Bài viết này giới thiệu ba phương pháp có thể tăng tốc độ thiết kế hệ thống động cơ BLDC đồng thời cung cấp các giải pháp tiết kiệm năng lượng thông minh hơn và nhỏ gọn hơn.
Thế giới đang nỗ lực giảm mức tiêu thụ điện năng và động lực ngày càng mạnh mẽ hơn. Nhiều quốc gia/khu vực yêu cầu các thiết bị gia dụng (như trong Hình 1) phải đáp ứng các tiêu chuẩn về hiệu quả do các tổ chức liên quan như Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Trung Quốc (CNIS), Ngôi sao Năng lượng Hoa Kỳ và Thiên thần Xanh của Đức đặt ra.
Để đáp ứng các tiêu chuẩn này, ngày càng nhiều nhà thiết kế hệ thống đã từ bỏ động cơ cảm ứng xoay chiều một pha đơn giản và dễ sử dụng trong thiết kế của mình mà thay vào đó sử dụng động cơ cảm ứng xoay chiều một pha tiết kiệm năng lượng hơn.Vôn Động cơ DC không chổi than (BLDC). Để đạt được tuổi thọ dài hơn và độ ồn khi vận hành thấp hơn, các nhà thiết kế thiết bị gia dụng nhỏ như robot quét nhà cũng đã chuyển sang sử dụng động cơ BLDC tiên tiến hơn trong nhiều hệ thống của họ. Đồng thời, sự tiến bộ của nam châm vĩnh cửu công nghệ đang liên tục đơn giản hóa việc sản xuất động cơ BLDC, giảm kích thước hệ thống trong khi vẫn cung cấp cùng một mô-men xoắn (tải), điều này cũng có thể cải thiện hiệu suất và giảm tiếng ồn của hệ thống.
Hình 1: Các thiết bị gia dụng phổ biến
Thiết kế hệ thống sử dụng động cơ BLDC là một thách thức vì phần cứng phức tạp và thiết kế phần mềm được tối ưu hóa thường được yêu cầu để cung cấp khả năng điều khiển thời gian thực đáng tin cậy. Một tùy chọn để tăng tốc chu kỳ thiết kế là sử dụng các mô-đun động cơ BLDC được cung cấp bởi các nhà cung cấp chuyên nghiệp, nhưng các mô-đun này không được tối ưu hóa cho nhu cầu của một hệ thống cụ thể.
Do đó, để xây dựng một hệ thống hiệu suất cao được tối ưu hóa nhằm đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể, vẫn cần có sự hiểu biết sâu sắc về thiết kế và điều khiển động cơ, ngay cả khi sử dụng các mô-đun. Trong bài viết này, tôi sẽ giới thiệu ba phương pháp có thể tăng tốc độ thiết kế hệ thống động cơ BLDC đồng thời cung cấp các giải pháp tiết kiệm năng lượng thông minh hơn và nhỏ gọn hơn.
Phương pháp 1: Không cần lập trình điều khiển không cảm biến
Trình điều khiển động cơ không cần lập trình bao gồm một thuật toán chuyển mạch điều khiển được tích hợp sẵn, do đó không cần phát triển, bảo trì và chứng nhận phần mềm điều khiển động cơ. Các trình điều khiển động cơ này thường nhận được phản hồi từ động cơ (chẳng hạn như tín hiệu Hall hoặc tín hiệu điện áp và dòng điện pha động cơ), tính toán các phương trình điều khiển phức tạp trong thời gian thực để xác định trạng thái truyền động tiếp theo của động cơ và là trình điều khiển cổng hoặc oxit kim loại Semiconductor bóng bán dẫn hiệu ứng trường ( mosfet) và các thành phần đầu cuối tương tự khác cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung (như trong Hình 2).
Hình 2: Hệ thống động cơ BLDC không cảm biến điển hình
Khi sử dụng trình điều khiển động cơ có tích hợp chức năng điều khiển không cần cảm biến (chẳng hạn như trình điều khiển động cơ MCF8316A với chức năng Điều khiển hướng trường (FOC)) để điều khiển thời gian thực, không cần hiệu ứng Hall cảm biến trong động cơ, có thể cải thiện độ tin cậy của hệ thống và giảm tổng chi phí hệ thống. Trình điều khiển động cơ không cần lập trình cũng có thể quản lý các chức năng quan trọng (chẳng hạn như phát hiện lỗi động cơ) và thực hiện các cơ chế bảo vệ để làm cho thiết kế hệ thống tổng thể trở nên đáng tin cậy hơn.
Các thiết bị này có thể đi kèm với các thuật toán điều khiển được chứng nhận trước do các cơ quan chứng nhận như Underwriters Laboratories triển khai, cho phép các nhà sản xuất thiết bị gốc rút ngắn thời gian thiết kế các thiết bị gia dụng của họ.
Phương pháp 2: Sử dụng chức năng điều khiển động cơ thông minh để dễ dàng điều chỉnh động cơ
Các yêu cầu về thông số hiệu suất hệ thống (chẳng hạn như tốc độ, hiệu suất và tiếng ồn) rất khó giải quyết bằng cách điều chỉnh động cơ BLDC. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách phát triển thuật toán điều khiển hình thang không cảm biến, trong đó chuyển mạch được xác định bởi điện áp EMF ngược của động cơ, do đó hoạt động điều chỉnh không bị giới hạn bởi các thông số động cơ.
Trình điều khiển động cơ tích hợp (chẳng hạn như MCT8316A) tích hợp chức năng điều khiển hình thang không cảm biến có thể mang lại hiệu suất hệ thống được tối ưu hóa mà không cần sử dụng giao diện phức tạp để kết nối với bộ vi điều khiển. Ngoài ra, xin lưu ý rằng trong quá trình điều chỉnh động cơ, trình điều khiển động cơ tích hợp sẽ cung cấp các tín hiệu phản hồi, chẳng hạn như điện áp pha động cơ, dòng điện và tốc độ động cơ hiển thị trên máy hiện sóng.
Trong thuật toán FOC không cảm biến, do tích hợp công nghệ điều khiển tiên tiến, việc điều chỉnh động cơ có thể được tăng tốc đáng kể, ví dụ, bằng cách tự đo các thông số động cơ hoặc tự động thực hiện điều chỉnh vòng điều khiển.
Giao diện người dùng đồ họa điều chỉnh có hướng dẫn (GUI) cung cấp các tùy chọn khởi động động cơ mặc định (như trong Hình 3), giúp hoàn tất quá trình điều chỉnh một cách suôn sẻ và quay động cơ nhanh nhất có thể. Trình điều khiển động cơ không yêu cầu lập trình (chẳng hạn như MCF8316A cho FOC và MCT8316A cho điều khiển hình thang) bao gồm nhiều tùy chọn có thể định cấu hình để khởi động động cơ, vận hành vòng kín và dừng động cơ. Với các tùy chọn này, hiệu suất của động cơ có thể được tối ưu hóa trong vòng vài phút, rút ngắn đáng kể chu trình thiết kế.
Hình 3: GUI điều chỉnh có hướng dẫn
Phương pháp 3: Giảm kích thước
Đối với nhiều nhà thiết kế hệ thống, công việc xây dựng phần cứng hệ thống BLDC là rất khó khăn. Một hệ thống điển hình yêu cầu trình điều khiển cổng, mosfet, bộ khuếch đại cảm nhận hiện tại, bộ so sánh cảm biến điện áp và bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số. Hầu hết các hệ thống đều yêu cầu một kiến trúc nguồn chuyên dụng (bao gồm các thiết bị như bộ điều chỉnh tỷ lệ bỏ qua thấp hoặc bộ điều chỉnh DC / DC buck) để cấp nguồn cho tất cả các thành phần trên bo mạch. Ổ BLDC tích hợp kết hợp tất cả các thành phần này để cung cấp một giải pháp nhỏ gọn nhưng dễ sử dụng, như thể hiện trong Hình 4.
Hình 4: Giải pháp động cơ BLDC tích hợp đầy đủ
Trình điều khiển động cơ có chức năng điều khiển tích hợp bao gồm các chức năng bảo vệ, chẳng hạn như bảo vệ quá dòng và quá áp cho MOSFET cũng như giám sát nhiệt độ, cho phép các nhà thiết kế dễ dàng cung cấp các giải pháp mạnh mẽ.
Đối với các ứng dụng động cơ có mức tiêu thụ điện năng dưới 70W, chẳng hạn như rô-bốt quét nhà, quạt trần gia đình hoặc máy bơm dùng trong máy giặt, có thể chọn các thiết bị có MOSFET tích hợp để giảm hơn nữa không gian bố trí. Các thiết bị MCF8316A và MCT8316A hỗ trợ dòng điện cực đại lên tới 8A trong các ứng dụng 24V. Đối với các ứng dụng công suất cao, MOSFET công suất có thể được đặt trên bo mạch để tích hợp các chức năng điều khiển cổng và điều khiển động cơ vào một con chip duy nhất.
Các khái niệm được thảo luận trong bài viết này giúp tăng tốc chu trình thiết kế hệ thống đồng thời cung cấp một hệ thống động cơ BLDC nhỏ hơn và thông minh hơn. Với sự trợ giúp của MCF8316A và MCT8316A, không yêu cầu lập trình và trình điều khiển động cơ BLDC không cảm biến, một hệ thống điều khiển thời gian thực hiệu suất cao được tối ưu hóa có thể được thiết kế nhanh chóng. Các thiết bị này có thể cung cấp công suất lên đến 70W cho các ứng dụng 24V. Với công nghệ điều khiển thông minh tích hợp, hai bộ truyền động động cơ này dễ dàng điều chỉnh và có thể được sử dụng để đạt được các giải pháp hệ thống hiệu suất cao và đáng tin cậy. Chúng lý tưởng để xây dựng hệ thống tiết kiệm năng lượng điện áp thấp tiếp theo dựa trên BLDC.
Bài viết này giới thiệu ba phương pháp có thể tăng tốc độ thiết kế hệ thống động cơ BLDC đồng thời cung cấp các giải pháp tiết kiệm năng lượng thông minh hơn và nhỏ gọn hơn.
Thế giới đang nỗ lực giảm mức tiêu thụ điện năng và động lực ngày càng mạnh mẽ hơn. Nhiều quốc gia/khu vực yêu cầu các thiết bị gia dụng (như trong Hình 1) phải đáp ứng các tiêu chuẩn về hiệu quả do các tổ chức liên quan như Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Trung Quốc (CNIS), Ngôi sao Năng lượng Hoa Kỳ và Thiên thần Xanh của Đức đặt ra.
Để đáp ứng các tiêu chuẩn này, ngày càng nhiều nhà thiết kế hệ thống đã từ bỏ động cơ cảm ứng xoay chiều một pha đơn giản và dễ sử dụng trong thiết kế của mình, thay vào đó sử dụng động cơ DC không chổi than điện áp thấp (BLDC) tiết kiệm năng lượng hơn. Để đạt được tuổi thọ dài hơn và độ ồn khi vận hành thấp hơn, các nhà thiết kế thiết bị gia dụng nhỏ như robot quét nhà cũng đã chuyển sang sử dụng động cơ BLDC tiên tiến hơn trong nhiều hệ thống của họ.
Đồng thời, sự tiến bộ của công nghệ nam châm vĩnh cửu liên tục đơn giản hóa việc sản xuất động cơ BLDC, giảm kích thước hệ thống trong khi vẫn cung cấp cùng một mô-men xoắn (tải), điều này cũng có thể cải thiện hiệu suất và giảm tiếng ồn của hệ thống.
Hình 1: Các thiết bị gia dụng phổ biến
Thiết kế hệ thống sử dụng động cơ BLDC là một thách thức vì phần cứng phức tạp và thiết kế phần mềm được tối ưu hóa thường được yêu cầu để cung cấp khả năng điều khiển thời gian thực đáng tin cậy. Một tùy chọn để tăng tốc chu kỳ thiết kế là sử dụng các mô-đun động cơ BLDC được cung cấp bởi các nhà cung cấp chuyên nghiệp, nhưng các mô-đun này không được tối ưu hóa cho nhu cầu của một hệ thống cụ thể. Do đó, để xây dựng một hệ thống hiệu suất cao được tối ưu hóa để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể, vẫn cần có hiểu biết sâu sắc về thiết kế và điều khiển động cơ, ngay cả với các mô-đun. Trong bài viết này, tôi sẽ giới thiệu ba phương pháp có thể tăng tốc độ thiết kế hệ thống động cơ BLDC đồng thời cung cấp các giải pháp tiết kiệm năng lượng thông minh hơn và nhỏ gọn hơn.
Phương pháp 1: Không cần lập trình điều khiển không cảm biến
Trình điều khiển động cơ không cần lập trình bao gồm một thuật toán chuyển mạch điều khiển được tích hợp sẵn, do đó không cần phát triển, bảo trì và chứng nhận phần mềm điều khiển động cơ. Các trình điều khiển động cơ này thường nhận được phản hồi từ động cơ (chẳng hạn như tín hiệu Hall hoặc tín hiệu điện áp và dòng điện pha động cơ), tính toán các phương trình điều khiển phức tạp trong thời gian thực để xác định trạng thái truyền động tiếp theo của động cơ và là trình điều khiển cổng hoặc oxit kim loại bán dẫn bóng bán dẫn hiệu ứng trường ( MOSFE) và các thành phần đầu cuối tương tự khác cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung (như trong Hình 2).
Hình 2: Hệ thống động cơ BLDC không cảm biến điển hình
Khi sử dụng trình điều khiển động cơ có chức năng điều khiển không cảm biến tích hợp (chẳng hạn như trình điều khiển động cơ MCF8316A có chức năng Điều khiển hướng trường (FOC)) để điều khiển thời gian thực, không cần cảm biến hiệu ứng Hall trong động cơ, điều này có thể cải thiện hệ thống độ tin cậy và giảm tổng chi phí hệ thống.
Trình điều khiển động cơ không cần lập trình cũng có thể quản lý các chức năng quan trọng (chẳng hạn như phát hiện lỗi động cơ) và thực hiện các cơ chế bảo vệ để làm cho thiết kế hệ thống tổng thể trở nên đáng tin cậy hơn. Các thiết bị này có thể đi kèm với các thuật toán điều khiển được chứng nhận trước do các cơ quan chứng nhận như Underwriters Laboratories triển khai, cho phép các nhà sản xuất thiết bị gốc rút ngắn thời gian thiết kế các thiết bị gia dụng của họ.
Phương pháp 2: Sử dụng chức năng điều khiển động cơ thông minh để dễ dàng điều chỉnh động cơ
Các yêu cầu về thông số hiệu suất hệ thống (chẳng hạn như tốc độ, hiệu suất và tiếng ồn) rất khó giải quyết bằng cách điều chỉnh động cơ BLDC. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách phát triển thuật toán điều khiển hình thang không cảm biến, trong đó chuyển mạch được xác định bởi điện áp EMF ngược của động cơ, do đó hoạt động điều chỉnh không bị giới hạn bởi các thông số động cơ.
Trình điều khiển động cơ tích hợp (chẳng hạn như MCT8316A) tích hợp chức năng điều khiển hình thang không cảm biến có thể mang lại hiệu suất hệ thống được tối ưu hóa mà không cần sử dụng giao diện phức tạp để kết nối với bộ vi điều khiển. Ngoài ra, xin lưu ý rằng trong quá trình điều chỉnh động cơ, trình điều khiển động cơ tích hợp sẽ cung cấp các tín hiệu phản hồi, chẳng hạn như điện áp pha động cơ, dòng điện và tốc độ động cơ hiển thị trên máy hiện sóng.
Trong thuật toán FOC không cảm biến, do tích hợp công nghệ điều khiển tiên tiến, việc điều chỉnh động cơ có thể được tăng tốc đáng kể, ví dụ, bằng cách tự đo các thông số động cơ hoặc tự động thực hiện điều chỉnh vòng điều khiển.
Giao diện người dùng đồ họa điều chỉnh có hướng dẫn (GUI) cung cấp các tùy chọn khởi động động cơ mặc định (như trong Hình 3), giúp hoàn tất quá trình điều chỉnh một cách suôn sẻ và quay động cơ nhanh nhất có thể. Trình điều khiển động cơ không yêu cầu lập trình (chẳng hạn như MCF8316A cho FOC và MCT8316A cho điều khiển hình thang) bao gồm nhiều tùy chọn có thể định cấu hình để khởi động động cơ, vận hành vòng kín và dừng động cơ. Với các tùy chọn này, hiệu suất của động cơ có thể được tối ưu hóa trong vòng vài phút, rút ngắn đáng kể chu trình thiết kế.
Hình 3: GUI điều chỉnh có hướng dẫn
Phương pháp 3: Giảm kích thước
Đối với nhiều nhà thiết kế hệ thống, công việc xây dựng phần cứng hệ thống BLDC là rất khó khăn. Một hệ thống điển hình yêu cầu trình điều khiển cổng, MOSFET, bộ khuếch đại cảm biến hiện tại, bộ so sánh cảm biến điện áp và bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số. Hầu hết các hệ thống đều yêu cầu một kiến trúc nguồn chuyên dụng (bao gồm các thiết bị như bộ điều chỉnh tỷ lệ bỏ qua thấp hoặc bộ điều chỉnh DC / DC buck) để cấp nguồn cho tất cả các thành phần trên bo mạch. Ổ BLDC tích hợp kết hợp tất cả các thành phần này để cung cấp một giải pháp nhỏ gọn nhưng dễ sử dụng, như thể hiện trong Hình 4.
Hình 4: Giải pháp động cơ BLDC tích hợp đầy đủ
Trình điều khiển động cơ có chức năng điều khiển tích hợp bao gồm các chức năng bảo vệ, chẳng hạn như bảo vệ quá dòng và quá áp cho MOSFET và giám sát nhiệt độ, cho phép các nhà thiết kế dễ dàng cung cấp các giải pháp mạnh mẽ. Đối với các ứng dụng động cơ có công suất tiêu thụ dưới 70W, chẳng hạn như rô bốt quét rác, quạt trần gia đình hoặc máy bơm được sử dụng trong máy giặt, có thể chọn thiết bị có MOSFET tích hợp để giảm thêm không gian bố trí. Các thiết bị MCF8316A và MCT8316A hỗ trợ dòng điện cực đại lên đến 8A trong các ứng dụng 24V. Đối với các ứng dụng công suất cao, các MOSFET công suất có thể được đặt trên bo mạch để tích hợp trình điều khiển cổng và các chức năng điều khiển động cơ vào một chip duy nhất.
Các khái niệm được thảo luận trong bài viết này giúp tăng tốc chu trình thiết kế hệ thống đồng thời cung cấp một hệ thống động cơ BLDC nhỏ hơn và thông minh hơn. Với sự trợ giúp của MCF8316A và MCT8316A, không yêu cầu lập trình và trình điều khiển động cơ BLDC không cảm biến, một hệ thống điều khiển thời gian thực hiệu suất cao được tối ưu hóa có thể được thiết kế nhanh chóng. Các thiết bị này có thể cung cấp công suất lên đến 70W cho các ứng dụng 24V. Với công nghệ điều khiển thông minh tích hợp, hai bộ truyền động động cơ này dễ dàng điều chỉnh và có thể được sử dụng để đạt được các giải pháp hệ thống hiệu suất cao và đáng tin cậy. Chúng lý tưởng để xây dựng hệ thống tiết kiệm năng lượng điện áp thấp tiếp theo dựa trên BLDC.