Robotik, drone, tıbbi cihazlar ve endüstriyel sistemler gibi uygulamalarda hassas hareket kontrolüne olan ihtiyaç artıyor. Fırçasız DC motorlar (BLDC'ler) ve AC tahrikli sabit mıknatıslı senkron motorlar (PMSM'ler), gerekli hassasiyeti sağlarken aynı zamanda kompakt bir form faktöründe yüksek verimlilik ihtiyacını karşılayabilir. Bununla birlikte, bağlanması ve çalıştırılması kolay olan fırçalı DC motorlar ve AC endüksiyon motorlarının aksine, BLDC'ler ve PMSM'ler çok daha karmaşıktır.
Örneğin, özellikle sensörsüz vektör kontrolü (aynı zamanda alan odaklı kontrol veya FOC olarak da bilinir) gibi teknikler, mükemmel verimliliğin yanı sıra, algılayıcı donanım, böylece maliyetleri azaltır ve güvenilirliği artırır. Tasarımcılar için sorun, sensörsüz vektör kontrolünün uygulanmasının karmaşık olması, bu nedenle kullanımının geliştirme sürelerini uzatabilmesi, maliyeti artırabilmesi ve muhtemelen pazara sunma süresini kaçırabilmesidir.
Bu ikilemi çözmek için tasarımcılar, sensörsüz vektör kontrol yazılımının halihazırda hazır olduğu geliştirme platformlarına ve değerlendirme kurullarına başvurabilir; böylece sistem tasarımı sorunlarına odaklanılabilir ve kontrol yazılımının kodlanmasındaki ince ayrıntılara takılıp kalınmaz. Ayrıca bu geliştirme ortamları, tüm motor kontrolörü ve güç yönetimi donanımını eksiksiz bir sisteme entegre ederek pazara sunma süresini hızlandırır.
Bu makalede, hassas hareket kontrolüne yönelik bazı ihtiyaçlar kısaca açıklanmakta ve fırçalanmış DC, AC endüksiyonu, BLDC ve PMSM'ler arasındaki farklar gözden geçirilmektedir. Daha sonra, Texas Instruments, Infineon Technologies ve Renesas Electronics'ten çeşitli platformlar ve değerlendirme panolarının yanı sıra hassas hareket kontrol sistemlerinin geliştirilmesini kolaylaştıran tasarım rehberliği tanıtılmadan önce vektör kontrolünün temelleri özetlenmektedir.
Hassas hareket kontrolü uygulamalarına örnekler
Drone'lar karmaşık hareket kontrol sistemleridir ve genellikle dört veya daha fazla motor kullanır. Bir drone'un havada asılı kalmasını, tırmanmasını veya alçalmasını sağlamak için hassas ve koordineli hareket kontrolü gereklidir.
Şekil 1: Drone'lar tipik olarak dakikada 12,000 devir (RPM) veya daha yüksek hızda dönen, tipik olarak BLDC'ler veya PMSM'ler olmak üzere dört veya daha fazla motor kullanır ve bir elektronik hız kontrol cihazı (ESC) tarafından çalıştırılır. Bu örnekte bir ESC gösterilmektedir modül sensörsüz kontrole sahip fırçasız bir motor kullanan bir drone'da. (Resim kaynağı: Texas Instruments)
Havada asılı kalabilmek için, drone'u yukarı iten rotorların net itme kuvvetinin dengeli olması ve onu aşağı çeken yerçekimi kuvvetine tam olarak eşit olması gerekir. Rotorların itme kuvvetinin (hızının) eşit şekilde arttırılmasıyla drone düz bir şekilde yukarı tırmanabilir. Tersine, rotor itme kuvvetinin azaltılması drone'un alçalmasına neden olur. Ek olarak, yalpalama (drone'u döndürmek), pitch (drone'u ileri veya geri uçurmak) ve roll (drone'u sola veya sağa uçurmak) vardır.
Hassas ve tekrarlayan hareket, birçok robotik uygulamasının özelliklerinden biridir. Sabit çok eksenli bir endüstriyel robotun, değişen ağırlıktaki nesneleri hareket ettirebilmesi için üç boyutlu olarak farklı miktarlarda kuvvet uygulaması gerekir (Şekil 2). Robotun içindeki motorlar, hassas noktalarda değişken hız ve tork (dönme kuvveti) sağlar; robotun kontrolörü, tam hız ve konumlandırma için farklı eksenler boyunca hareketi koordine etmek için bunları kullanır.
Tekerlekli mobil robotlarda, hem hızı hem de hareket yönünü kontrol etmek için hassas bir diferansiyel tahrik sistemi kullanılabilir. Yükü dengelemek için bir veya iki tekerlekle birlikte hareket sağlamak için iki motor kullanılır. İki motor, dönüş ve yön değişikliklerini sağlamak için farklı hızlarda çalıştırılırken, her iki motor için aynı hız, ileri veya geri düz bir çizgi hareketi sağlar. Motor kontrolörleri geleneksel direksiyon sistemiyle karşılaştırıldığında daha karmaşık olsa da bu yaklaşım daha hassastır, mekanik olarak daha basittir ve dolayısıyla daha güvenilirdir.
Motor seçenekleri
Temel DC motorlar ve AC endüksiyon motorları nispeten ucuzdur ve çalıştırılması kolaydır. Elektrikli süpürgelerden endüstriyel makinelere, vinçlere ve asansörlere kadar geniş bir uygulama yelpazesinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Ancak ucuz ve sürülmeleri kolay olmalarına rağmen robotik, drone, tıbbi cihazlar ve hassas endüstriyel ekipmanlar gibi uygulamaların gerektirdiği hassas çalışmayı sağlayamamaktadırlar.
Basit bir fırçalanmış DC motor, bir komütatör ve fırçalar kullanılarak akımın yönünü dönüşle koordineli olarak mekanik olarak değiştirerek tork üretir. Fırçalı DC motorların eksiklikleri arasında fırçaların aşınması ve elektriksel ve mekanik gürültü oluşması nedeniyle bakım ihtiyacı bulunmaktadır. Dönüş hızını kontrol etmek için darbe genişlik modülasyonlu (PWM) bir sürücü kullanılabilir, ancak fırçalanmış DC motorların doğası gereği mekanik doğasından dolayı hassas kontrol ve yüksek verimlilik zordur.
BLDC, fırçalı DC motorların komütatörünü ve fırçalarını ortadan kaldırır ve statörlerin nasıl sarıldığına bağlı olarak bir PMSM de olabilir. Bir BLDC motorda stator bobinleri trapez şeklinde sarılır ve üretilen arka elektromotor kuvveti (EMF) trapezoidal dalga formuna sahipken, PMSM statorları sinüzoidal olarak sarılır ve sinüzoidal bir arka EMF (Ebemf) üretir.
BLDC ve PMSM motorlarındaki tork, akımın ve geri EMF'nin bir fonksiyonudur. BLDC motorlar kare dalga akımıyla, PMSM motorları ise sinüzoidal akımla sürülür.
BLDC motor özellikleri:
- Altı adımlı kare dalga DC akımlarıyla kontrolü daha kolay
- Önemli tork dalgalanması üretir
- PMSM'lerden daha düşük maliyet ve performansa sahiptir
- Hall etkili sensörlerle veya sensörsüz kontrolle uygulanabilir
PMSM'nin özellikleri:
- kullanarak daha karmaşık kontrol Üç faz sinüzoidal PWM
- Tork dalgalanması yok
- BLDC'den daha yüksek verimlilik, tork ve maliyet
- Şaft kodlayıcı veya sensörsüz kontrol ile uygulanabilir
Vektör kontrolü nedir?
Vektör kontrolü, üç fazlı bir elektrik motorunun stator akımlarının bir vektörle görselleştirilebilen iki dik bileşen olarak tanımlandığı değişken frekanslı bir motor sürücü kontrol yöntemidir. Bileşenlerden biri motorun manyetik akısını, diğeri ise torku tanımlar. Vektör kontrol algoritmasının temelinde iki matematiksel dönüşüm bulunur: Clarke dönüşümü üç fazlı bir sistemi iki koordinatlı bir sisteme dönüştürürken Park dönüşümü iki fazlı sabit sistem vektörlerini dönen sistem vektörlerine ve bunların tersine dönüştürür.
Clarke ve Park dönüşümlerinin kullanımı, kontrol edilebilen stator akımlarını rotor alanına getirir. Bunu yapmak, motor kontrol sisteminin, dinamik olarak değişen yükler altında torku maksimuma çıkarmak için statora sağlanması gereken voltajları belirlemesine olanak tanır.
Yüksek performanslı hız ve/veya konum kontrolü, faz uyarma darbelerini rotor konumuyla senkronize etmek için rotor mili konumu ve hızına ilişkin gerçek zamanlı ve hassas bilgi gerektirir. Bu bilgi tipik olarak motorun şaftına takılı mutlak kodlayıcılar ve manyetik çözücüler gibi sensörler tarafından sağlanır. Bu sensörlerin çeşitli sistem dezavantajları vardır: daha düşük güvenilirlik, gürültüye karşı duyarlılık, daha fazla maliyet ve ağırlık ve daha yüksek karmaşıklık. Sensörsüz vektör kontrolü, hız/konum sensörlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır.
Yüksek performanslı mikroişlemciler ve dijital sinyal işlemcileri (DSP'ler), modern ve verimli kontrol teorisinin gelişmiş sistem modellemesinde somutlaştırılmasına olanak tanıyarak herhangi bir gerçek zamanlı motor sistemi için optimum güç ve kontrol verimliliği sağlar. Mikroişlemcilerin ve DSP'lerin artan hesaplama gücü ve azalan maliyetlerinin bir sonucu olarak, sensörsüz kontrolün neredeyse evrensel olarak sensörlü vektör kontrolünün yanı sıra basit ancak daha düşük performanslı tek değişkenli hertz başına skaler volt (V/f) yerini alması bekleniyor. ) kontrol.
Endüstriyel ve tüketici robotiği için üç fazlı PMSM ve BLDC motorların çalıştırılması
Vektör kontrolünün karmaşıklığını aşmak için tasarımcılar hazır değerlendirme panolarını kullanabilirler. Örneğin, Texas Instruments'ın DRV8301-69M-KIT'i, tasarımcıların üç fazlı PMSM/BLDC motor sürücüsü çözümleri geliştirmek için kullanabileceği DIMM100 controlCARD tabanlı anakart değerlendirme modülüdür (Şekil 4). Çift akım şönt amplifikatörleri ve bir kova ile DRV8301 üç fazlı kapı sürücüsünü içerir regülatörve InstaSPIN özellikli Piccolo TMS320F28069M mikrodenetleyici (MCU) kartı.
DRV8301-69M-KIT bir InstaSPIN-FOC ve InstaSPIN-MOTION Texas Instruments'tır teknolojiÜç fazlı PMSM ve BLDC motorların döndürülmesi için tabanlı motor kontrol değerlendirme kiti. InstaSPIN ile DRV8301-69M-KIT, geliştiricilerin üç fazlı bir motoru hızlı bir şekilde tanımlamasına, otomatik olarak ayarlamasına ve kontrol etmesine olanak tanıyarak "anında" kararlı ve işlevsel bir motor kontrol sistemi sağlar.
DRV8301-69M-KIT, InstaSPIN teknolojisiyle birlikte yüksek performanslı, güç açısından verimli, uygun maliyetli, sensörsüz veya kodlayıcı sensör özellikli bir FOC platformu sağlar ve pazara daha hızlı sürüm için geliştirmeyi hızlandırır. Uygulamalar arasında pompaları, kapıları, asansörleri ve fanları çalıştırmaya yönelik 60 volt altı ve 40 amper (A) senkron motorların yanı sıra endüstriyel ve tüketici robotları ve otomasyonu da yer alır.
DRV8301-69M-KIT donanım özellikleri:
- DIMM100 controlCARD'ları kabul edecek arayüze sahip üç fazlı invertör süpürgelik
- 8301 volta ve 1.5 A'ya kadar sürekli desteği destekleyen bir DRV60 üç fazlı invertör entegre güç modülü (entegre 40 A Buck dönüştürücü ile) temel kartı
- TMDSNCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC ve InstaSPIN-MOTION kartları
- MotorWare destekli TMDXCNCD28054MISO (ayrı satılır) ve TMDSCNCD28027F+ Harici Emülatör (ayrı satılır) ile çalışma yeteneği
Yüksek performanslı, yüksek verimli PMSM ve BLDC motor sürücüleri
Infineon Technologies'in EVAL-IMM101T'si, tam entegre, anahtar teslimi, yüksek performans sağlayan bir IMM101T Akıllı IPM (entegre güç modülü) içeren tam özellikli bir başlangıç kitidir.Voltaj tasarımcıların yüksek performanslı, yüksek verimli PMSM/BLDC motorlarla kullanabileceği motor sürücü çözümü (Şekil 5). EVAL-IMM101T aynı zamanda IMM101T Akıllı IPM'lerin "kullanıma hazır" değerlendirilmesi için gerekli olan bir doğrultucu ve EMI filtre aşamasının yanı sıra bir PC'ye USB bağlantısıyla yalıtılmış bir hata ayıklayıcı bölümü gibi diğer gerekli devreleri de içerir.
EVAL-IMM101T, tasarımcılara IMM101T Akıllı IPM ile uygulama geliştirmenin ilk adımlarında destek olmak üzere geliştirildi. Değerlendirme panosu sensörsüz FOC için tüm montaj grupları ile donatılmıştır. Motoru bağlamak için tek fazlı bir AC konektörü, EMI filtresi, doğrultucu ve üç fazlı çıkış içerir. Güç aşamasında ayrıca akım algılama için kaynak şöntü ve DC hat voltajı ölçümü için bir voltaj bölücü bulunur.
Infineon'un IMM101T'si, kompakt 12 x 12 milimetre (mm) yüzeye montaj paketinde PMSM/BLDC sürücü sistemleri için farklı kontrol yapılandırma seçenekleri sunarak harici bileşen sayısını ve baskılı devre kartı (PC kartı) alanını en aza indirir. Paket, soğutucuyla veya soğutucu olmadan iyi performans gösterebilecek şekilde termal olarak iyileştirilmiştir. Paket, yüzeye montajı kolaylaştırmak ve sistemin sağlamlığını artırmak için paketin altındaki yüksek voltaj pedleri arasında 1.3 mm'lik bir kaçak mesafesine sahiptir.
IMM100 serisi, 500 volt FredFET veya 650 volt CoolMOS'u entegre eder mosfet. Gücüne bağlı olarak mosfetler Pakette kullanılan IMM100 serisi, 25 volt/80 volt maksimum DC voltajıyla 500 watt (W) ila 600 W arası nominal çıkış gücüne sahip uygulamaları kapsar. 600 volt versiyonlarında, Power MOS teknolojisi 650 volt olarak derecelendirilmiştir, kapı sürücüsü ise sistemin izin verilen maksimum DC voltajını belirleyen 600 volt olarak derecelendirilmiştir.
24 volt motor kontrol değerlendirme sistemi
24 volt PMSM/BLDC motor sürücülerinin tasarımcıları, RX0T mikrokontrolörleri için Renesas'ın RTK0006EM01212S23BJ motor kontrol değerlendirme sistemine başvurabilirler (Şekil 6). RX23T cihazları, karmaşık invertör kontrol algoritmalarını işlemek için kullanılmalarına olanak tanıyan yerleşik kayan nokta ünitesine (FPU) sahip, tek invertör kontrolüne uygun 32 bit mikro denetleyicilerdir. Bu, yazılım geliştirme ve bakımı için gereken çalışma saatlerinin büyük ölçüde azaltılmasına yardımcı olur.
Ayrıca çekirdek nedeniyle yazılım bekleme modunda (RAM tutma ile) tüketilen akım yalnızca 0.45 mikroamperdir (μA). RX23T mikrokontrolörleri 2.7 ila 5.5 volt aralığında çalışır ve pin düzenlemesi ve yazılım düzeyinde RX62T serisiyle son derece uyumludur. Kit şunları içerir:
- 24 volt invertör panosu
- PMSM kontrol fonksiyonu
- Üç şönt akım algılama fonksiyonu
- Aşırı akım koruma fonksiyonu
- RX23T mikrodenetleyici için CPU kartı
- USB mini B kablosu
- PMSM'nin
Sonuç
BLDC ve PMSM'ler, kompakt ve yüksek verimli, hassas hareket kontrol çözümleri sunmak için kullanılabilir. BLDC ve PMS motorlarıyla sensörsüz vektör kontrolünün kullanılması, sensör donanımını ortadan kaldırma avantajını ekleyerek maliyetleri azaltır ve güvenilirliği artırır. Ancak bu uygulamalardaki sensörsüz vektör kontrolü karmaşık ve zaman alıcı bir süreç olabilir.
Gösterildiği gibi tasarımcılar, sensörsüz vektör kontrol yazılımıyla birlikte gelen geliştirme platformlarına ve değerlendirme panolarına başvurabilirler. Ayrıca bu geliştirme ortamları, tüm motor kontrolörü ve güç yönetimi donanımını eksiksiz bir sisteme entegre ederek pazara sunma süresini hızlandırır.