De behoefte aan nauwkeurige bewegingscontrole groeit bij toepassingen zoals robotica, drones, medische apparaten en industriële systemen. Borstelloos DC motoren (BLDC's) en AC-aangedreven synchrone motoren met permanente magneten (PMSM's) kunnen de vereiste precisie leveren, terwijl ze ook voldoen aan de behoefte aan hoge efficiëntie in een compacte vormfactor. In tegenstelling tot geborstelde gelijkstroommotoren en AC-inductiemotoren, die eenvoudig kunnen worden aangesloten en gebruikt, zijn BLDC's en PMSM's echter veel complexer.
Met name technieken zoals sensorloze vectorbesturing (ook wel veldgeoriënteerde besturing of FOC genoemd) bieden uitstekende efficiëntie samen met het voordeel dat de sensor hardware, waardoor de kosten worden verlaagd en de betrouwbaarheid wordt verbeterd. Het probleem voor ontwerpers is dat sensorloze vectorbesturing ingewikkeld te implementeren is, dus het gebruik ervan kan de ontwikkelingstijden verlengen, kosten verhogen en mogelijk time-to-market-vensters missen.
Om dit dilemma op te lossen, kunnen ontwerpers zich wenden tot ontwikkelingsplatforms en evaluatieborden waarin de sensorloze vectorbesturingssoftware al is ingebakken, waardoor ze zich kunnen concentreren op systeemontwerpproblemen en niet vastlopen in de nuances van het coderen van de besturingssoftware. Bovendien bevatten deze ontwikkelomgevingen alle motorcontroller- en energiebeheerhardware geïntegreerd in een compleet systeem, waardoor de time-to-market wordt versneld.
Dit artikel beschrijft in het kort enkele behoeften aan nauwkeurige bewegingscontrole en bespreekt de verschillen tussen geborstelde gelijkstroom, wisselstroominductie, BLDC en PMSM's. Vervolgens vat het de basisprincipes van vectorbesturing samen voordat verschillende platforms en evaluatieborden van Texas Instruments, Infineon Technologies en Renesas Electronics worden geïntroduceerd, samen met ontwerprichtlijnen die de ontwikkeling van nauwkeurige bewegingsbesturingssystemen vergemakkelijken.
Voorbeelden van nauwkeurige motion control-toepassingen
Drones zijn complexe bewegingscontrolesystemen en maken doorgaans gebruik van vier of meer motoren. Nauwkeurige en gecoördineerde bewegingscontrole is nodig om een drone in staat te stellen te zweven, klimmen of dalen.
Figuur 1: Drones gebruiken doorgaans vier of meer motoren, meestal BLDC's of PMSM's, die draaien met een toerental van 12,000 omwentelingen per minuut (RPM) of hoger, en worden aangedreven door een elektronische snelheidsregelaar (ESC). Dit voorbeeld toont een ESC module in een drone met behulp van een borstelloze motor met sensorloze bediening. (Afbeeldingsbron: Texas Instruments)
Om te zweven, moet de netto stuwkracht van de rotoren die de drone omhoog duwen, in evenwicht zijn en precies gelijk zijn aan de zwaartekracht die hem naar beneden trekt. Door de stuwkracht (snelheid) van de rotoren gelijkmatig te verhogen, kan de drone recht omhoog klimmen. Omgekeerd zorgt het verminderen van de rotorstuwkracht ervoor dat de drone afdaalt. Daarnaast is er gieren (de drone laten draaien), pitchen (de drone vooruit of achteruit vliegen) en rollen (de drone naar links of rechts vliegen).
Nauwkeurige en repetitieve bewegingen zijn een van de kenmerken van veel robottoepassingen. Een stationaire meerassige industriële robot moet verschillende hoeveelheden kracht leveren in drie dimensies om objecten met verschillende gewichten te verplaatsen (Figuur 2). Motoren in de robot leveren variabele snelheid en koppel (rotatiekracht) op precieze punten, die de controller van de robot gebruikt om beweging langs verschillende assen te coördineren voor exacte snelheid en positionering.
In het geval van mobiele robots op wielen kan een nauwkeurig differentieel aandrijfsysteem worden gebruikt om zowel de snelheid als de bewegingsrichting te regelen. Twee motoren worden gebruikt om beweging te bieden, samen met een of twee zwenkwiel (en) om de last te balanceren. De twee motoren worden met verschillende snelheden aangedreven om rotatie en richtingsveranderingen te bereiken, terwijl dezelfde snelheid voor beide motoren resulteert in een beweging in een rechte lijn, zowel vooruit als achteruit. Hoewel de motorcontrollers complexer zijn in vergelijking met een conventioneel stuursysteem, is deze benadering nauwkeuriger, mechanisch eenvoudiger en daarom betrouwbaarder.
Motorkeuzes
Eenvoudige gelijkstroommotoren en AC-inductiemotoren zijn relatief goedkoop en eenvoudig te besturen. Ze worden veel gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van stofzuigers tot industriële machines, kranen en liften. Hoewel ze goedkoop en gemakkelijk te besturen zijn, kunnen ze niet de precisie bieden die vereist is voor toepassingen zoals robotica, drones, medische apparaten en industriële precisie-apparatuur.
Een eenvoudige geborstelde gelijkstroommotor genereert koppel door mechanisch de stroomrichting te veranderen in coördinatie met rotatie met behulp van een commutator en borstels. Tekortkomingen van gelijkstroommotoren met borstels zijn onder meer de noodzaak van onderhoud als gevolg van slijtage van de borstels en het genereren van elektrische en mechanische ruis. Een pulsbreedtemodulatie (PWM) -aandrijving kan worden gebruikt om de rotatiesnelheid te regelen, maar nauwkeurige regeling en hoge efficiëntie zijn moeilijk vanwege de inherent mechanische aard van geborstelde gelijkstroommotoren.
Een BLDC elimineert de commutator en borstels van gelijkstroommotoren met borstels, en afhankelijk van hoe de stators zijn gewikkeld, kan het ook een PMSM zijn. De statorspoelen zijn trapeziumvormig gewikkeld in een BLDC-motor en de geproduceerde elektromotorische kracht (EMF) heeft een trapeziumvormige golfvorm, terwijl PMSM-stators sinusoïdaal zijn gewikkeld en een sinusoïdale tegen-EMF (Ebemf) produceren.
Koppel in BLDC- en PMSM-motoren is een functie van huidige en tegen-EMF. BLDC-motoren worden aangedreven met blokgolfstroom, terwijl PMSM-motoren worden aangedreven met sinusvormige stroom.
BLDC-motoreigenschappen:
- Gemakkelijker te regelen met zesstaps blokgolfgelijkstroom
- Produceert een aanzienlijke koppelrimpel
- Zijn lagere kosten en prestaties dan PMSM's
- Kan worden geïmplementeerd met Hall-effectsensoren of met sensorloze besturing
PMSM-kenmerken:
- Meer complexe controle met Drie fase sinusvormige PWM
- Geen koppelrimpel
- Hogere efficiëntie, koppel en kosten dan BLDC
- Kan worden geïmplementeerd met een encoder of met sensorloze besturing
Wat is vectorcontrole?
Vectorbesturing is een regelmethode voor motoraandrijving met variabele frequentie waarbij de statorstromen van een driefasige elektromotor worden geïdentificeerd als twee orthogonale componenten die kunnen worden gevisualiseerd met een vector. De ene component bepaalt de magnetische flux van de motor, de andere het koppel. De kern van het vectorbesturingsalgoritme zijn twee wiskundige transformaties: de Clarke-transformatie wijzigt een driefasensysteem in een tweefasig systeem, terwijl de parktransformatie tweefasige stationaire systeemvectoren omzet in roterende systeemvectoren en hun inverse.
Gebruik van de Clarke en Park transformaties brengt de statorstromen die kunnen worden gecontroleerd in het rotordomein. Hierdoor kan een motorbesturingssysteem de spanningen bepalen die aan de stator moeten worden geleverd om het koppel onder dynamisch veranderende belastingen te maximaliseren.
Krachtige snelheids- en / of positieregeling vereist realtime en nauwkeurige kennis van de positie en snelheid van de rotoras om de fase-excitatiepulsen te synchroniseren met de rotorpositie. Deze informatie wordt doorgaans geleverd door sensoren zoals absolute encoders en magnetische resolvers die aan de as van de motor zijn bevestigd. Deze sensoren hebben verschillende systeemnadelen: lagere betrouwbaarheid, gevoeligheid voor ruis, meer kosten en gewicht, en hogere complexiteit. Sensorloze vectorregeling maakt snelheids- / positiesensoren overbodig.
Krachtige microprocessors en digitale signaalprocessoren (DSP's) maken het mogelijk om moderne en efficiënte besturingstheorie te integreren in geavanceerde systeemmodellering, waardoor een optimaal vermogen en besturingsrendement wordt gegarandeerd voor elk real-time motorsysteem. De verwachting is dat als gevolg van het toenemende rekenvermogen en de afnemende kosten van microprocessors en DSP's, sensorloze besturing vrijwel universeel de sensor vectorbesturing zal verplaatsen, evenals eenvoudige maar slecht presterende scalaire volt-per-hertz met enkele variabele ) controle.
Aansturing van driefasige PMSM- en BLDC-motoren voor industriële en consumentenrobotica
Om de complexiteit van vectorcontrole te omzeilen, kunnen ontwerpers kant-en-klare evaluatieborden gebruiken. De DRV8301-69M-KIT van Texas Instruments is bijvoorbeeld een DIMM100 controlCARD-gebaseerde moederbordevaluatiemodule die ontwerpers kunnen gebruiken om driefasige PMSM/BLDC-motoraandrijfoplossingen te ontwikkelen (Afbeelding 4). Het bevat de DRV8301 driefasige poortdriver met dubbele stroomshuntversterkers en een buck regelaaren een voor InstaSPIN geschikt Piccolo TMS320F28069M microcontroller (MCU) bord.
De DRV8301-69M-KIT is een InstaSPIN-FOC en InstaSPIN-MOTION Texas Instruments technologie-gebaseerde evaluatiekit voor motorbesturing voor het draaien van driefasige PMSM- en BLDC-motoren. Met InstaSPIN stelt de DRV8301-69M-KIT ontwikkelaars in staat snel een driefasige motor te identificeren, automatisch af te stemmen en te besturen, waardoor een “onmiddellijk” stabiel en functioneel motorbesturingssysteem wordt geboden.
Samen met InstaSPIN-technologie biedt de DRV8301-69M-KIT een krachtig, energiezuinig, kosteneffectief FOC-platform zonder sensoren of encodersensor dat de ontwikkeling versnelt voor een snellere time-to-market. Toepassingen zijn onder meer synchrone motoren van sub 60 volt en 40 ampère (A) voor het aandrijven van pompen, poorten, liften en ventilatoren, evenals industriële en consumentenrobotica en automatisering.
De hardwarefuncties van de DRV8301-69M-KIT:
- Een driefasige basisplaat voor omvormers met interface voor DIMM100-controlekaarten
- Een DRV8301 driefasige omvormer geïntegreerde voedingsmodule (met geïntegreerde 1.5 A buck converter) basisbord ondersteunt tot 60 volt en 40 A continu
- De TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC en InstaSPIN-MOTION kaarten
- De mogelijkheid om te werken met MotorWare-ondersteunde TMDXCNCD28054MISO (apart verkrijgbaar) en TMDSCNCD28027F + External Emulator (apart verkrijgbaar)
Krachtige, zeer efficiënte PMSM- en BLDC-motoraandrijvingen
De EVAL-IMM101T van Infineon Technologies is een complete starterkit met een IMM101T Smart IPM (geïntegreerde voedingsmodule) die een volledig geïntegreerde, gebruiksklare, hoogwaardigespanning motoraandrijvingsoplossing die ontwerpers kunnen gebruiken met krachtige, zeer efficiënte PMSM / BLDC-motoren (Figuur 5). De EVAL-IMM101T bevat ook andere noodzakelijke circuits die nodig zijn voor "out-of-the-box" evaluatie van IMM101T Smart IPM's, zoals een gelijkrichter en EMI-filtertrap, evenals een geïsoleerd debugger-gedeelte met USB-aansluiting op een pc.
De EVAL-IMM101T is ontwikkeld om ontwerpers te ondersteunen bij hun eerste stappen bij het ontwikkelen van applicaties met een IMM101T Smart IPM. Het evaluatiebord is uitgerust met alle montagegroepen voor sensorloze FOC. Het bevat een enkelfasige AC-connector, EMI-filter, gelijkrichter en driefasige uitgang voor het aansluiten van de motor. De eindtrap bevat ook een source-shunt voor stroomdetectie en een spanningsdeler voor het meten van de DC-tussenkringspanning.
De IMM101T van Infineon biedt verschillende besturingsconfiguratie-opties voor PMSM / BLDC-aandrijfsystemen in een compact 12 x 12 millimeter (mm) oppervlaktemontagepakket, waardoor het aantal externe componenten en het printplaat (pc-bord) worden geminimaliseerd. Het pakket is thermisch verbeterd zodat het goed kan presteren met of zonder koellichaam. Het pakket heeft een kruipafstand van 1.3 mm tussen de hoogspanningspads onder het pakket om de montage op het oppervlak te vergemakkelijken en de robuustheid van het systeem te vergroten.
De IMM100-serie integreert ofwel een 500 volt FredFET of een 650 volt CoolMOS mosfet. Afhankelijk van het vermogen mosfets gebruikt in het pakket, dekt de IMM100-serie toepassingen met een nominaal uitgangsvermogen van 25 watt (W) tot 80 W met een maximale gelijkspanning van 500 volt / 600 volt. In de 600 volt-versies heeft de Power MOS-technologie een vermogen van 650 volt, terwijl de gate-driver een vermogen van 600 volt heeft, wat de maximaal toegestane gelijkspanning van het systeem bepaalt.
24 volt motorbesturingssysteem
Ontwerpers van 24 volt PMSM / BLDC-motoraandrijvingen kunnen terecht bij Renesas 'RTK0EM0006S01212BJ-evaluatiesysteem voor motorbesturing voor de RX23T-microcontrollers (Figuur 6). De RX23T-apparaten zijn 32-bits microcontrollers die geschikt zijn voor besturing van een enkele inverter met een ingebouwde drijvende-komma-eenheid (FPU) waarmee ze kunnen worden gebruikt om complexe besturingsalgoritmen van de inverter te verwerken. Dit helpt om de manuren die nodig zijn voor softwareontwikkeling en -onderhoud aanzienlijk te verminderen.
Bovendien bedraagt het stroomverbruik in de software-stand-bymodus (met RAM-behoud) dankzij de kern slechts 0.45 microampère (μA). RX23T-microcontrollers werken over een bereik van 2.7 tot 5.5 volt en zijn zeer compatibel met de RX62T-lijn op het gebied van pinopstelling en software. De kit bevat:
- 24 volt omvormerbord
- PMSM-controlefunctie
- Stroomdetectiefunctie met drie shunts
- Overstroombeveiligingsfunctie
- CPU-kaart voor RX23T-microcontroller
- USB mini B-kabel
- PMSM
Conclusie
BLDC en PMSM's kunnen worden gebruikt om nauwkeurige motion control-oplossingen te leveren die compact en zeer efficiënt zijn. Het gebruik van sensorloze vectorbesturing met BLDC- en PMS-motoren voegt het voordeel toe dat de sensorhardware wordt geëlimineerd, waardoor de kosten worden verlaagd en de betrouwbaarheid wordt verbeterd. Sensorloze vectorregeling in deze toepassingen kan echter een complex en tijdrovend proces zijn.
Zoals getoond, kunnen ontwerpers zich wenden tot ontwikkelingsplatforms en evaluatieborden die worden geleverd met sensorloze vectorbesturingssoftware. Bovendien omvatten deze ontwikkelomgevingen alle motorcontroller- en energiebeheerhardware geïntegreerd in een compleet systeem, waardoor de time-to-market wordt versneld.