesas Electronics, bersama dengan panduan desain yang memfasilitasi pengembangan sistem kontrol gerak presisi.
Contoh aplikasi kontrol gerak presisi
Drone adalah sistem kontrol gerak yang kompleks dan biasanya menggunakan empat motor atau lebih. Kontrol gerak yang tepat dan terkoordinasi diperlukan agar drone dapat melayang, memanjat, atau turun.
Gambar 1: Drone biasanya menggunakan empat motor atau lebih, biasanya BLDC atau PMSM, berputar pada 12,000 putaran per menit (RPM) atau lebih tinggi, dan digerakkan oleh pengontrol kecepatan elektronik (ESC). Contoh ini menunjukkan ESC modul pada drone menggunakan motor brushless dengan kontrol sensorless. (Sumber gambar: Texas Instruments)
Untuk melayang, dorongan bersih dari rotor yang mendorong drone ke atas harus seimbang dan persis sama dengan gaya gravitasi yang menariknya ke bawah. Dengan meningkatkan daya dorong (kecepatan) rotor secara seimbang, drone bisa naik ke atas. Sebaliknya, penurunan daya dorong rotor menyebabkan drone turun. Selain itu, ada yaw (memutar drone), pitch (menerbangkan drone maju atau mundur) dan roll (menerbangkan drone ke kiri atau kanan).
Gerakan yang tepat dan berulang adalah salah satu fitur dari banyak aplikasi robotika. Robot industri multi-sumbu stasioner harus memberikan jumlah gaya yang berbeda dalam tiga dimensi untuk memindahkan objek dengan bobot yang bervariasi (Gambar 2). Motor di dalam robot menyediakan kecepatan dan torsi variabel (gaya rotasi) pada titik-titik yang tepat, yang digunakan pengontrol robot untuk mengoordinasikan gerakan di sepanjang sumbu yang berbeda untuk kecepatan dan pemosisian yang tepat.
Dalam kasus robot bergerak beroda, sistem penggerak diferensial yang tepat dapat digunakan untuk mengontrol kecepatan dan arah gerakan. Dua motor digunakan untuk memberikan gerakan bersama dengan satu atau dua roda kastor untuk menyeimbangkan beban. Kedua motor digerakkan pada kecepatan yang berbeda untuk mencapai putaran dan perubahan arah, sedangkan kecepatan yang sama untuk kedua motor menghasilkan gerakan garis lurus, baik maju maupun mundur. Meskipun pengontrol motor lebih kompleks jika dibandingkan dengan sistem kemudi konvensional, pendekatan ini lebih presisi, lebih sederhana secara mekanis, dan oleh karena itu lebih dapat diandalkan.
Pilihan motor
Motor DC dasar dan motor induksi AC relatif murah dan mudah dikendarai. Mereka banyak digunakan dalam beragam aplikasi mulai dari penyedot debu hingga mesin industri, derek, dan lift. Namun, meskipun murah dan mudah dikendarai, mereka tidak dapat memberikan operasi presisi yang dibutuhkan oleh aplikasi seperti robotika, drone, perangkat medis, dan peralatan industri presisi.
Motor DC sikat sederhana menghasilkan torsi dengan secara mekanis mengalihkan arah arus dalam koordinasi dengan rotasi menggunakan komutator dan sikat. Kekurangan motor DC yang disikat mencakup kebutuhan akan perawatan karena keausan sikat dan timbulnya gangguan listrik dan mekanis. Penggerak pulse-width-modulation (PWM) dapat digunakan untuk mengontrol kecepatan rotasi, tetapi kontrol presisi dan efisiensi tinggi sulit dilakukan karena sifat mekanis yang melekat pada motor DC yang disikat.
BLDC menghilangkan komutator dan sikat motor DC yang disikat, dan bergantung pada bagaimana stator dililitkan, ini juga bisa menjadi PMSM. Kumparan stator dililitkan secara trapesium pada motor BLDC, dan gaya gerak listrik balik (EMF) yang dihasilkan berbentuk gelombang trapesium, sedangkan stator PMSM dililit secara sinusoidal dan menghasilkan EMF balik sinusoidal (Ebemf).
Torsi pada motor BLDC dan PMSM merupakan fungsi dari EMF arus dan balik. Motor BLDC digerakkan dengan arus gelombang persegi sedangkan motor PMSM digerakkan dengan arus sinusoidal.
Fitur motor BLDC:
- Lebih mudah dikendalikan dengan arus DC gelombang persegi enam langkah
- Menghasilkan riak torsi yang signifikan
- Apakah biaya dan kinerja lebih rendah daripada PMSM
- Dapat diimplementasikan dengan sensor efek Hall atau dengan kontrol tanpa sensor
Fitur PMSM:
- Kontrol yang lebih kompleks menggunakan Tiga fase PWM sinusoidal
- Tidak ada riak torsi
- Efisiensi, torsi, dan biaya lebih tinggi daripada BLDC
- Dapat diimplementasikan dengan shaft encoder atau dengan kontrol tanpa sensor
Apa itu pengendalian vektor?
Kontrol vektor adalah metode kontrol penggerak motor frekuensi variabel di mana arus stator dari motor listrik tiga fase diidentifikasi sebagai dua komponen ortogonal yang dapat divisualisasikan dengan vektor. Satu komponen menentukan fluks magnet motor, yang lainnya adalah torsi. Inti dari algoritme kontrol vektor adalah dua transformasi matematis: transformasi Clarke mengubah sistem tiga fase menjadi sistem dua koordinat, sedangkan transformasi Park mengubah vektor sistem stasioner dua fase menjadi vektor sistem berputar dan kebalikannya.
Penggunaan transformasi Clarke dan Park membawa arus stator yang dapat dikontrol ke domain rotor. Melakukan hal ini memungkinkan sistem kontrol motor untuk menentukan tegangan yang harus disuplai ke stator untuk memaksimalkan torsi di bawah beban yang berubah secara dinamis.
Kontrol kecepatan dan / atau posisi berperforma tinggi memerlukan pengetahuan waktu nyata dan tepat tentang posisi dan kecepatan poros rotor untuk menyinkronkan pulsa eksitasi fase ke posisi rotor. Informasi ini biasanya dipasok oleh sensor seperti encoder absolut dan resolver magnetik yang dipasang pada poros motor. Sensor ini memiliki beberapa kelemahan sistem: keandalan yang lebih rendah, kerentanan terhadap kebisingan, lebih banyak biaya dan bobot, dan kompleksitas yang lebih tinggi. Kontrol vektor tanpa sensor menghilangkan kebutuhan akan sensor kecepatan / posisi.
Mikroprosesor kinerja tinggi dan prosesor sinyal digital (DSP) memungkinkan teori kontrol modern dan efisien untuk diterapkan dalam pemodelan sistem tingkat lanjut, memastikan daya yang optimal dan efisiensi kontrol untuk sistem motor real-time. Diharapkan bahwa sebagai hasil dari peningkatan daya komputasi dan penurunan biaya mikroprosesor dan DSP, kontrol tanpa sensor hampir secara universal akan menggantikan kontrol vektor bersensor, serta kinerja skalar variabel tunggal volt-per-hertz (V / f) yang sederhana namun lebih rendah. ) kontrol.
Mengemudi motor PMSM dan BLDC tiga fase untuk robotika industri dan konsumen
Untuk mengatasi kerumitan pengendalian vektor, desainer dapat menggunakan papan evaluasi yang sudah jadi. Misalnya, DRV8301-69M-KIT dari Texas Instruments adalah modul evaluasi motherboard berbasis DIMM100 controlCARD yang dapat digunakan oleh desainer untuk mengembangkan solusi penggerak motor PMSM/BLDC tiga fase (Gambar 4). Ini termasuk driver gerbang tiga fase DRV8301 dengan amplifier shunt arus ganda dan uang pengatur, dan papan mikrokontroler (MCU) Piccolo TMS320F28069M berkemampuan InstaSPIN.
DRV8301-69M-KIT adalah Instrumen Texas InstaSPIN-FOC dan InstaSPIN-MOTION teknologikit evaluasi kontrol motor berbasis untuk memutar motor PMSM dan BLDC tiga fase. Dengan InstaSPIN, DRV8301-69M-KIT memungkinkan pengembang dengan cepat mengidentifikasi, menyetel secara otomatis, dan mengontrol motor tiga fase, menyediakan sistem kontrol motor yang “langsung” stabil dan fungsional.
Bersama dengan teknologi InstaSPIN, DRV8301-69M-KIT menyediakan platform FOC yang mendukung sensor atau encoder atau sensorless berperforma tinggi, hemat daya, dan berkinerja tinggi yang mempercepat pengembangan untuk waktu yang lebih cepat ke pasar. Aplikasi termasuk motor sinkron sub 60 volt dan 40 ampere (A) untuk menggerakkan pompa, gerbang, lift, dan kipas, serta robotika dan otomasi industri dan konsumen.
Fitur perangkat keras DRV8301-69M-KIT:
- Alas tiang inverter tiga fase dengan antarmuka untuk menerima kartu kontrol DIMM100
- Modul daya terintegrasi DRV8301 inverter tiga fase (dengan konverter buck 1.5 A terintegrasi) papan dasar yang mendukung hingga 60 volt dan kontinu 40 A
- Kartu TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC dan InstaSPIN-MOTION
- Kemampuan untuk bekerja dengan TMDXCNCD28054MISO yang didukung MotorWare (dijual terpisah) dan TMDSCNCD28027F + Emulator Eksternal (dijual terpisah)
Penggerak motor PMSM dan BLDC berkinerja tinggi dan berefisiensi tinggi
EVAL-IMM101T dari Infineon Technologies adalah starter kit berfitur lengkap yang mencakup IMM101T Smart IPM (modul daya terintegrasi) yang menyediakan integrasi penuh, turnkey, high-tegangan solusi penggerak motor yang dapat digunakan desainer dengan motor PMSM / BLDC berkinerja tinggi dan berefisiensi tinggi (Gambar 5). EVAL-IMM101T juga mencakup sirkuit lain yang diperlukan untuk evaluasi "out-of-the-box" dari IMM101T Smart IPM, seperti penyearah dan tahap filter EMI, serta bagian debugger terisolasi dengan koneksi USB ke PC.
EVAL-IMM101T dikembangkan untuk mendukung desainer selama langkah pertama mereka mengembangkan aplikasi dengan IMM101T Smart IPM. Papan eval dilengkapi dengan semua kelompok perakitan untuk FOC tanpa sensor. Ini berisi konektor AC fase tunggal, filter EMI, penyearah dan output tiga fase untuk menghubungkan motor. Tingkat daya juga berisi sumber shunt untuk penginderaan arus dan pembagi tegangan untuk pengukuran tegangan tautan DC.
IMM101T Infineon menawarkan opsi konfigurasi kontrol yang berbeda untuk sistem penggerak PMSM / BLDC dalam paket pemasangan permukaan 12 x 12 milimeter (mm) yang ringkas, meminimalkan jumlah komponen eksternal dan area papan sirkuit tercetak (papan pc). Paket ditingkatkan secara termal sehingga dapat bekerja dengan baik dengan atau tanpa heatsink. Paket ini memiliki jarak rambat 1.3 mm antara bantalan tegangan tinggi di bawah kemasan untuk memudahkan pemasangan di permukaan dan meningkatkan ketahanan sistem.
Seri IMM100 mengintegrasikan FredFET 500 volt atau CoolMOS 650 volt MOSFET. Tergantung daya MOSFET digunakan dalam paket, seri IMM100 mencakup aplikasi dengan daya keluaran terukur dari 25 watt (W) hingga 80 W dengan tegangan DC maksimum 500 volt / 600 volt. Dalam versi 600 volt, teknologi Power MOS diberi nilai 650 volt, sedangkan driver gerbang diberi nilai pada 600 volt, yang menentukan tegangan DC maksimum yang diperbolehkan dari sistem.
Sistem evaluasi kontrol motor 24 volt
Perancang penggerak motor PMSM / BLDC 24 volt dapat beralih ke sistem evaluasi kendali motor RTK0EM0006S01212BJ Renesas untuk mikrokontroler RX23T (Gambar 6). Perangkat RX23T adalah mikrokontroler 32-bit yang cocok untuk kontrol inverter tunggal dengan unit titik mengambang (FPU) bawaan yang memungkinkannya digunakan untuk memproses algoritme kontrol inverter yang kompleks. Ini membantu untuk sangat mengurangi jam kerja yang diperlukan untuk pengembangan dan pemeliharaan perangkat lunak.
Selain itu, karena adanya inti, arus yang dikonsumsi dalam mode siaga perangkat lunak (dengan retensi RAM) hanya 0.45 mikroampere (μA). Mikrokontroler RX23T beroperasi pada rentang 2.7 hingga 5.5 volt, dan sangat kompatibel dengan lini RX62T pada pengaturan pin dan tingkat perangkat lunak. Perlengkapannya meliputi:
- Papan inverter 24 volt
- Fungsi kontrol PMSM
- Fungsi deteksi arus tiga shunt
- Fungsi proteksi arus berlebih
- Kartu CPU untuk mikrokontroler RX23T
- Kabel USB mini B.
- PMSM
Kesimpulan
BLDC dan PMSM dapat digunakan untuk memberikan solusi kontrol gerakan presisi yang ringkas dan sangat efisien. Penggunaan kontrol vektor tanpa sensor dengan motor BLDC dan PMS menambah keuntungan dalam menghilangkan perangkat keras sensor, sehingga mengurangi biaya dan meningkatkan keandalan. Namun, kontrol vektor tanpa sensor dalam aplikasi ini dapat menjadi proses yang kompleks dan memakan waktu.
Seperti yang ditunjukkan, desainer dapat beralih ke platform pengembangan dan papan evaluasi yang dilengkapi dengan perangkat lunak kontrol vektor tanpa sensor. Selain itu, lingkungan pengembangan ini mencakup semua pengontrol motor dan perangkat keras manajemen daya yang terintegrasi ke dalam sistem lengkap, mempercepat waktu ke pasar.