Потребность в точном управлении движением растет в таких приложениях, как робототехника, дроны, медицинские устройства и промышленные системы. Бесщеточный Двигатели постоянного тока (BLDC) и синхронные двигатели с постоянными магнитами переменного тока (PMSM) могут обеспечить требуемую точность, а также удовлетворить потребность в высокой эффективности в компактном форм-факторе. Однако в отличие от коллекторных двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей переменного тока, которые легко подключать и эксплуатировать, BLDC и PMSM гораздо сложнее.
Например, такие методы, как бессенсорное векторное управление (также называемое полевым управлением или FOC), в частности, предлагают отличную эффективность вместе с преимуществом устранения датчик аппаратное обеспечение, тем самым снижая затраты и повышая надежность. Проблема для дизайнеров заключается в том, что бессенсорное векторное управление сложно реализовать, поэтому его использование может увеличить время разработки, увеличить стоимость и, возможно, упустить время выхода на рынок.
Чтобы решить эту дилемму, дизайнеры могут обратиться к платформам разработки и оценочным платам, в которые уже встроено бессенсорное программное обеспечение для векторного управления, что позволяет им сосредоточиться на проблемах проектирования системы и не увязнуть в нюансах программирования управляющего программного обеспечения. Кроме того, эти среды разработки включают в себя все контроллеры мотора и аппаратные средства управления питанием, интегрированные в полную систему, что ускоряет выход на рынок.
В этой статье кратко описаны некоторые потребности в точном управлении движением и рассмотрены различия между щеточными модулями постоянного тока, индукцией переменного тока, BLDC и PMSM. Затем в нем кратко излагаются основы векторного управления перед тем, как представить несколько платформ и оценочных плат от Texas Instruments, Infineon Technologies и Renesas Electronics, а также руководство по проектированию, которое облегчает разработку систем точного управления движением.
Примеры приложений для точного управления движением
Дроны представляют собой сложные системы управления движением и обычно используют четыре или более двигателей. Точное и скоординированное управление движением необходимо для того, чтобы дрон мог зависать, подниматься или опускаться.
Рисунок 1. Дроны обычно используют четыре или более двигателей, обычно BLDC или PMSM, вращающихся со скоростью 12,000 XNUMX оборотов в минуту (об/мин) или выше, и приводятся в движение электронным регулятором скорости (ESC). В этом примере показан ESC модуль в дроне используется бесщеточный двигатель с бездатчиковым управлением. (Источник изображения: Texas Instruments)
Чтобы парить, чистая тяга роторов, толкающих дрон, должна быть сбалансирована и точно равна гравитационной силе, тянущей его вниз. Равномерно увеличивая тягу (скорость) роторов, дрон может подниматься прямо вверх. И наоборот, уменьшение тяги несущего винта заставляет дрон снижаться. Кроме того, есть рыскание (вращение дрона), тангаж (полет дрона вперед или назад) и крен (полет дрона влево или вправо).
Точное и повторяющееся движение - одна из особенностей многих приложений робототехники. Стационарный многоосевой промышленный робот должен передавать разное количество силы в трех измерениях, чтобы перемещать объекты разного веса (рис. 2). Двигатели внутри робота обеспечивают переменную скорость и крутящий момент (вращательное усилие) в точных точках, которые контроллер робота использует для координации движения по разным осям для точной скорости и позиционирования.
В случае колесных мобильных роботов можно использовать прецизионную систему дифференциального привода для управления скоростью и направлением движения. Два двигателя используются для обеспечения движения вместе с одним или двумя роликами для балансировки нагрузки. Два двигателя приводятся в действие с разными скоростями для достижения вращения и изменения направления, в то время как одинаковая скорость для обоих двигателей приводит к прямолинейному движению вперед или назад. Хотя контроллеры двигателей более сложны по сравнению с обычной системой рулевого управления, этот подход более точен, механически проще и, следовательно, более надежен.
Выбор двигателя
Базовые двигатели постоянного тока и асинхронные двигатели переменного тока относительно недороги и просты в управлении. Они широко используются в самых разных областях, от пылесосов до промышленного оборудования, кранов и лифтов. Однако, хотя они недороги и просты в управлении, они не могут обеспечить точность работы, необходимую для таких приложений, как робототехника, дроны, медицинские устройства и прецизионное промышленное оборудование.
Простой щеточный двигатель постоянного тока генерирует крутящий момент путем механического переключения направления тока в координации с вращением с помощью коммутатора и щеток. К недостаткам щеточных двигателей постоянного тока относится необходимость технического обслуживания из-за износа щеток и генерации электрических и механических шумов. Привод с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) может использоваться для управления скоростью вращения, но точное управление и высокая эффективность затруднены из-за механической природы щеточных двигателей постоянного тока.
В BLDC отсутствуют коллектор и щетки коллекторных двигателей постоянного тока, и в зависимости от того, как намотаны статоры, это также может быть PMSM. В двигателе BLDC катушки статора намотаны трапециевидно, а создаваемая обратная электродвижущая сила (ЭДС) имеет форму трапециевидной формы, в то время как статоры PMSM намотаны синусоидально и создают синусоидальную обратную ЭДС (Ebemf).
Крутящий момент в двигателях BLDC и PMSM является функцией тока и противо-ЭДС. Двигатели BLDC приводятся в действие прямоугольным током, а двигатели PMSM - синусоидальным током.
Характеристики двигателя BLDC:
- Легче управлять с помощью шестиступенчатого прямоугольного постоянного тока
- Создает значительную пульсацию крутящего момента
- Имеют более низкую стоимость и производительность, чем PMSM.
- Может быть реализован с датчиками Холла или с бездатчиковым управлением
Возможности PMSM:
- Более сложное управление с помощью Трехфазный синусоидальный ШИМ
- Нет пульсации крутящего момента
- Более высокий КПД, крутящий момент и стоимость, чем у BLDC
- Может быть реализован с датчиком положения вала или с управлением без датчика.
Что такое векторное управление?
Векторное управление - это метод управления приводом двигателя с регулируемой частотой, в котором токи статора трехфазного электродвигателя идентифицируются как две ортогональные составляющие, которые можно визуализировать с помощью вектора. Один компонент определяет магнитный поток двигателя, другой - крутящий момент. В основе алгоритма векторного управления лежат два математических преобразования: преобразование Кларка изменяет трехфазную систему на двухкоординатную систему, в то время как преобразование Парка преобразует двухфазные векторы стационарной системы в векторы вращающейся системы и их обратные.
Использование преобразований Кларка и Парка переносит токи статора, которыми можно управлять, в область ротора. Это позволяет системе управления двигателем определять напряжения, которые должны подаваться на статор, чтобы максимизировать крутящий момент при динамически изменяющихся нагрузках.
Высокопроизводительное управление скоростью и / или положением требует точного и точного знания положения и скорости вала ротора, чтобы синхронизировать импульсы фазового возбуждения с положением ротора. Эта информация обычно предоставляется датчиками, такими как абсолютные энкодеры и магнитные резольверы, прикрепленными к валу двигателя. У этих датчиков есть несколько системных недостатков: более низкая надежность, восприимчивость к шуму, большая стоимость и вес, а также более высокая сложность. Бессенсорное векторное управление устраняет необходимость в датчиках скорости / положения.
Высокопроизводительные микропроцессоры и процессоры цифровых сигналов (DSP) позволяют воплотить современную и эффективную теорию управления в передовое системное моделирование, обеспечивая оптимальную мощность и эффективность управления для любой системы двигателя в реальном времени. Ожидается, что в результате увеличения вычислительной мощности и снижения стоимости микропроцессоров и цифровых сигнальных процессоров бессенсорное управление почти повсеместно вытеснит сенсорное векторное управление, а также простое, но менее производительное скалярное значение одной переменной вольт-на-герц (V / f ) контроль.
Привод трехфазных двигателей PMSM и BLDC для промышленной и бытовой робототехники
Чтобы обойти сложности векторного управления, проектировщики могут использовать готовые оценочные платы. Например, DRV8301-69M-KIT от Texas Instruments представляет собой оценочный модуль материнской платы на базе DIMM100 controlCARD, который разработчики могут использовать для разработки решений для трехфазных двигателей PMSM/BLDC (рис. 4). Он включает в себя трехфазный драйвер затвора DRV8301 с двойными шунтирующими усилителями и понижающим преобразователем. регулятори плату микроконтроллера (MCU) Piccolo TMS320F28069M с поддержкой InstaSPIN.
DRV8301-69M-KIT — это InstaSPIN-FOC и InstaSPIN-MOTION Texas Instruments. technologyОценочный комплект управления двигателем для вращающихся трехфазных двигателей PMSM и BLDC. С помощью InstaSPIN DRV8301-69M-KIT позволяет разработчикам быстро идентифицировать, автоматически настраивать и управлять трехфазным двигателем, обеспечивая «мгновенно» стабильную и функциональную систему управления двигателем.
Вместе с технологией InstaSPIN DRV8301-69M-KIT представляет собой высокопроизводительную, энергоэффективную, экономичную платформу FOC без датчика или датчика с датчиком, которая ускоряет разработку и ускоряет вывод на рынок. Применения включают синхронные двигатели напряжением менее 60 вольт и 40 ампер (A) для привода насосов, ворот, лифтов и вентиляторов, а также в промышленной и бытовой робототехнике и автоматизации.
Характеристики оборудования DRV8301-69M-KIT:
- Базовая плата с трехфазным инвертором с интерфейсом для приема управляющих карт DIMM100.
- Базовая плата интегрированного силового модуля с трехфазным инвертором DRV8301 (со встроенным понижающим преобразователем на 1.5 А), поддерживающая до 60 В и 40 А.
- Карты TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC и InstaSPIN-MOTION
- Возможность работы с MotorWare поддерживает TMDXCNCD28054MISO (продается отдельно) и внешний эмулятор TMDSCNCD28027F + (продается отдельно)
Высокопроизводительные и высокоэффективные моторные приводы PMSM и BLDC
EVAL-IMM101T от Infineon Technologies - это полнофункциональный стартовый комплект, который включает в себя IMM101T Smart IPM (встроенный силовой модуль), который обеспечивает полностью интегрированный, готовый к работе, высокопроизводительныйнапряжение Решение для моторного привода, которое разработчики могут использовать с высокопроизводительными и высокоэффективными двигателями PMSM / BLDC (рис. 5). EVAL-IMM101T также включает в себя другие необходимые схемы, необходимые для «готовой» оценки интеллектуальных IPM IMM101T, такие как выпрямитель и каскад фильтра электромагнитных помех, а также изолированную секцию отладчика с USB-подключением к ПК.
EVAL-IMM101T был разработан для поддержки дизайнеров на первых этапах разработки приложений с помощью IMM101T Smart IPM. Плата eval оснащена всеми монтажными группами для бессенсорных ВОК. Он содержит разъем однофазного переменного тока, фильтр электромагнитных помех, выпрямитель и трехфазный выход для подключения двигателя. Силовой каскад также содержит шунт истока для измерения тока и делитель напряжения для измерения напряжения промежуточного контура.
Infineon IMM101T предлагает различные варианты конфигурации управления для приводных систем PMSM / BLDC в компактном корпусе размером 12 x 12 миллиметров (мм) для поверхностного монтажа, сводя к минимуму количество внешних компонентов и площадь печатной платы (печатной платы). Корпус термически усилен, поэтому он может хорошо работать с радиатором или без него. В корпусе предусмотрена длина пути утечки 1.3 мм между высоковольтными площадками под корпусом, что упрощает монтаж на поверхность и повышает надежность системы.
Серия IMM100 включает в себя полевой транзистор FredFET на 500 вольт или CoolMOS на 650 вольт. MOSFET. В зависимости от мощности МОП-транзисторы Серия IMM100, используемая в пакете, предназначена для приложений с номинальной выходной мощностью от 25 Вт (Вт) до 80 Вт с максимальным напряжением постоянного тока 500/600 вольт. В версиях на 600 вольт технология Power MOS рассчитана на 650 вольт, а драйвер затвора рассчитан на 600 вольт, что определяет максимально допустимое постоянное напряжение системы.
Система оценки управления двигателем 24 В
Разработчики приводов двигателей PMSM / BLDC на 24 В могут обратиться к системе оценки управления двигателями Renesas RTK0EM0006S01212BJ для микроконтроллеров RX23T (рис. 6). Устройства RX23T представляют собой 32-разрядные микроконтроллеры, подходящие для управления одним инвертором со встроенным блоком с плавающей запятой (FPU), который позволяет использовать их для обработки сложных алгоритмов управления инвертором. Это помогает значительно сократить количество человеко-часов, необходимых для разработки и обслуживания программного обеспечения.
Кроме того, за счет ядра потребляемый ток в программном режиме ожидания (с сохранением ОЗУ) составляет всего 0.45 микроампер (мкА). Микроконтроллеры RX23T работают в диапазоне от 2.7 до 5.5 В и полностью совместимы с линейкой RX62T на расположении выводов и программном уровне. В комплект входит:
- Плата инвертора 24 вольт
- Функция управления PMSM
- Функция определения тока с тремя шунтами
- Функция защиты от перегрузки по току
- Плата процессора для микроконтроллера RX23T
- Кабель USB mini B
- ПМСМ
Заключение
Модули BLDC и PMSM могут использоваться для предоставления решений точного управления движением, которые являются компактными и высокоэффективными. Использование бессенсорного векторного управления с двигателями BLDC и PMS добавляет преимущество, заключающееся в отсутствии сенсорного оборудования, тем самым снижая затраты и повышая надежность. Однако бессенсорное векторное управление в этих приложениях может быть сложным и трудоемким процессом.
Как показано, дизайнеры могут обратиться к платформам разработки и оценочным платам, которые поставляются с программным обеспечением бессенсорного векторного управления. Кроме того, эти среды разработки включают в себя все контроллеры мотора и аппаратные средства управления питанием, интегрированные в полную систему, что ускоряет выход на рынок.