הצורך בבקרת תנועה מדויקת הולך וגדל על פני יישומים כגון רובוטיקה, רחפנים, מכשירים רפואיים ומערכות תעשייתיות. ללא מברשות מנועי DC (BLDCs) ומנועים סינכרוניים מגנטים קבועים מונעי AC (PMSMs) יכולים לספק את הדיוק הנדרש, ובמקביל גם לענות על הצורך ביעילות גבוהה בגורם צורה קומפקטי. עם זאת, בניגוד למנועי DC מוברש ומנועי אינדוקציה AC, שקל להתחבר ולהפעיל, BLDCs ו-PMSMs הם הרבה יותר מורכבים.
לדוגמא, טכניקות כגון בקרת וקטור ללא חיישנים (המכונה גם בקרת אוריינטציה בשדה, או FOC), בפרט, מציעות יעילות מצוינת יחד עם היתרון של ביטול חיישן חומרה, ובכך להפחית עלויות ולשפר את האמינות. הבעיה עבור מעצבים היא כי בקרת וקטור ללא חיישנים מסובכת ליישום, ולכן השימוש בה יכול להאריך את זמני הפיתוח, להוסיף עלויות ואולי חסר חלונות זמן לשיווק.
כדי לפתור את הדילמה הזו, מעצבים יכולים לפנות לפלטפורמות פיתוח ולוחות הערכה שכבר מאופיינת בהם תוכנת בקרת הווקטור ללא חיישנים, מה שמאפשר להם להתמקד בנושאי תכנון המערכת ולא להיתקע בניואנסים של קידוד תוכנת הבקרה. בנוסף, סביבות פיתוח אלה כוללות את כל בקרת המנוע וחומרת ניהול הכוח המשולבות במערכת שלמה, מה שמזרז זמן לשוק.
מאמר זה מתאר בקצרה כמה מהצרכים לבקרת תנועה מדויקת וסוקר את ההבדלים בין מוברש DC, אינדוקציה AC, BLDC ו- PMSM. לאחר מכן הוא מסכם את יסודות הבקרה הווקטורית לפני הצגת מספר פלטפורמות ולוחות הערכה מטקסס אינסטרומנטס, אינפיניון טכנולוגיות ורנסאס אלקטרוניקה, יחד עם הנחיות תכנון המאפשרות פיתוח מערכות בקרת תנועה מדויקות.
דוגמאות ליישומי בקרת תנועה מדויקים
מזל"טים הם מערכות בקרת תנועה מורכבות ומעסיקות בדרך כלל ארבעה מנועים או יותר. יש צורך בקרת תנועה מדויקת ומתואמת כדי לאפשר למזל"ט לרחף, לטפס או לרדת.
איור 1: מזל"טים משתמשים בדרך כלל בארבעה מנועים או יותר, בדרך כלל BLDCs או PMSMs, מסתובבים במהירות של 12,000 סיבובים לדקה (RPM) או יותר, והם מונעים על ידי בקר מהירות אלקטרוני (ESC). דוגמה זו מציגה ESC מודול במזל"ט באמצעות מנוע ללא מברשות עם שליטה ללא חיישן. (מקור תמונה: Texas Instruments)
כדי לרחף, דחף הרוטורים הדוחף את המל"ט כלפי מעלה חייב להיות מאוזן ושווה בדיוק לכוח הכבידה שמושך אותו מטה. על ידי הגדלת הדחף (המהירות) של הרוטורים באותה מידה, מזל"ט יכול לטפס ישר למעלה. לעומת זאת, הפחתת דחף הרוטור גורמת למזל"ט לרדת. בנוסף, יש סיבוב (סיבוב מזל"ט), גובה צליל (הטסת מזל"ט קדימה או אחורה) וגלגול (הטסת מזל"ט שמאלה או ימינה).
תנועה מדויקת וחוזרת על עצמה היא אחת התכונות של יישומי רובוטיקה רבים. רובוט תעשייתי רב-צירי נייח צריך לספק כמויות כוח שונות בתלת מימד על מנת להזיז עצמים במשקלים משתנים (איור 2). מנועים בתוך הרובוט מספקים מהירות ומומנט משתנים (כוח סיבוב) בנקודות מדויקות, שבהם משתמש הרובוט כדי לתאם תנועה לאורך צירים שונים לצורך מהירות ומיקום מדויקים.
במקרה של רובוטים ניידים גלגלים, ניתן להשתמש במערכת הנעה דיפרנציאלית מדויקת לשליטה במהירות ובכיוון התנועה. שני מנועים משמשים לספק תנועה יחד עם גלגל גלגלים אחד או שניים לאיזון העומס. שני המנועים מונעים במהירויות שונות כדי להשיג סיבוב ושינויים בכיוון, בעוד שמהירות זהה לשני המנועים גורמת לתנועה בקו ישר, קדימה או אחורה. בקרי המנוע אמנם מורכבים יותר בהשוואה למערכת היגוי קונבנציונאלית, אך גישה זו מדויקת יותר, פשוטה יותר מכנית, ולכן אמינה יותר.
בחירות מוטוריות
מנועי DC בסיסיים ומנועי אינדוקציה AC זולים יחסית ופשוטים לנהיגה. הם נמצאים בשימוש נרחב במגוון רחב של יישומים החל משואבי אבק ועד מכונות תעשייתיות, מנופים ומעליות. עם זאת, למרות שהם זולים וקלים לנהיגה, הם אינם יכולים לספק את הפעולה המדויקת הנדרשת ביישומים כגון רובוטיקה, מזל"טים, מכשירים רפואיים וציוד תעשייתי מדויק.
מנוע DC מוברש פשוט מייצר מומנט על ידי החלפה מכנית של כיוון הזרם בתיאום עם סיבוב באמצעות קומוטטור ומברשות. חסרונות של מנועי DC מוברשים כוללים את הצורך בתחזוקה עקב שחיקת המברשות ויצירת רעש חשמלי ומכני. ניתן להשתמש בכונן אפנון רוחב-דופק (PWM) כדי לשלוט על מהירות הסיבוב, אך בקרת דיוק ויעילות גבוהה הם קשים בגלל האופי המכני של מנועי DC מוברשים.
BLDC מבטל את הקומוטטור והמברשות של מנועי DC מוברש, ובהתאם לאופן פיתול הסטאטורים, זה יכול להיות גם PMSM. סלילי הסטטור מפותלים בצורה טרפזית במנוע BLDC, ולכוח האלקטרו-מוטיבציה האחורי (EMF) שנוצר יש צורת גל טרפז, בעוד שסטטורי PMSM מפותלים בצורה סינוסואידית ומייצרים EMF אחורי סינוסואידי (Ebemf).
מומנט במנועי BLDC ו- PMSM הוא פונקציה של EMF זרם וגב. מנועי BLDC מונעים עם זרם גל מרובע ואילו מנועי PMSM מונעים עם זרם סינוסי.
תכונות מנוע BLDC:
- קל יותר לשלוט עם שישה שלבים זרמי DC מרובעים
- מייצר אדוות מומנט משמעותית
- העלות והביצועים הנמוכים יותר מ- PMSM
- ניתן ליישום באמצעות חיישני אפקט הול או עם שליטה ללא חיישנים
תכונות PMSM:
- שליטה מורכבת יותר באמצעות תלת פאזי PWM סינוסי
- אין אדווה מומנט
- יעילות גבוהה יותר, מומנט ועלות גבוהה יותר מ- BLDC
- ניתן ליישום באמצעות מקודד פיר או עם שליטה ללא חיישן
מהי בקרת וקטור?
בקרת וקטור היא שיטת בקרת כונן מנוע בתדירות משתנה בה מזוהים זרמי הסטטור של מנוע חשמלי תלת פאזי כשני רכיבים אורתוגונליים שניתן לדמיין בעזרת וקטור. רכיב אחד מגדיר את השטף המגנטי של המנוע, והשני את המומנט. ביסוד האלגוריתם של בקרת הווקטור שני טרנספורמציות מתמטיות: טרנספורמציית קלארק משנה מערכת תלת פאזית למערכת דו-קואורדינטות, ואילו טרנספורמציית הפארק ממירה וקטורי מערכת נייחים דו-פאזיים לווקטורי מערכת מסתובבים ולהופכם.
השימוש בתמורות קלארק ופארק מביא את זרמי הסטטור הניתנים לשליטה לתחום הרוטור. פעולה זו מאפשרת למערכת בקרת מנוע לקבוע את המתחים שיש לספק לסטטור כדי למקסם את המומנט תחת עומסים המשתנים באופן דינמי.
בקרת מהירות ו / או מיקום ביצועים גבוהים דורשת ידע בזמן אמת ומדויק על מיקום פיר הרוטור ומהירותו על מנת לסנכרן את פעימות עירור הפאזה למצב הרוטור. מידע זה סופק בדרך כלל על ידי חיישנים כגון מקודדים מוחלטים ומפתחים מגנטיים המחוברים לפיר המנוע. לחיישנים אלה מספר חסרונות במערכת: אמינות נמוכה יותר, רגישות לרעש, עלות ומשקל גבוהים יותר ומורכבות גבוהה יותר. בקרת וקטור ללא חיישנים מבטלת את הצורך בחיישני מהירות / מיקום.
מיקרו-מעבדים בעלי ביצועים גבוהים ומעבדי אותות דיגיטליים (DSP) מאפשרים לגלם את תיאוריית הבקרה המודרנית והיעילה בדוגמנות מערכת מתקדמת, ומבטיחה יעילות הספק ויעילות בקרה לכל מערכת מנוע בזמן אמת. צפוי כי כתוצאה מהכוח החישובי הגובר והעלויות היורדות של מיקרו-מעבדים ו- DSP, שליטה ללא חיישנים תעקור כמעט באופן אוניברסלי את בקרת הווקטור החושתי, כמו גם ביצועים פשוטים אך נמוכים יותר של סקלר וולט לכל הרץ (V / f). ) שליטה.
מניע מנועי PMSM ושל BLDC תלת פאזיים לרובוטיקה תעשייתית וצרכנית
כדי לעקוף את המורכבות של בקרת וקטור, מעצבים יכולים להשתמש בלוחות הערכה מוכנים. לדוגמה, ה-DRV8301-69M-KIT מבית Texas Instruments הוא מודול הערכת לוח אם מבוסס DIMM100 controlCARD, שבו מעצבים יכולים להשתמש כדי לפתח פתרונות הנעה תלת פאזיים של מנוע PMSM/BLDC (איור 4). הוא כולל את דרייבר השער תלת-פאזי DRV8301 עם מגברי shunt כפולים עם זרם וסת, ולוח מיקרו-בקר (MCU) תומך InstaSPIN Piccolo TMS320F28069M.
ה-DRV8301-69M-KIT הוא InstaSPIN-FOC ו-InstaSPIN-MOTION Texas Instruments טֶכנוֹלוֹגִיָהערכת הערכה מבוססת בקרת מנוע עבור סיבוב מנועי PMSM ו-BLDC תלת פאזיים. עם InstaSPIN, ה-DRV8301-69M-KIT מאפשר למפתחים לזהות במהירות, לכוון אוטומטית ולשלוט במנוע תלת פאזי, מה שמספק מערכת בקרת מנוע "מיידית" יציבה ופונקציונלית.
יחד עם טכנולוגיית InstaSPIN, DRV8301-69M-KIT מספק פלטפורמת FOC בעלת ביצועים גבוהים וחסכונית חסכונית חסכונית או מקודדת חיישנים מקודדת המאיצה את הפיתוח לזמן מהיר יותר לשוק. היישומים כוללים מנועים סינכרוניים תת -60 וולט ו -40 אמפר (A) להנעת משאבות, שערים, מעליות ומאווררים, כמו גם רובוטיקה ואוטומציה לתעשייה ולצרכן.
מאפייני החומרה DRV8301-69M-KIT:
- לוח בסיס מהפך תלת פאזי עם ממשק לקבלת כרטיסי בקרת DIMM100
- מודול כוח משולב מהפך תלת פאזי DRV8301 (עם ממיר 1.5 A באק משולב) תומך עד 60 וולט ו 40 A רציף
- כרטיסי TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC ו- InstaSPIN-MOTION
- היכולת לעבוד עם TMDXCNCD28054MISO הנתמך על ידי MotorWare (נמכר בנפרד) ו- TMDSCNCD28027F + אמולטור חיצוני (נמכר בנפרד)
כונני מנוע PMSM ו- BLDC בעלי ביצועים גבוהים ויעילים
ה- EVAL-IMM101T מבית אינפיניון טכנולוגיות הוא ערכת התחלה מלאה הכוללת IMM101T IPM חכם (מודול כוח משולב) המספק משולב לחלוטין, סוהר, גבוהמתח פיתרון כונן מנוע בו מעצבים יכולים להשתמש עם מנועי PMSM / BLDC בעלי ביצועים גבוהים ויעילים (איור 5). ה- EVAL-IMM101T כולל גם מעגלים נחוצים אחרים הנדרשים להערכת "מחוץ לקופסה" של IMM101T IPMs חכמים, כמו מיישר ושלב מסנן EMI, כמו גם קטע ניפוי באגים מבודד עם חיבור USB למחשב.
ה- EVAL-IMM101T פותח כדי לתמוך במעצבים במהלך צעדיהם הראשונים בפיתוח יישומים עם IMM101T IPM חכם. לוח הערוץ מצויד בכל קבוצות ההרכבה עבור FOC ללא חיישנים. הוא מכיל מחבר AC חד פאזי, מסנן EMI, מיישר ופלט תלת פאזי לחיבור המנוע. שלב ההספק מכיל גם מקור מקור לחישת זרם ומחלק מתח למדידת מתח קישור DC.
IMM101T של אינפיניאון מציע אפשרויות תצורת בקרה שונות עבור מערכות כונן PMSM / BLDC בחבילת הרכבה עילית קומפקטית בגודל 12x12 מילימטר (מ"מ), תוך צמצום ספירת רכיבים חיצוניים ואזור מעגלים מודפסים. החבילה משופרת תרמית כך שתוכל לבצע ביצועים טובים עם או בלי גוף קירור. החבילה כוללת מרחק זחילה של 1.3 מ"מ בין רפידות המתח הגבוה שמתחת לחבילה כדי להקל על הרכבה על פני השטח ולהגדיל את החוסן של המערכת.
סדרת IMM100 משלבת FredFET 500 וולט או CoolMOS 650 וולט MOSFET. תלוי בכוח מוספים המועסקים בחבילה, סדרת IMM100 מכסה יישומים עם הספק יציאה מדורג מ- 25 וואט (W) עד 80 וואט עם מתח וולט מקסימלי של 500 וולט / 600 וולט. בגרסאות ה -600 וולט, טכנולוגיית ה- Power MOS מדורגת על 650 וולט, ואילו נהג השער מדורג על 600 וולט, הקובע את מתח DC מקסימלי המותר של המערכת.
מערכת הערכת בקרת מנוע 24 וולט
מעצבים של כונני מנוע PMSM / BLDC 24 וולט יכולים לפנות אל מערכת הערכת בקרת המנוע של Renesas RTK0EM0006S01212BJ למיקרו-בקרים RX23T (איור 6). התקני RX23T הם מיקרו-בקרים של 32 סיביות המתאימים לבקרת מהפך יחיד עם יחידת נקודה צפה מובנית (FPU) המאפשרת להשתמש בהם לעיבוד אלגוריתמי מורכבים של בקרת מהפך. זה עוזר להפחית במידה ניכרת את שעות העבודה הדרושות לפיתוח ותחזוקת תוכנה.
בנוסף, בשל הליבה, הזרם הנצרך במצב המתנה של תוכנה (עם שימור RAM) הוא רק 0.45 מיקרואמפר (μA). מיקרו-בקרי RX23T פועלים בטווח של 2.7 עד 5.5 וולט, ותואמים מאוד לקו RX62T בסידור הפינים וברמת התוכנה. הערכה כוללת:
- לוח מהפך 24 וולט
- פונקציית בקרת PMSM
- פונקציית זיהוי זרם עם שלושה שערים
- פונקציית הגנת זרם יתר
- כרטיס מעבד למיקרו-בקר RX23T
- כבל USB מיני B
- PMSM
סיכום
ניתן להשתמש ב- BLDC ו- PMSM בכדי לספק פתרונות בקרת תנועה מדויקים קומפקטיים ויעילים ביותר. השימוש בשליטה וקטורית ללא חיישנים עם מנועי BLDC ו- PMS מוסיף את היתרון שבביטול חומרת החיישן, ובכך מפחית עלויות ומשפר את האמינות. עם זאת, בקרת וקטור ללא חיישנים ביישומים אלה יכולה להיות תהליך מורכב וגוזל זמן.
כפי שמוצג, מעצבים יכולים לפנות לפלטפורמות פיתוח ולוחות הערכה המגיעים עם תוכנת בקרת וקטור ללא חיישנים. בנוסף, סביבות פיתוח אלה כוללות את כל בקרת המנוע וחומרת ניהול הכוח המשולבות במערכת שלמה, מה שמזרז זמן לשוק.