La necessità di un controllo del movimento preciso sta crescendo in applicazioni come robotica, droni, dispositivi medici e sistemi industriali. Senza spazzole Motori a corrente continua (BLDC) e i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) azionati in CA possono fornire la precisione richiesta, soddisfacendo al contempo l'esigenza di elevata efficienza in un fattore di forma compatto. Tuttavia, a differenza dei motori CC con spazzole e dei motori a induzione CA, che sono facili da collegare e utilizzare, i BLDC e i PMSM sono molto più complessi.
Ad esempio, tecniche come il controllo vettoriale sensorless (chiamato anche controllo orientato al campo, o FOC), in particolare, offrono un'eccellente efficienza insieme al vantaggio di eliminare il sensore hardware, riducendo così i costi e migliorando l'affidabilità. Il problema per i progettisti è che il controllo vettoriale sensorless è complicato da implementare, quindi il suo utilizzo può prolungare i tempi di sviluppo, aggiungendo costi e possibilmente mancando finestre di time-to-market.
Per risolvere questo dilemma, i progettisti possono rivolgersi a piattaforme di sviluppo e schede di valutazione che hanno già integrato il software di controllo vettoriale sensorless, consentendo loro di concentrarsi sui problemi di progettazione del sistema e non impantanarsi nelle sfumature della codifica del software di controllo. Inoltre, questi ambienti di sviluppo includono tutto il controller del motore e l'hardware di gestione dell'alimentazione integrati in un sistema completo, accelerando il time to market.
Questo articolo descrive brevemente alcune delle esigenze di controllo del movimento di precisione e esamina le differenze tra CC con spazzole, induzione CA, BLDC e PMSM. Riassume quindi le basi del controllo vettoriale prima di introdurre diverse piattaforme e schede di valutazione di Texas Instruments, Infineon Technologies e Renesas Electronics, insieme a linee guida di progettazione che facilitano lo sviluppo di sistemi di controllo del movimento di precisione.
Esempi di applicazioni di controllo del movimento di precisione
I droni sono sistemi complessi di controllo del movimento e in genere utilizzano quattro o più motori. È necessario un controllo del movimento preciso e coordinato per consentire a un drone di librarsi, arrampicarsi o scendere.
Figura 1: I droni utilizzano in genere quattro o più motori, in genere BLDC o PMSM, che girano a 12,000 giri al minuto (RPM) o più e sono azionati da un controller elettronico di velocità (ESC). Questo esempio mostra un ESC modulo in un drone che utilizza un motore brushless con controllo sensorless. (Fonte immagine: Texas Instruments)
Per librarsi, la spinta netta dei rotori che spingono il drone verso l'alto deve essere bilanciata ed esattamente uguale alla forza gravitazionale che lo spinge verso il basso. Aumentando allo stesso modo la spinta (velocità) dei rotori, il drone può salire verso l'alto. Al contrario, la diminuzione della spinta del rotore fa scendere il drone. Inoltre, ci sono imbardata (far girare il drone), beccheggio (far volare il drone in avanti o indietro) e rollare (far volare il drone a sinistra oa destra).
Il movimento preciso e ripetitivo è una delle caratteristiche di molte applicazioni di robotica. Un robot industriale stazionario multiasse deve erogare diverse quantità di forza in tre dimensioni per spostare oggetti di peso variabile (Figura 2). I motori all'interno del robot forniscono velocità e coppia variabili (forza di rotazione) in punti precisi, che il controller del robot utilizza per coordinare il movimento lungo diversi assi per velocità e posizionamento esatti.
Nel caso di robot mobili su ruote, è possibile utilizzare un preciso sistema di trasmissione differenziale per controllare sia la velocità che la direzione del movimento. Due motori vengono utilizzati per fornire il movimento insieme a una o due ruote orientabili per bilanciare il carico. I due motori sono azionati a velocità diverse per ottenere la rotazione e i cambi di direzione, mentre la stessa velocità per entrambi i motori si traduce in un movimento in linea retta, in avanti o all'indietro. Sebbene i controller del motore siano più complessi rispetto a un sistema di sterzo convenzionale, questo approccio è più preciso, meccanicamente più semplice e quindi più affidabile.
Scelte motorie
I motori CC di base ei motori a induzione CA sono relativamente economici e semplici da guidare. Sono ampiamente utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, dagli aspirapolvere ai macchinari industriali, alle gru e agli ascensori. Tuttavia, sebbene siano economici e facili da guidare, non possono fornire il funzionamento di precisione richiesto da applicazioni come robotica, droni, dispositivi medici e apparecchiature industriali di precisione.
Un semplice motore CC a spazzole genera coppia commutando meccanicamente la direzione della corrente in coordinamento con la rotazione utilizzando un commutatore e spazzole. I difetti dei motori CC con spazzole includono la necessità di manutenzione a causa dell'usura delle spazzole e la generazione di rumore elettrico e meccanico. È possibile utilizzare un azionamento a modulazione di larghezza di impulso (PWM) per controllare la velocità di rotazione, ma il controllo di precisione e l'elevata efficienza sono difficili a causa della natura intrinsecamente meccanica dei motori CC con spazzole.
Un BLDC elimina il commutatore e le spazzole dei motori DC con spazzole e, a seconda di come sono avvolti gli statori, può anche essere un PMSM. Le bobine dello statore sono avvolte trapezoidalmente in un motore BLDC e la forza controelettromotrice (EMF) prodotta ha una forma d'onda trapezoidale, mentre gli statori PMSM sono avvolti in modo sinusoidale e producono una forza controelettromotrice sinusoidale (Ebemf).
La coppia nei motori BLDC e PMSM è una funzione della corrente e dell'EMF di ritorno. I motori BLDC sono azionati con corrente ad onda quadra mentre i motori PMSM sono azionati con corrente sinusoidale.
Caratteristiche del motore BLDC:
- Più facile da controllare con correnti CC a onda quadra a sei fasi
- Produce un'ondulazione di coppia significativa
- Sono costi e prestazioni inferiori rispetto ai PMSM
- Può essere implementato con sensori ad effetto Hall o con controllo sensorless
Caratteristiche PMSM:
- Controllo più complesso utilizzando Trifase PWM sinusoidale
- Nessuna ondulazione di coppia
- Maggiore efficienza, coppia e costo rispetto a BLDC
- Può essere implementato con codificatore ad albero o con controllo sensorless
Cos'è il controllo vettoriale?
Il controllo vettoriale è un metodo di controllo dell'azionamento del motore a frequenza variabile in cui le correnti dello statore di un motore elettrico trifase sono identificate come due componenti ortogonali che possono essere visualizzate con un vettore. Una componente definisce il flusso magnetico del motore, l'altra la coppia. Al centro dell'algoritmo di controllo vettoriale ci sono due trasformate matematiche: la trasformata di Clarke modifica un sistema trifase in un sistema a due coordinate, mentre la trasformata di Park converte i vettori del sistema stazionario a due fasi in vettori di sistema rotanti e il loro inverso.
L'uso delle trasformazioni Clarke e Park porta le correnti dello statore che possono essere controllate nel dominio del rotore. Ciò consente a un sistema di controllo del motore di determinare le tensioni che dovrebbero essere fornite allo statore per massimizzare la coppia sotto carichi che cambiano dinamicamente.
Il controllo della velocità e / o della posizione ad alte prestazioni richiede una conoscenza precisa e in tempo reale della posizione e della velocità dell'albero del rotore per sincronizzare gli impulsi di eccitazione di fase con la posizione del rotore. Queste informazioni sono state tipicamente fornite da sensori come encoder assoluti e resolver magnetici collegati all'albero del motore. Questi sensori presentano diversi svantaggi del sistema: minore affidabilità, suscettibilità al rumore, più costo e peso e maggiore complessità. Il controllo vettoriale sensorless elimina la necessità di sensori di velocità / posizione.
Microprocessori ad alte prestazioni e processori di segnali digitali (DSP) consentono di incorporare una teoria del controllo moderna ed efficiente nella modellazione di sistemi avanzati, garantendo potenza ed efficienza di controllo ottimali per qualsiasi sistema motore in tempo reale. Si prevede che, a causa dell'aumento della potenza di calcolo e della diminuzione dei costi dei microprocessori e dei DSP, il controllo sensorless sposterà quasi universalmente il controllo vettoriale sensoriale, così come i volt per hertz scalari a singola variabile semplice ma a prestazioni inferiori (V / f ) controllo.
Pilotaggio di motori PMSM e BLDC trifase per robotica industriale e di consumo
Per aggirare la complessità del controllo vettoriale, i progettisti possono utilizzare schede di valutazione già pronte. Ad esempio, DRV8301-69M-KIT di Texas Instruments è un modulo di valutazione della scheda madre basato su controlCARD DIMM100 che i progettisti possono utilizzare per sviluppare soluzioni di azionamento di motori PMSM/BLDC trifase (Figura 4). Include il gate driver trifase DRV8301 con amplificatori shunt a doppia corrente e un buck regolatoree una scheda microcontrollore (MCU) Piccolo TMS320F28069M abilitata per InstaSPIN.
DRV8301-69M-KIT è un InstaSPIN-FOC e InstaSPIN-MOTION Texas Instruments la tecnologiakit di valutazione del controllo motore basato su motori PMSM e BLDC trifase rotanti. Con InstaSPIN, DRV8301-69M-KIT consente agli sviluppatori di identificare rapidamente, mettere a punto automaticamente e controllare un motore trifase, fornendo un sistema di controllo del motore "istantaneamente" stabile e funzionale.
Insieme alla tecnologia InstaSPIN, il DRV8301-69M-KIT fornisce una piattaforma FOC sensorless o encoder abilitata per sensori ad alte prestazioni, efficiente dal punto di vista energetico e conveniente che accelera lo sviluppo per un time-to-market più rapido. Le applicazioni includono motori sincroni inferiori a 60 volt e 40 ampere (A) per l'azionamento di pompe, cancelli, ascensori e ventilatori, nonché robotica e automazione industriale e di consumo.
Le caratteristiche hardware del DRV8301-69M-KIT:
- Una scheda base inverter trifase con interfaccia per accettare schede di controllo DIMM100
- Un modulo di alimentazione integrato con inverter trifase DRV8301 (con convertitore buck da 1.5 A integrato) che supporta fino a 60 volt e 40 A continui
- Le schede TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC e InstaSPIN-MOTION
- La capacità di lavorare con MotorWare supporta TMDXCNCD28054MISO (venduto separatamente) e TMDSCNCD28027F + emulatore esterno (venduto separatamente)
Azionamenti motore PMSM e BLDC ad alte prestazioni e alta efficienza
EVAL-IMM101T di Infineon Technologies è uno starter kit completo che include un IMM101T Smart IPM (modulo di alimentazione integrato) che fornisce unvoltaggio soluzione di azionamento del motore che i progettisti possono utilizzare con motori PMSM / BLDC ad alte prestazioni e alta efficienza (Figura 5). EVAL-IMM101T include anche altri circuiti necessari richiesti per la valutazione "pronta all'uso" di IMM101T Smart IPM, come un raddrizzatore e uno stadio di filtro EMI, nonché una sezione di debugger isolata con connessione USB a un PC.
EVAL-IMM101T è stato sviluppato per supportare i progettisti durante i primi passi nello sviluppo di applicazioni con un IMM101T Smart IPM. La scheda di valutazione è dotata di tutti i gruppi di assemblaggio per FOC sensorless. Contiene un connettore AC monofase, filtro EMI, raddrizzatore e uscita trifase per il collegamento del motore. Lo stadio di potenza contiene anche uno shunt di sorgente per il rilevamento della corrente e un partitore di tensione per la misurazione della tensione del collegamento CC.
IMM101T di Infineon offre diverse opzioni di configurazione del controllo per i sistemi di azionamento PMSM / BLDC in un contenitore compatto a montaggio superficiale di 12 x 12 mm (mm), riducendo al minimo il numero di componenti esterni e l'area della scheda a circuito stampato (scheda a circuito stampato). Il pacchetto è migliorato termicamente in modo che possa funzionare bene con o senza un dissipatore di calore. Il pacchetto presenta una distanza di dispersione di 1.3 mm tra i pad ad alta tensione sotto il pacchetto per facilitare il montaggio su superficie e aumentare la robustezza del sistema.
La serie IMM100 integra un FredFET da 500 volt o un CoolMOS da 650 volt mosfet. A seconda della potenza mosfet impiegata nel pacchetto, la serie IMM100 copre applicazioni con una potenza di uscita nominale da 25 watt (W) a 80 W con tensione CC massima di 500 volt / 600 volt. Nelle versioni da 600 volt, la tecnologia Power MOS è valutata a 650 volt, mentre il gate driver è valutato a 600 volt, che determina la tensione CC massima consentita del sistema.
Sistema di valutazione del controllo del motore a 24 volt
I progettisti di azionamenti per motori PMSM / BLDC a 24 volt possono rivolgersi al sistema di valutazione del controllo motore RTK0EM0006S01212BJ di Renesas per i microcontrollori RX23T (Figura 6). I dispositivi RX23T sono microcontrollori a 32 bit adatti per il controllo di un singolo inverter con un'unità a virgola mobile (FPU) incorporata che consente loro di essere utilizzati per elaborare complessi algoritmi di controllo dell'inverter. Ciò aiuta a ridurre notevolmente le ore di lavoro necessarie per lo sviluppo e la manutenzione del software.
Inoltre, a causa del core, la corrente consumata in modalità standby del software (con ritenzione della RAM) è di soli 0.45 microampere (μA). I microcontrollori RX23T funzionano nell'intervallo da 2.7 a 5.5 volt e sono altamente compatibili con la linea RX62T a livello di disposizione dei pin e software. Il kit comprende:
- Scheda inverter 24 volt
- Funzione di controllo PMSM
- Funzione di rilevamento della corrente a tre shunt
- Funzione di protezione da sovracorrente
- Scheda CPU per microcontrollore RX23T
- Cavo USB mini B.
- PMSM
Conclusione
BLDC e PMSM possono essere utilizzati per fornire soluzioni di controllo del movimento di precisione compatte e altamente efficienti. L'uso del controllo vettoriale sensorless con motori BLDC e PMS aggiunge il vantaggio di eliminare l'hardware del sensore, riducendo così i costi e migliorando l'affidabilità. Tuttavia, il controllo vettoriale sensorless in queste applicazioni può essere un processo complesso e dispendioso in termini di tempo.
Come mostrato, i progettisti possono rivolgersi a piattaforme di sviluppo e schede di valutazione fornite con software di controllo vettoriale sensorless. Inoltre, questi ambienti di sviluppo includono tutto il controller del motore e l'hardware di gestione dell'alimentazione integrati in un sistema completo, accelerando il time to market.