Keperluan untuk kawalan gerakan yang tepat berkembang di pelbagai aplikasi seperti robotik, drone, alat perubatan, dan sistem industri. Tanpa berus Motor DC (BLDC) dan motor segerak magnet kekal (PMSM) dipacu AC boleh memberikan ketepatan yang diperlukan, di samping memenuhi keperluan untuk kecekapan tinggi dalam faktor bentuk padat. Walau bagaimanapun, tidak seperti motor DC berus dan motor aruhan AC, yang mudah disambungkan dan dijalankan, BLDC dan PMSM jauh lebih kompleks.
Sebagai contoh, teknik seperti kawalan vektor tanpa sensor (juga disebut kawalan berorientasi medan, atau FOC), khususnya, menawarkan kecekapan yang sangat baik bersama dengan kelebihan menghilangkan sensor perkakasan, dengan itu mengurangkan kos dan meningkatkan kebolehpercayaan. Masalah bagi pereka adalah kawalan vektor tanpa sensor yang rumit untuk dilaksanakan, sehingga penggunaannya dapat memperpanjang masa pengembangan, menambahkan biaya dan kemungkinan kehilangan jendela waktu ke pasaran.
Untuk menyelesaikan dilema ini, para pereka boleh beralih ke platform pengembangan dan papan penilaian yang telah menggunakan perisian kawalan vektor tanpa sensor, yang memungkinkan mereka untuk fokus pada masalah reka bentuk sistem dan tidak terjebak dalam nuansa pengekodan perisian kawalan. Di samping itu, persekitaran pengembangan ini merangkumi semua pengawal motor dan perkakasan pengurusan kuasa yang disatukan ke dalam sistem yang lengkap, mempercepat masa untuk dipasarkan.
Artikel ini menerangkan secara ringkas beberapa keperluan untuk kawalan gerakan ketepatan dan mengkaji perbezaan antara DC, induksi AC, BLDC dan PMSM yang disikat. Ia kemudian merangkum asas-asas kawalan vektor sebelum memperkenalkan beberapa platform dan papan penilaian dari Texas Instruments, Infineon Technologies dan Renesas Electronics, bersama dengan panduan reka bentuk yang memudahkan pengembangan sistem kawalan gerakan ketepatan.
Contoh aplikasi kawalan gerakan ketepatan
Dron ialah sistem kawalan pergerakan yang kompleks dan biasanya menggunakan empat atau lebih motor. Kawalan pergerakan yang tepat dan diselaraskan diperlukan untuk membolehkan dron melayang, memanjat atau menurun .
Rajah 1: Dron biasanya menggunakan empat atau lebih motor, biasanya BLDC atau PMSM, berputar pada 12,000 pusingan seminit (RPM) atau lebih tinggi, dan digerakkan oleh pengawal kelajuan elektronik (ESC). Contoh ini menunjukkan ESC modul dalam dron menggunakan motor tanpa berus dengan kawalan tanpa sensor. (Sumber imej: Texas Instruments)
Untuk melayang, tujahan bersih rotor yang mendorong drone ke atas mesti seimbang dan sama dengan daya graviti yang menariknya ke bawah. Dengan meningkatkan daya tarikan (kelajuan) rotor, drone dapat naik terus ke atas. Sebaliknya, penurunan daya tuju rotor menyebabkan drone jatuh. Selain itu, ada menguap (memutar drone), melempar (terbang drone ke depan atau ke belakang) dan bergulir (terbang drone ke kiri atau kanan).
Gerakan tepat dan berulang adalah salah satu ciri banyak aplikasi robotik. Robot perindustrian pelbagai paksi pegun harus memberikan kekuatan yang berlainan dalam tiga dimensi untuk menggerakkan objek dengan berat yang berbeza-beza (Gambar 2). Motor di dalam robot membekalkan kelajuan dan tork yang berubah-ubah (daya putaran) pada titik tepat, yang digunakan pengawal robot untuk mengkoordinasikan gerakan di sepanjang paksi yang berlainan untuk kelajuan dan kedudukan yang tepat.
Dalam kes robot bergerak beroda, sistem pemacu pembezaan tepat dapat digunakan untuk mengawal kelajuan dan arah gerakan. Dua motor digunakan untuk memberikan gerakan bersama dengan satu atau dua roda kastor untuk mengimbangkan beban. Kedua motor digerakkan pada kelajuan yang berbeza untuk mencapai putaran dan perubahan arah, sementara kelajuan yang sama untuk kedua motor menghasilkan gerakan garis lurus, baik ke depan atau ke belakang. Walaupun pengendali motor lebih kompleks jika dibandingkan dengan sistem stereng konvensional, pendekatan ini lebih tepat, lebih mudah secara mekanikal, dan oleh itu lebih dipercayai.
Pilihan motor
Motor DC asas dan motor aruhan AC agak murah dan mudah dipandu. Mereka digunakan secara meluas dalam berbagai aplikasi dari pembersih vakum hingga mesin industri, kren dan lif. Namun, walaupun murah dan mudah dikendarai, mereka tidak dapat menyediakan operasi ketepatan yang diperlukan oleh aplikasi seperti robotik, drone, alat perubatan, dan peralatan industri tepat.
Motor DC yang disikat sederhana menghasilkan tork dengan menukar arah arus secara mekanik dengan koordinasi dengan putaran menggunakan komutator dan sikat. Kekurangan motor DC yang disikat merangkumi keperluan penyelenggaraan kerana pemakaian berus dan penghasilan bunyi elektrik dan mekanikal. Pemacu modulasi lebar-nadi (PWM) dapat digunakan untuk mengawal kecepatan putaran, tetapi kawalan ketepatan dan kecekapan tinggi sukar dilakukan kerana sifat mekanikal motor DC yang disikat.
BLDC menghapuskan komutator dan berus motor DC berus, dan bergantung pada cara pemegun digulung, ia juga boleh menjadi PMSM. Gegelung stator dililit secara trapezoid dalam motor BLDC, dan daya gerak elektrik belakang (EMF) yang dihasilkan mempunyai bentuk gelombang trapezoid, manakala stator PMSM dililit secara sinusoid dan menghasilkan EMF belakang sinusoidal (Ebemf).
Tork pada motor BLDC dan PMSM adalah fungsi EMF semasa dan belakang. Motor BLDC digerakkan dengan arus gelombang persegi sementara motor PMSM digerakkan dengan arus sinusoidal.
Ciri-ciri motor BLDC:
- Lebih mudah dikawal dengan arus DC gelombang persegi enam langkah
- Menghasilkan riak tork yang ketara
- Adakah kos dan prestasi lebih rendah daripada PMSM
- Boleh dilaksanakan dengan sensor kesan Hall atau dengan kawalan tanpa sensor
Ciri PMSM:
- Penggunaan kawalan yang lebih kompleks Tiga Fasa PWM sinusoidal
- Tiada riak tork
- Kecekapan, tork dan kos yang lebih tinggi daripada BLDC
- Boleh dilaksanakan dengan shaft encoder atau dengan kawalan tanpa sensor
Apakah kawalan vektor?
Vektor kawalan adalah kaedah kawalan pemacu motor frekuensi berubah di mana arus stator motor elektrik tiga fasa dikenal pasti sebagai dua komponen ortogonal yang dapat dilihat dengan vektor. Satu komponen mentakrifkan fluks magnet motor, yang lain adalah daya kilas. Pada inti algoritma kawalan vektor terdapat dua transformasi matematik: transformasi Clarke mengubah sistem tiga fasa ke sistem dua-koordinat, sementara transformasi Park mengubah vektor sistem pegun dua fasa menjadi vektor sistem berputar dan kebalikannya.
Penggunaan transformasi Clarke dan Park membawa arus stator yang dapat dikawal ke domain pemutar. Melakukan ini membolehkan sistem kawalan motor menentukan voltan yang harus dibekalkan ke stator untuk memaksimumkan tork di bawah beban yang berubah secara dinamik.
Kelajuan dan / atau kawalan kedudukan berprestasi tinggi memerlukan pengetahuan masa nyata dan tepat mengenai kedudukan dan halaju poros pemutar untuk menyegerakkan denyutan pengujaan fasa ke kedudukan pemutar. Maklumat ini biasanya diberikan oleh sensor seperti pengekod mutlak dan pemecah magnetik yang dilekatkan pada batang motor. Sensor ini mempunyai beberapa kelemahan sistem: kebolehpercayaan yang lebih rendah, kerentanan terhadap bunyi bising, lebih banyak kos dan berat, dan kerumitan yang lebih tinggi. Kawalan vektor tanpa sensor menghilangkan keperluan untuk sensor kelajuan / kedudukan.
Mikroprosesor berprestasi tinggi dan pemproses isyarat digital (DSP) membolehkan teori kawalan moden dan cekap terkandung dalam pemodelan sistem canggih, memastikan kecekapan kuasa dan kawalan optimum untuk mana-mana sistem motor masa nyata. Dijangkakan bahawa sebagai hasil daripada peningkatan kekuatan komputasi dan penurunan kos mikroprosesor dan DSP, kawalan tanpa sensor akan menggantikan kawalan vektor yang disensor secara universal, serta voltan skalar pemboleh ubah tunggal yang sederhana tetapi lebih rendah (V / f) ) kawalan.
Memandu motor fasa tiga fasa PMSM dan BLDC untuk industri dan pengguna robotik
Untuk mengatasi kerumitan kawalan vektor, pereka boleh menggunakan papan penilaian siap sedia. Sebagai contoh, DRV8301-69M-KIT daripada Texas Instruments ialah modul penilaian papan induk berasaskan KAD kawalan DIMM100 yang boleh digunakan oleh pereka bentuk untuk membangunkan penyelesaian pemacu motor PMSM/BLDC tiga fasa (Rajah 4). Ia termasuk pemacu pintu tiga fasa DRV8301 dengan penguat shunt dwi arus dan wang pengatur, dan papan mikropengawal (MCU) Piccolo TMS320F28069M yang didayakan InstaSPIN.
DRV8301-69M-KIT ialah Instrumen Texas InstaSPIN-FOC dan InstaSPIN-MOTION teknologikit penilaian kawalan motor berasaskan untuk memutarkan motor PMSM dan BLDC tiga fasa. Dengan InstaSPIN, DRV8301-69M-KIT membolehkan pembangun mengenal pasti, menala secara automatik dan mengawal motor tiga fasa dengan pantas, menyediakan sistem kawalan motor yang stabil dan berfungsi "segera".
Bersama dengan teknologi InstaSPIN, DRV8301-69M-KIT menyediakan platform FOC bertenaga tanpa sensor atau pengekod berkinerja tinggi, cekap kuasa, kos efektif, yang mempercepat pembangunan untuk masa yang lebih cepat ke pasaran. Aplikasi termasuk motor segerak sub 60 volt dan 40 ampere (A) untuk memandu pam, gerbang, lif, dan kipas, serta robotik dan automasi industri dan pengguna.
Ciri perkakasan DRV8301-69M-KIT:
- Papan dasar penyongsang tiga fasa dengan antara muka untuk menerima kad kawalan DIMM100
- Modul kuasa bersepadu penyongsang tiga fasa DRV8301 (dengan penukar 1.5 A buck terintegrasi) papan asas yang menyokong sehingga 60 volt dan 40 A berterusan
- Kad TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC dan InstaSPIN-MOTION
- Keupayaan untuk bekerja dengan MotorWare yang disokong TMDXCNCD28054MISO (dijual secara berasingan) dan TMDSCNCD28027F + Emulator Luaran (dijual secara berasingan)
Pemacu motor PMSM dan BLDC berprestasi tinggi, berprestasi tinggi
EVAL-IMM101T dari Infineon Technologies adalah starter kit yang mempunyai ciri lengkap yang merangkumi IMM101T Smart IPM (modul kuasa bersepadu) yang menyediakan bersepadu, turnkey, tinggi-voltan penyelesaian pemacu motor yang boleh digunakan pereka dengan motor PMSM / BLDC berprestasi tinggi dan berprestasi tinggi (Gambar 5). EVAL-IMM101T juga menyertakan litar lain yang diperlukan untuk penilaian “out-of-the-box” terhadap IPM Pintar IMM101T, seperti penyearah dan tahap penapis EMI, serta bahagian debugger terpencil dengan sambungan USB ke PC.
EVAL-IMM101T dikembangkan untuk menyokong pereka semasa langkah pertama mereka mengembangkan aplikasi dengan IPM Pintar IMM101T. Papan eval dilengkapi dengan semua kumpulan pemasangan untuk FOC tanpa sensor. Ia mengandungi penyambung AC fasa tunggal, penapis EMI, penerus dan output tiga fasa untuk menyambungkan motor. Tahap daya juga mengandungi shunt sumber untuk penginderaan arus dan pembahagi voltan untuk pengukuran voltan pautan DC.
Infineon's IMM101T menawarkan pilihan konfigurasi kawalan yang berbeza untuk sistem pemacu PMSM / BLDC dalam pakej pelekap permukaan 12 x 12 milimeter (mm), meminimumkan jumlah komponen luaran dan kawasan papan litar bercetak (papan pc). Pakej ini diperkuat secara termal sehingga boleh berfungsi dengan baik dengan atau tanpa pendingin. Pakej ini mempunyai jarak rembesan 1.3 mm antara pad voltan tinggi di bawah pakej untuk memudahkan pemasangan permukaan dan meningkatkan ketahanan sistem.
Siri IMM100 mengintegrasikan sama ada FredFET 500 volt atau CoolMOS 650 volt mosfet. Bergantung pada kekuatan mosfet Digunakan dalam pakej, siri IMM100 merangkumi aplikasi dengan daya keluaran dinilai dari 25 watt (W) hingga 80 W dengan voltan DC maksimum 500 volt / 600 volt. Dalam versi 600 volt, teknologi Power MOS dinilai pada 650 volt, sementara pemacu gerbang dinilai pada 600 volt, yang menentukan voltan DC maksimum sistem yang dibenarkan.
Sistem eval kawalan motor 24 volt
Pereka pemacu motor PMSM / BLDC 24 volt boleh beralih ke sistem penilaian kawalan motor Renesas RTK0EM0006S01212BJ untuk mikrokontroler RX23T (Rajah 6). Peranti RX23T adalah mikrokontroler 32-bit yang sesuai untuk kawalan inverter tunggal dengan unit floating point (FPU) terbina dalam yang membolehkannya digunakan untuk memproses algoritma kawalan penyongsang yang kompleks. Ini membantu mengurangkan banyak masa yang diperlukan untuk pembangunan dan penyelenggaraan perisian.
Di samping itu, disebabkan oleh teras, arus yang digunakan dalam mod siap sedia perisian (dengan pengekalan RAM) hanya 0.45 mikroampere (μA). Mikropengawal RX23T beroperasi dalam julat 2.7 hingga 5.5 volt, dan sangat serasi dengan talian RX62T pada susunan pin dan tahap perisian. Kit termasuk:
- Papan penyongsang 24 volt
- Fungsi kawalan PMSM
- Fungsi pengesanan arus tiga pintasan
- Fungsi perlindungan arus lebih
- Kad CPU untuk mikrokontroler RX23T
- Kabel mini B USB
- PMSM
Kesimpulan
BLDC dan PMSM boleh digunakan untuk memberikan penyelesaian kawalan gerakan ketepatan yang ringkas dan sangat efisien. Penggunaan kawalan vektor tanpa sensor dengan motor BLDC dan PMS menambah kelebihan menghilangkan perkakasan sensor, sehingga mengurangkan kos dan meningkatkan kebolehpercayaan. Walau bagaimanapun, kawalan vektor tanpa sensor dalam aplikasi ini boleh menjadi proses yang kompleks dan memakan masa.
Seperti yang ditunjukkan, pereka boleh beralih ke platform pengembangan dan papan penilaian yang dilengkapi dengan perisian kawalan vektor tanpa sensor. Di samping itu, persekitaran pengembangan ini merangkumi semua pengawal motor dan perkakasan pengurusan kuasa yang disatukan ke dalam sistem yang lengkap, mempercepat masa untuk dipasarkan.