מאמר זה מציג שלוש שיטות שיכולות להאיץ את התכנון של מערכות מנוע BLDC תוך מתן פתרונות חכמים וקומפקטיים יותר לחיסכון באנרגיה.
העולם עובד קשה כדי להפחית את צריכת החשמל, והמומנטום הולך ומתחזק. מדינות/אזורים רבים דורשים שמכשירי חשמל ביתיים (כמתואר באיור 1) יעמדו בתקני היעילות שנקבעו על ידי ארגונים רלוונטיים כגון המכון הלאומי לתקינה של סין (CNIS), ה-Energy Star האמריקאי והמלאכים הכחולים הגרמניים.
על מנת לעמוד בסטנדרטים אלה, יותר ויותר מתכנני מערכות נטשו מנועי אינדוקציה AC חד-פאזיים פשוטים וקלים לשימוש בתכניהם, ובמקום זאת משתמשים בצריכת אנרגיה נמוכה יותר.מתח מנועי DC (BLDC) ללא מברשות. על מנת להשיג חיי שירות ארוכים יותר ורעש הפעלה נמוך יותר, מתכננים של מכשירי חשמל ביתיים קטנים כמו רובוטים גורפים פנו גם למנועי BLDC מתקדמים יותר ברבות מהמערכות שלהם. במקביל, ההתקדמות של מגנט קבוע טֶכנוֹלוֹגִיָה מפשטת ללא הרף את הייצור של מנועי BLDC, מקטינה את גודל המערכת תוך מתן אותו מומנט (עומס), מה שיכול גם לשפר את היעילות ולהפחית את רעשי המערכת.
איור 1: מכשירי חשמל ביתיים נפוצים
תכנון מערכת באמצעות מנועי BLDC הוא מאתגר מכיוון שחומרה מורכבת ותכנון תוכנה אופטימלי נדרשים בדרך כלל כדי לספק שליטה אמינה בזמן אמת. אחת האפשרויות להאיץ את מחזור התכנון היא להשתמש במודולי מנוע BLDC המסופקים על ידי ספקים מקצועיים, אך מודולים אלו אינם מותאמים לצרכים של מערכת ספציפית.
לכן, על מנת לבנות מערכת אופטימלית בעלת ביצועים גבוהים כדי לעמוד בדרישות יישום ספציפיות, עדיין יש צורך בהבנה מעמיקה של תכנון ובקרה של המנוע, גם בעת שימוש במודולים. במאמר זה, אציג שלוש שיטות שיכולות להאיץ את התכנון של מערכות מנוע BLDC תוך מתן פתרונות חכמים וקומפקטיים יותר לחיסכון באנרגיה.
שיטה 1: אין צורך לתכנת בקרה ללא חיישן
נהג המנוע ללא תכנות כולל אלגוריתם העברת בקרה מובנה, כך שאין צורך בפיתוח, תחזוקה והסמכה של תוכנת בקרת מנוע. נהגי מנוע אלה מקבלים בדרך כלל משוב מהמנוע (כגון אותות הול או אותות מתח וזרם פאזה של המנוע), מחשבים משוואות בקרה מורכבות בזמן אמת כדי לקבוע את מצב ההנעה הבא של המנוע, והם נהגי שער או תחמוצת מתכת. סמיקונדקטור טרנזיסטורי אפקט שדה ( MOSFET) ורכיבים אנלוגיים קדמיים אחרים מספקים אותות אפנון רוחב דופק (כמתואר באיור 2).
איור 2: מערכת מנוע BLDC אופיינית ללא חיישנים
בעת שימוש בנהג מנוע עם פונקציית בקרה משולבת ללא חיישנים (כגון נהג מנוע MCF8316A עם פונקציית בקרה מכוונת שדה (FOC) לשליטה בזמן אמת, אין צורך באפקט הול חיישן במנוע, מה שיכול לשפר את אמינות המערכת ולהפחית את עלות המערכת הכוללת. נהג המנוע ללא תכנות יכול גם לנהל פונקציות חשובות (כגון זיהוי תקלות מנוע) וליישם מנגנוני הגנה כדי להפוך את עיצוב המערכת הכולל לאמין יותר.
מכשירים אלו יכולים להיות מלווים באלגוריתמי בקרה מאושרים מראש המיושמים על ידי סוכנויות הסמכה כגון Underwriters Laboratories, מה שמאפשר ליצרני ציוד מקורי לקצר את זמן התכנון של מכשירי החשמל הביתיים שלהם.
שיטה 2: השתמש בפונקציית בקרת המנוע החכמה כדי לכוון את המנוע בקלות
קשה לפתור דרישות פרמטרים של ביצועי מערכת (כגון מהירות, יעילות ורעש) על ידי כוונון מנוע ה-BLDC. ניתן לפתור בעיה זו על ידי פיתוח אלגוריתם בקרה טרפז נטול חיישנים, שבו הקומוטציה נקבעת על ידי מתח ה-EMF האחורי של המנוע, כך שפעולת ההתאמה אינה מוגבלת על ידי פרמטרי המנוע.
דרייבר המנוע המשולב (כגון MCT8316A) המשלב את פונקציית הבקרה הטרפזית ללא חיישן יכול לספק ביצועי מערכת אופטימליים ללא צורך בשימוש בממשק מסובך כדי להתחבר למיקרו-בקר. בנוסף, שים לב שבמהלך תהליך כוונון המנוע, מנהל ההתקן המשולב יספק אותות משוב, כגון מתח שלב המנוע, זרם ומהירות המנוע המוצגים על האוסילוסקופ.
באלגוריתם FOC חסר החיישנים, עקב שילוב טכנולוגיית בקרה מתקדמת, ניתן להאיץ משמעותית את כוונון המנוע, למשל על ידי מדידת פרמטרי המנוע בעצמה או ביצוע אוטומטי של כוונון לולאת הבקרה.
ממשק המשתמש הגרפי של כוונון מודרך (GUI) מספק אפשרויות ברירת מחדל לאתחול מנוע (כמתואר באיור 3), מה שעוזר להשלים בצורה חלקה את תהליך הכוונון ולסובב את המנוע במהירות האפשרית. מנהלי התקנים של מנוע שאינם דורשים תכנות (כגון MCF8316A עבור FOC ו-MCT8316A עבור בקרה טרפזית) כוללים אפשרויות מרובות הניתנות להגדרה עבור התנעת מנוע ופעולות לולאה סגורה ועצירת מנוע. עם אפשרויות אלה, ניתן לייעל את ביצועי המנוע תוך מספר דקות, ולקצר משמעותית את מחזור התכנון.
איור 3: GUI כוונון מודרך
שיטה 3: צמצם את הגודל
עבור מתכנני מערכות רבים, עבודת בניית החומרה של מערכת BLDC היא קשה מאוד. מערכת טיפוסית דורשת מנהלי שערים, מוספים, מגברי חישת זרם, השוואת חישת מתח וממירים אנלוגיים לדיגיטליים. רוב המערכות דורשות ארכיטקטורת הספק ייעודית (כולל התקנים כגון ווסתים עם נשירה נמוכה או ווסתי DC/DC buck) כדי להפעיל את כל הרכיבים בלוח. כונן BLDC המשולב משלב את כל הרכיבים הללו כדי לספק פתרון קומפקטי אך קל לשימוש, כפי שמוצג באיור 4.
איור 4: פתרון מנוע BLDC משולב במלואו
מנהלי התקנים של מנועים עם פונקציות בקרה משולבות כוללים פונקציות הגנה, כגון הגנת זרם יתר ומתח יתר עבור MOSFETs, וניטור טמפרטורה, המאפשרים למעצבים לספק בקלות פתרונות רבי עוצמה.
עבור יישומי מנוע עם צריכת חשמל של פחות מ-70W, כגון רובוטים גורפים, מאווררי תקרה ביתיים או משאבות המשמשות במכונות כביסה, ניתן לבחור מכשירים עם MOSFET משולבים כדי לצמצם עוד יותר את שטח הפריסה. התקני MCF8316A ו-MCT8316A תומכים בזרם שיא של עד 8A ביישומי 24V. עבור יישומים בעלי הספק גבוה, ניתן למקם רכיבי MOSFET כוח על הלוח כדי לשלב את פונקציות דרייבר השער ובקרת המנוע בשבב אחד.
המושגים הנדונים במאמר זה עוזרים להאיץ את מחזור תכנון המערכת תוך מתן מערכת מנוע BLDC קטנה וחכמה יותר. בעזרת MCF8316A ו-MCT8316A, שאינם דורשים תכנות ונהגים של מנוע BLDC נטולי חיישנים, ניתן לתכנן במהירות מערכת בקרה בזמן אמת אופטימלית עם ביצועים גבוהים. מכשירים אלה יכולים לספק עד 70W של הספק עבור יישומי 24V. עם טכנולוגיית בקרה חכמה משולבת, שני כונני מנועים אלו קלים לכוונון וניתן להשתמש בהם כדי להשיג פתרונות מערכת אמינים עם ביצועים גבוהים. הם אידיאליים לבניית המערכת הבאה לחסכון באנרגיה במתח נמוך המבוססת על BLDC.
מאמר זה מציג שלוש שיטות שיכולות להאיץ את התכנון של מערכות מנוע BLDC תוך מתן פתרונות חכמים וקומפקטיים יותר לחיסכון באנרגיה.
העולם עובד קשה כדי להפחית את צריכת החשמל, והמומנטום הולך ומתחזק. מדינות/אזורים רבים דורשים שמכשירי חשמל ביתיים (כמתואר באיור 1) יעמדו בתקני היעילות שנקבעו על ידי ארגונים רלוונטיים כגון המכון הלאומי לתקינה של סין (CNIS), ה-Energy Star האמריקאי והמלאכים הכחולים הגרמניים.
על מנת לעמוד בסטנדרטים אלו, יותר ויותר מתכנני מערכות נטשו מנועי אינדוקציה AC חד פאזיים פשוטים וקלים לשימוש בתכניהם, ובמקום זאת משתמשים במנועי DC (BLDC) חסכוניים יותר באנרגיה. על מנת להשיג חיי שירות ארוכים יותר ורעש הפעלה נמוך יותר, מתכננים של מכשירי חשמל ביתיים קטנים כמו רובוטים גורפים פנו גם למנועי BLDC מתקדמים יותר ברבות מהמערכות שלהם.
במקביל, ההתקדמות של טכנולוגיית המגנט הקבוע מפשטת באופן מתמשך את ייצור מנועי ה-BLDC, מקטינה את גודל המערכת תוך מתן אותו מומנט (עומס), מה שיכול גם לשפר את היעילות ולהפחית את רעשי המערכת.
איור 1: מכשירי חשמל ביתיים נפוצים
תכנון מערכת באמצעות מנועי BLDC הוא מאתגר מכיוון שחומרה מורכבת ותכנון תוכנה אופטימלי נדרשים בדרך כלל כדי לספק שליטה אמינה בזמן אמת. אחת האפשרויות להאיץ את מחזור התכנון היא להשתמש במודולי מנוע BLDC המסופקים על ידי ספקים מקצועיים, אך מודולים אלו אינם מותאמים לצרכים של מערכת ספציפית. לכן, על מנת לבנות מערכת אופטימלית עם ביצועים גבוהים כדי לעמוד בדרישות יישום ספציפיות, עדיין יש צורך בהבנה מעמיקה של תכנון ובקרה של המנוע, אפילו עם מודולים. במאמר זה, אציג שלוש שיטות שיכולות להאיץ את התכנון של מערכות מנוע BLDC תוך מתן פתרונות חכמים וקומפקטיים יותר לחיסכון באנרגיה.
שיטה 1: אין צורך לתכנת בקרה ללא חיישן
נהג המנוע ללא תכנות כולל אלגוריתם העברת בקרה מובנה, כך שאין צורך בפיתוח, תחזוקה והסמכה של תוכנת בקרת מנוע. נהגי מנוע אלה מקבלים בדרך כלל משוב מהמנוע (כגון אותות הול או אותות מתח וזרם פאזה של המנוע), מחשבים משוואות בקרה מורכבות בזמן אמת כדי לקבוע את מצב ההנעה הבא של המנוע, והם נהגי שער או תחמוצת מתכת. סמיקונדקטור טרנזיסטורי אפקט שדה ( MOSFET) ורכיבים אנלוגיים קדמיים אחרים מספקים אותות אפנון רוחב דופק (כמתואר באיור 2).
איור 2: מערכת מנוע BLDC אופיינית ללא חיישנים
בעת שימוש בנהג מנוע עם פונקציית בקרה משולבת ללא חיישנים (כגון דרייבר מנוע MCF8316A עם פונקציית בקרה מכוונת שדה (FOC) לשליטה בזמן אמת, אין צורך בחיישן אפקט Hall במנוע, שיכול לשפר את המערכת אמינות והפחתת עלות המערכת הכוללת.
נהג המנוע ללא תכנות יכול גם לנהל פונקציות חשובות (כגון זיהוי תקלות מנוע) וליישם מנגנוני הגנה כדי להפוך את עיצוב המערכת הכולל לאמין יותר. מכשירים אלו יכולים להיות מלווים באלגוריתמי בקרה מאושרים מראש המיושמים על ידי סוכנויות הסמכה כגון Underwriters Laboratories, מה שמאפשר ליצרני ציוד מקורי לקצר את זמן התכנון של מכשירי החשמל הביתיים שלהם.
שיטה 2: השתמש בפונקציית בקרת המנוע החכמה כדי לכוון את המנוע בקלות
קשה לפתור דרישות פרמטרים של ביצועי מערכת (כגון מהירות, יעילות ורעש) על ידי כוונון מנוע ה-BLDC. ניתן לפתור בעיה זו על ידי פיתוח אלגוריתם בקרה טרפז נטול חיישנים, שבו הקומוטציה נקבעת על ידי מתח ה-EMF האחורי של המנוע, כך שפעולת ההתאמה אינה מוגבלת על ידי פרמטרי המנוע.
דרייבר המנוע המשולב (כגון MCT8316A) המשלב את פונקציית הבקרה הטרפזית ללא חיישן יכול לספק ביצועי מערכת אופטימליים ללא צורך בשימוש בממשק מסובך כדי להתחבר למיקרו-בקר. בנוסף, שים לב שבמהלך תהליך כוונון המנוע, מנהל ההתקן המשולב יספק אותות משוב, כגון מתח שלב המנוע, זרם ומהירות המנוע המוצגים על האוסילוסקופ.
באלגוריתם FOC חסר החיישנים, עקב שילוב טכנולוגיית בקרה מתקדמת, ניתן להאיץ משמעותית את כוונון המנוע, למשל על ידי מדידת פרמטרי המנוע בעצמה או ביצוע אוטומטי של כוונון לולאת הבקרה.
ממשק המשתמש הגרפי של כוונון מודרך (GUI) מספק אפשרויות ברירת מחדל לאתחול מנוע (כמתואר באיור 3), מה שעוזר להשלים בצורה חלקה את תהליך הכוונון ולסובב את המנוע במהירות האפשרית. מנהלי התקנים של מנוע שאינם דורשים תכנות (כגון MCF8316A עבור FOC ו-MCT8316A עבור בקרה טרפזית) כוללים אפשרויות מרובות הניתנות להגדרה עבור התנעת מנוע ופעולות לולאה סגורה ועצירת מנוע. עם אפשרויות אלה, ניתן לייעל את ביצועי המנוע תוך מספר דקות, ולקצר משמעותית את מחזור התכנון.
איור 3: GUI כוונון מודרך
שיטה 3: צמצם את הגודל
עבור מתכנני מערכות רבים, עבודת בניית החומרה של מערכת BLDC היא קשה מאוד. מערכת טיפוסית דורשת מנהלי שערים, MOSFETs, מגברי חישת זרם, השוואת חישת מתח וממירים אנלוגיים לדיגיטליים. רוב המערכות דורשות ארכיטקטורת הספק ייעודית (כולל התקנים כגון ווסתים עם נשירה נמוכה או ווסתי DC/DC buck) כדי להפעיל את כל הרכיבים בלוח. כונן BLDC המשולב משלב את כל הרכיבים הללו כדי לספק פתרון קומפקטי אך קל לשימוש, כפי שמוצג באיור 4.
איור 4: פתרון מנוע BLDC משולב במלואו
מנהלי מנוע עם פונקציות בקרה משולבות כוללים פונקציות הגנה, כגון הגנת זרם יתר ומתח יתר עבור MOSFETs, וניטור טמפרטורה, המאפשרים למעצבים לספק בקלות פתרונות רבי עוצמה. עבור יישומי מנוע עם צריכת חשמל של פחות מ-70W, כגון רובוטים גורפים, מאווררי תקרה ביתיים או משאבות המשמשות במכונות כביסה, ניתן לבחור מכשירים עם MOSFET משולבים כדי לצמצם עוד יותר את שטח הפריסה. התקני MCF8316A ו-MCT8316A תומכים בזרם שיא של עד 8A ביישומי 24V. עבור יישומים בעלי הספק גבוה, ניתן למקם רכיבי MOSFET כוח על הלוח כדי לשלב את פונקציות דרייבר השער ובקרת המנוע בשבב אחד.
המושגים הנדונים במאמר זה עוזרים להאיץ את מחזור תכנון המערכת תוך מתן מערכת מנוע BLDC קטנה וחכמה יותר. בעזרת MCF8316A ו-MCT8316A, שאינם דורשים תכנות ונהגים של מנוע BLDC נטולי חיישנים, ניתן לתכנן במהירות מערכת בקרה בזמן אמת אופטימלית עם ביצועים גבוהים. מכשירים אלה יכולים לספק עד 70W של הספק עבור יישומי 24V. עם טכנולוגיית בקרה חכמה משולבת, שני כונני מנועים אלו קלים לכוונון וניתן להשתמש בהם כדי להשיג פתרונות מערכת אמינים עם ביצועים גבוהים. הם אידיאליים לבניית המערכת הבאה לחסכון באנרגיה במתח נמוך המבוססת על BLDC.