Nhu cầu điều khiển chuyển động chính xác ngày càng tăng trên các ứng dụng như robot, máy bay không người lái, thiết bị y tế và hệ thống công nghiệp. Không chổi than Động cơ DC (BLDC) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu điều khiển bằng AC (PMSM) có thể mang lại độ chính xác cần thiết, đồng thời đáp ứng nhu cầu về hiệu suất cao trong kiểu dáng nhỏ gọn. Tuy nhiên, không giống như động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng AC dễ dàng kết nối và chạy, BLDC và PMSM phức tạp hơn nhiều.
Ví dụ, các kỹ thuật như điều khiển vectơ không cảm biến (còn được gọi là điều khiển hướng trường, hoặc FOC), đặc biệt, mang lại hiệu quả tuyệt vời cùng với lợi thế là loại bỏ cảm biến phần cứng, do đó giảm chi phí và nâng cao độ tin cậy. Vấn đề đối với các nhà thiết kế là điều khiển vector không cảm biến rất phức tạp để thực hiện, vì vậy việc sử dụng nó có thể kéo dài thời gian phát triển, thêm chi phí và có thể thiếu cửa sổ thời gian tiếp thị.
Để giải quyết tình huống khó xử này, các nhà thiết kế có thể chuyển sang các nền tảng phát triển và hội đồng đánh giá đã có sẵn phần mềm điều khiển vector không cảm biến, cho phép họ tập trung vào các vấn đề thiết kế hệ thống và không bị sa lầy vào các sắc thái mã hóa phần mềm điều khiển. Ngoài ra, các môi trường phát triển này bao gồm tất cả bộ điều khiển động cơ và phần cứng quản lý điện năng được tích hợp vào một hệ thống hoàn chỉnh, tăng tốc thời gian đưa ra thị trường.
Bài viết này mô tả ngắn gọn một số nhu cầu về điều khiển chuyển động chính xác và xem xét sự khác biệt giữa DC chải, cảm ứng AC, BLDC và PMSM. Sau đó, nó tóm tắt các khái niệm cơ bản về điều khiển véc tơ trước khi giới thiệu một số nền tảng và hội đồng đánh giá từ Texas Instruments, Infineon Technologies và Renesas Electronics, cùng với hướng dẫn thiết kế tạo điều kiện phát triển các hệ thống điều khiển chuyển động chính xác.
Ví dụ về các ứng dụng điều khiển chuyển động chính xác
Máy bay không người lái là hệ thống điều khiển chuyển động phức tạp và thường sử dụng bốn động cơ trở lên. Cần có điều khiển chuyển động chính xác và phối hợp để cho phép máy bay không người lái di chuyển, leo lên hoặc hạ xuống.
Hình 1: Máy bay không người lái thường sử dụng bốn động cơ trở lên, thường là BLDC hoặc PMSM, quay với tốc độ 12,000 vòng/phút (RPM) hoặc cao hơn và được điều khiển bởi bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESC). Ví dụ này hiển thị ESC mô-đun trong máy bay không người lái sử dụng động cơ không chổi than với điều khiển không cảm biến. (Nguồn hình ảnh: Texas Instruments)
Để bay lơ lửng, lực đẩy ròng của các cánh quạt đẩy máy bay không người lái lên phải cân bằng và chính xác bằng lực hấp dẫn kéo nó xuống. Bằng cách tăng đều lực đẩy (tốc độ) của các cánh quạt, máy bay không người lái có thể bay thẳng lên. Ngược lại, giảm lực đẩy của rôto sẽ khiến máy bay không người lái hạ xuống. Ngoài ra, còn có yaw (quay máy bay không người lái), cao độ (bay máy bay không người lái về phía trước hoặc phía sau) và lăn (bay máy bay không người lái sang trái hoặc phải).
Chuyển động chính xác và lặp đi lặp lại là một trong những tính năng của nhiều ứng dụng robot. Một robot công nghiệp nhiều trục đứng yên phải cung cấp các lượng lực khác nhau theo ba chiều để di chuyển các vật thể có trọng lượng khác nhau (Hình 2). Các động cơ bên trong rô bốt cung cấp tốc độ và mô-men xoắn (lực quay) tại các điểm chính xác, mà bộ điều khiển của rô bốt sử dụng để điều phối chuyển động dọc theo các trục khác nhau để có tốc độ và vị trí chính xác.
Trong trường hợp rô bốt di động có bánh xe, một hệ thống truyền động vi sai chính xác có thể được sử dụng để điều khiển cả tốc độ và hướng chuyển động. Hai động cơ được sử dụng để cung cấp chuyển động cùng với một hoặc hai bánh xe để cân bằng tải. Hai động cơ được điều khiển ở các tốc độ khác nhau để quay và thay đổi hướng, trong khi tốc độ giống nhau cho cả hai động cơ dẫn đến chuyển động theo đường thẳng, có thể tiến hoặc lùi. Mặc dù bộ điều khiển động cơ phức tạp hơn khi so sánh với hệ thống lái thông thường, nhưng cách tiếp cận này chính xác hơn, đơn giản hơn về mặt cơ học và do đó đáng tin cậy hơn.
Lựa chọn động cơ
Động cơ điện một chiều cơ bản và động cơ điện cảm ứng xoay chiều tương đối rẻ và điều khiển đơn giản. Chúng được sử dụng rộng rãi trong một loạt các ứng dụng từ máy hút bụi đến máy móc công nghiệp, cầu trục và thang máy. Tuy nhiên, trong khi chúng rẻ và dễ lái, chúng không thể cung cấp hoạt động chính xác theo yêu cầu của các ứng dụng như robot, máy bay không người lái, thiết bị y tế và thiết bị công nghiệp chính xác.
Một động cơ DC có chổi than đơn giản tạo ra mô-men xoắn bằng cách chuyển hướng cơ học của dòng điện phối hợp với chuyển động quay bằng cách sử dụng cổ góp và chổi than. Những tồn tại của động cơ DC có chổi than bao gồm nhu cầu bảo dưỡng do chổi than bị mài mòn và tạo ra tiếng ồn điện và cơ học. Một bộ truyền động điều chế độ rộng xung (PWM) có thể được sử dụng để điều khiển tốc độ quay, nhưng việc kiểm soát độ chính xác và hiệu suất cao là khó khăn do bản chất cơ học vốn có của động cơ điện một chiều có chổi than.
BLDC loại bỏ cổ góp và chổi quét của động cơ DC có chổi than, và tùy thuộc vào cách quấn dây stato, nó cũng có thể là PMSM. Các cuộn dây stato được quấn theo hình thang trong động cơ BLDC và suất điện động ngược (EMF) được tạo ra có dạng sóng hình thang, trong khi các stato PMSM được quấn theo hình sin và tạo ra EMF (Ebemf) phía sau hình sin.
Mô-men xoắn trong động cơ BLDC và PMSM là một hàm của EMF hiện tại và trở lại. Động cơ BLDC được điều khiển với dòng điện sóng vuông trong khi động cơ PMSM được điều khiển với dòng điện hình sin.
Các tính năng của động cơ BLDC:
- Điều khiển dễ dàng hơn với dòng DC sóng vuông sáu bước
- Tạo ra gợn mô-men xoắn đáng kể
- Chi phí và hiệu suất thấp hơn PMSM
- Có thể được thực hiện với cảm biến hiệu ứng Hall hoặc với điều khiển không cảm biến
Các tính năng của PMSM:
- Kiểm soát phức tạp hơn bằng cách sử dụng Ba giai đoạn PWM hình sin
- Không có gợn mô-men xoắn
- Hiệu quả, mô-men xoắn và chi phí cao hơn BLDC
- Có thể được thực hiện với bộ mã hóa trục hoặc với điều khiển không cảm biến
Điều khiển véc tơ là gì?
Điều khiển véc tơ là một phương pháp điều khiển truyền động động cơ tần số thay đổi trong đó dòng điện stato của động cơ điện ba pha được xác định là hai thành phần trực giao có thể được hình dung bằng véc tơ. Một thành phần xác định từ thông của động cơ, thành phần kia là mômen. Cốt lõi của thuật toán điều khiển véc tơ là hai phép biến đổi toán học: phép biến đổi Clarke điều chỉnh hệ ba pha thành hệ hai tọa độ, trong khi phép biến đổi Park chuyển đổi vectơ hệ thống tĩnh hai pha thành vectơ hệ quay và nghịch đảo của chúng.
Việc sử dụng các biến đổi Clarke và Park đưa dòng điện stator có thể được điều khiển vào miền rôto. Làm điều này cho phép hệ thống điều khiển động cơ xác định điện áp cần cung cấp cho stato để tối đa hóa mô-men xoắn dưới tải thay đổi động.
Điều khiển tốc độ và / hoặc vị trí hiệu suất cao đòi hỏi kiến thức thời gian thực và chính xác về vị trí và vận tốc trục rôto để đồng bộ hóa các xung kích thích pha với vị trí rôto. Thông tin này thường được cung cấp bởi các cảm biến như bộ mã hóa tuyệt đối và bộ phân giải từ được gắn vào trục của động cơ. Các cảm biến này có một số nhược điểm của hệ thống: độ tin cậy thấp hơn, dễ bị nhiễu, chi phí và trọng lượng cao hơn và độ phức tạp cao hơn. Điều khiển vector không cảm biến loại bỏ sự cần thiết của cảm biến tốc độ / vị trí.
Bộ vi xử lý hiệu suất cao và bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) cho phép lý thuyết điều khiển hiện đại và hiệu quả được thể hiện trong mô hình hệ thống tiên tiến, đảm bảo công suất tối ưu và hiệu quả điều khiển cho bất kỳ hệ thống động cơ thời gian thực nào. Dự kiến là do sức mạnh tính toán ngày càng tăng và chi phí giảm của bộ vi xử lý và DSP, điều khiển không cảm biến sẽ hầu như thay thế điều khiển vectơ cảm biến, cũng như đơn giản nhưng hiệu suất thấp hơn vôn vô hướng đơn biến-per-hertz (V / f ) điều khiển.
Điều khiển động cơ PMSM và BLDC ba pha cho robot công nghiệp và tiêu dùng
Để giải quyết sự phức tạp của việc kiểm soát vectơ, các nhà thiết kế có thể sử dụng bảng đánh giá được tạo sẵn. Ví dụ: DRV8301-69M-KIT của Texas Instruments là mô-đun đánh giá bo mạch chủ dựa trên controlCARD DIMM100 mà các nhà thiết kế có thể sử dụng để phát triển các giải pháp truyền động động cơ PMSM/BLDC ba pha (Hình 4). Nó bao gồm trình điều khiển cổng ba pha DRV8301 với bộ khuếch đại shunt dòng điện kép và một bộ tăng áp điều chỉnhvà bo mạch vi điều khiển (MCU) Piccolo TMS320F28069M hỗ trợ InstaSPIN.
DRV8301-69M-KIT là dụng cụ InstaSPIN-FOC và InstaSPIN-MOTION của Texas công nghệBộ đánh giá điều khiển động cơ dựa trên dành cho động cơ quay ba pha PMSM và BLDC. Với InstaSPIN, DRV8301-69M-KIT cho phép các nhà phát triển nhanh chóng xác định, tự động điều chỉnh và điều khiển động cơ ba pha, cung cấp một hệ thống điều khiển động cơ hoạt động và ổn định “ngay lập tức”.
Cùng với công nghệ InstaSPIN, DRV8301-69M-KIT cung cấp nền tảng FOC hỗ trợ cảm biến mã hóa hoặc không có cảm biến hiệu suất cao, tiết kiệm điện, hiệu quả về chi phí, giúp tăng tốc độ phát triển để đưa ra thị trường nhanh hơn. Các ứng dụng bao gồm động cơ đồng bộ dưới 60 volt và 40 ampe (A) để điều khiển máy bơm, cổng, thang máy và quạt, cũng như tự động hóa và robot công nghiệp và tiêu dùng.
Phần cứng DRV8301-69M-KIT có các tính năng:
- Bảng điều khiển biến tần ba pha với giao diện chấp nhận các CARD điều khiển DIMM100
- Một bảng mạch cơ sở tích hợp biến tần ba pha DRV8301 (với bộ chuyển đổi 1.5 A tích hợp) hỗ trợ lên đến 60 vôn và 40 A liên tục
- Thẻ TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC và InstaSPIN-MOTION
- Khả năng làm việc với TMDXCNCD28054MISO được hỗ trợ MotorWare (bán riêng) và TMDSCNCD28027F + Trình mô phỏng bên ngoài (bán riêng)
Bộ truyền động động cơ PMSM và BLDC hiệu suất cao, hiệu suất cao
EVAL-IMM101T của Infineon Technologies là bộ khởi động đầy đủ tính năng bao gồm IMM101T Smart IPM (mô-đun nguồn tích hợp) cung cấp chìa khóa trao tay được tích hợp đầy đủ,Vôn giải pháp truyền động động cơ mà các nhà thiết kế có thể sử dụng với động cơ PMSM / BLDC hiệu suất cao (Hình 5). EVAL-IMM101T cũng bao gồm các mạch cần thiết khác cần thiết để đánh giá “xuất sắc” của IMM101T Smart IPM, chẳng hạn như bộ chỉnh lưu và tầng lọc EMI, cũng như phần trình gỡ lỗi biệt lập có kết nối USB với PC.
EVAL-IMM101T được phát triển để hỗ trợ các nhà thiết kế trong những bước đầu tiên phát triển ứng dụng với IMM101T Smart IPM. Bo mạch eval được trang bị tất cả các nhóm lắp ráp cho FOC không cảm biến. Nó chứa đầu nối AC một pha, bộ lọc EMI, bộ chỉnh lưu và đầu ra ba pha để kết nối động cơ. Tầng nguồn cũng chứa shunt nguồn để cảm nhận dòng điện và bộ chia điện áp để đo điện áp liên kết DC.
IMM101T của Infineon cung cấp các tùy chọn cấu hình điều khiển khác nhau cho hệ thống truyền động PMSM / BLDC trong một gói giá đỡ bề mặt 12 x 12 mm (mm) nhỏ gọn, giảm thiểu số lượng thành phần bên ngoài và diện tích bảng mạch in (bảng mạch máy tính). Gói được tăng cường nhiệt để nó có thể hoạt động tốt khi có hoặc không có tản nhiệt. Gói có khoảng cách len lỏi 1.3 mm giữa các tấm đệm điện áp cao bên dưới gói để dễ dàng lắp đặt bề mặt và tăng độ chắc chắn của hệ thống.
Dòng IMM100 tích hợp FredFET 500 volt hoặc CoolMOS 650 volt mosfet. Tùy thuộc vào sức mạnh mosfet được sử dụng trong gói, dòng IMM100 bao gồm các ứng dụng có công suất đầu ra danh định từ 25 watt (W) đến 80 W với điện áp DC tối đa 500 volt / 600 volt. Trong các phiên bản 600 volt, công nghệ Power MOS được đánh giá ở 650 volt, trong khi trình điều khiển cổng được đánh giá ở 600 volt, xác định điện áp DC tối đa cho phép của hệ thống.
Hệ thống đánh giá điều khiển động cơ 24 volt
Các nhà thiết kế bộ truyền động động cơ 24 volt PMSM / BLDC có thể chuyển sang hệ thống đánh giá điều khiển động cơ RTK0EM0006S01212BJ của Renesas cho vi điều khiển RX23T (Hình 6). Các thiết bị RX23T là bộ vi điều khiển 32 bit phù hợp để điều khiển biến tần đơn với đơn vị dấu chấm động (FPU) tích hợp cho phép chúng được sử dụng để xử lý các thuật toán điều khiển biến tần phức tạp. Điều này giúp giảm đáng kể giờ làm việc cần thiết cho việc phát triển và bảo trì phần mềm.
Ngoài ra, do dùng lõi nên dòng điện tiêu thụ ở chế độ chờ phần mềm (có giữ RAM) chỉ là 0.45 microamper (μA). Bộ vi điều khiển RX23T hoạt động trong phạm vi điện áp từ 2.7 đến 5.5 volt và có khả năng tương thích cao với dòng RX62T ở cách sắp xếp chân cắm và cấp độ phần mềm. Bộ sản phẩm bao gồm:
- Bảng biến tần 24 volt
- Chức năng điều khiển PMSM
- Chức năng phát hiện dòng điện ba shunt
- Chức năng bảo vệ quá dòng
- Thẻ CPU cho vi điều khiển RX23T
- Cáp USB mini B
- PMSM
Kết luận
BLDC và PMSM có thể được sử dụng để cung cấp các giải pháp điều khiển chuyển động chính xác, nhỏ gọn và hiệu quả cao. Việc sử dụng điều khiển véc tơ không cảm biến với động cơ BLDC và PMS bổ sung thêm lợi thế là loại bỏ phần cứng cảm biến, do đó giảm chi phí và nâng cao độ tin cậy. Tuy nhiên, điều khiển vector không cảm biến trong các ứng dụng này có thể là một quá trình phức tạp và tốn thời gian.
Như đã trình bày, các nhà thiết kế có thể chuyển sang các nền tảng phát triển và bảng đánh giá đi kèm với phần mềm điều khiển vector không cảm biến. Ngoài ra, các môi trường phát triển này bao gồm tất cả bộ điều khiển động cơ và phần cứng quản lý điện năng được tích hợp vào một hệ thống hoàn chỉnh, tăng tốc thời gian đưa ra thị trường.