Slik setter du i gang konstruksjoner for styring av børsteløse likestrømsmotorer ved å bruke svært integrerte IC-er

På grunn av den akselererende overgangen til elektronisk styring av mekaniske systemer, som i stor grad drives av tingenes Internett (IoT) og elektrifiseringen av biler, bruker konstruktører laveffektsmotorer til grunnleggende oppgaver i konstruksjoner som spenner fra husholdningsapparater, dørlåser og fjernstyrte persienner, til pumper, seter, vinduer og dører i kjøretøy. Disse likestrømsmotorene, som varierer i klassifisering fra småmotorer til motorer med flere hestekrefter, er allment utbredt, men opererer ofte usett.

Det er gjort forbedringer på motorene, og motorstyringsteknologien har blitt bedre og enklere å bruke, noe som bidrar til denne raske spredningen. Konstruktører er under konstant press for å forbedre effektiviteten og senke kostnadene, samtidig som de må oppnå økt nøyaktighet og pålitelighet.

Variasjoner av den børsteløse likestrømsmotoren (BLDC-motor) og trinnmotoren (en annen type børsteløs likestrømsmotor) kan gjøre det enklere for konstruktører å oppfylle disse stadig mer krevende ytelses- og kostnadsmålene, men bare ved nøye vurdering av motorstyringen og motordrivkretsene. Styringen må levere egnede drivsignaler til motorens elektroniske drivverk-brytere (vanligvis MOSFET-er), og dette må gjøres med nøye kontrollert timing og varighet. Den må også styre motorens opp/ned-kurve, samt detektere og imøtekomme de uunngåelige myke problemene og harde feilene med motoren eller lasten.

Denne artikkelen ser nærmere på funksjonene som leveres av styrings-IC-er for BLDC-motorer. Den gir et samlet perspektiv over de elektriske egenskapene til BLDC-motorer og forklarer hvordan en sofistikert styring gjør det mulig for en BLDC-motor å oppfylle målene til en konstruksjon ved å bruke Renesas-motorstyrings-IC-er i RAJ306010-serien.

Motorstyringsbanen og motoren

Banen fra programvaren for bevegelsesstyring til motoren omfatter en prosessor som programvaren kjører på, gate-drivere for motorens strømvekslingsenheter og motoren (figur 1). Det kan også være en bane fra en sensor ved motoren tilbake til prosessoren via en analog inngang (front-end), som gir informasjon om posisjonen eller hastigheten til motorens rotor for å bekrefte ytelse og lukke en tilbakekoblingssløyfe.

Figur 1: Dagens motorstyringer begynner med programvare innebygd som fastvare i prosessorstyrende gate-drivere, som igjen veksler strøm til motorens viklinger. Det kan også være en sensorstyrt tilbakekoblingssløyfe fra motoren tilbake til prosessoren. (Bildekilde: Renesas)

Konstruktører har to hovedvalg når de skal velge likestrømsdrevne børsteløse motorer: BLDC-motoren og trinnmotoren. Begge fungerer på grunn av den magnetiske interaksjonen mellom de interne permanente magnetene og vekslingen av de elektromagnetiske spolene. Valget av hvilken motor som skal brukes avgjøres basert på de relative fordelene og ulempene med tanke på den tiltenkte bruken.

Generelt sett er BLDC-motorer svært pålitelige, de har høy virkningsgrad og de kan levere høyt dreiemoment over en rekke hastigheter. Motorens statorpoler strømsettes i sekvens, noe som fører til at rotoren (med sine permanente magneter) dreier. BLDC-motorer har vanligvis tre elektronisk styrte statorer rundt omkretsen (figur 2).

Figur 2: BLDC-motorens statorer strømsettes i en sekvens slik at rotoren med permanente magneter dreier. (Bildekilde: Renesas)

Viktige BLDC-motoregenskaper omfatter reaksjonsfølsomhet, rask akselerasjon, pålitelighet, lang levetid, høyhastighetsdrift og høy effekttetthet. De foretrekkes ofte i bruksområder som medisinsk utstyr, kjølevifter, batteridrevet verktøy, dreieskiver og automatiseringsutstyr.

Trinnmotoren fungerer på nesten samme måte som BLDC-motorer, bortsett fra at den beveger seg i mye mindre rotasjonsbevegelser ved å dele en full rotasjon inn i et stort antall trinn med like vinkler (vanligvis 128 eller 256). I stedet for å rotere kontinuerlig, drives motorrotoren sekvensielt for å gå den trinnvis gjennom trinnene med små vinkler (figur 3). Dette gjør at rotoren kan posisjoneres nøyaktig ettersom den er synkronisert med magnetfeltet som produseres av de strømsatte statorpolene.

Figur 3: Trinnbevegelsen har et stort antall statorpoler som er plassert rundt rotoren og de permanente magnetene. Ved å strømsette disse polene i en kontrollert sekvens, roteres rotoren og den går trinnvis gjennom små vinkler. (Bildekilde: Renesas)

Trinnmotorer er pålitelige, nøyaktige og tilbyr rask akselerasjon og reaksjonsfølsomhet. På grunn av den trinnvise driften og motorkonstruksjonen, er ofte styring med åpen sløyfe og posisjoneringsstabilitet tilstrekkelig selv for bruksområder som krever høy nøyaktighet, for eksempel CD-stasjoner, skannere, skrivere og plottere. Avanserte konstruksjoner kan legge til en tilbakekoblingssensor og styring med lukket sløyfe for å gi ytterligere presisjons- og ytelsesbekreftelse.

BLDC-motorstyringsalternativer

I motsetning til vekselstrømsinduksjon eller børstede likestrømsmotorer, der hovedmåten for regulering av hastighet og moment er justering av forsyningsspenningen, styres BLDC-motoren av nøye utført timing av på- og avslåingen til de strømvekslende MOSFET-ene. Dette gjør at motoren kan håndtere et bredt spekter av oppgaver på en effektiv og nøyaktig måte.

Disse kravene kan variere fra å levere de høye omdreiningene per minutt (RPM) som trengs for å flytte store mengder luft slik at en trådløs støvsuger får nok sugekraft, til elektriske verktøy som må ha høyt oppstartsmoment, spesielt hvis motoren er låst mot lasten. I mange konstruksjoner må motoren også være i stand til å håndtere store lastendringer, noe som krever raske responstider for å opprettholde konsistente turtall (RPM).

Det finnes vanlige strategier for å styre BLDC-motoren: Grunnleggende 120-graders på-/avstyring og vektorstyring. I 120-graders av/på-styring er to av de tre spolene til BLDC-motoren strømsatt, og seks strømførende mønstre veksles i en roterende sekvens for å støtte rotasjon i begge retninger (figur 4).

Figur 4: Statorpolene til BLDC-motoren (venstre) kan strømsettes enten med eller mot urviseren (høyre), og dermed drive rotoren i begge retninger for å tilfredsstille kravene til konstruksjonen. (Bildekilde: Renesas)

I denne modusen aktiveres statorspolene med av/på-strøm (en firkantbølge), noe som resulterer i en trapesformet akselerasjonsprofil når motoren spinner opp til hastighet, opprettholder hastighet og deretter spinner ned igjen når spolene deaktiveres. Fordelene med denne tilnærmingen er den iboende enkelheten og ukompliserte driften.

Den er imidlertid sårbar for ytelsessvingninger i henhold til last og andre endringer, og nøyaktigheten og effektiviteten er ikke høy nok for noen bruksområder. Sofistikerte algoritmer i motorstyringen kan til en viss grad få bukt med disse manglene ved å justere MOSFET-ens på/av-timing, samt bruken av PID- (proportional-integral-derivative) eller PI-styring (proportional-integral).

Et alternativ som har blitt stadig mer attraktivt er vektorstyring, også kalt feltorientert styring (FOC – field-oriented control). I denne tilnærmingen strømsettes alle de tre spolene via kontinuerlig styring av det roterende magnetfeltet, noe som resulterer i jevnere bevegelse sammenlignet med 120-graders styring. FOC har nådd et punkt hvor det nå brukes i mange masseproduserte forbrukerprodukter, for eksempel vaskemaskiner.

I FOC måles og styres strømmen til hver statorspole av avanserte algoritmer som krever kompleks numerisk prosessering. Algoritmen må også kontinuerlig transformere de trefasede vekselstrømsverdiene til tofasede likestrømsverdier (en prosess som kalles koordinatfaseomregning), og forenkle de påfølgende ligningene og beregningene som er nødvendige for styring (figur 5). Resultatet av FOC, hvis det gjøres riktig, er en svært nøyaktig og effektiv styring.

Figur 5: En del av FOC-algoritmen krever koordinatfaseomregning for å forenkle de komplekse beregningene av numerisk prosessering. (Bildekilde: Renesas)

Sensoralternativer for tilbakekobling

BLDC-motorer kan styres i en åpen sløyfe-topologi uten tilbakekoblingssignal, eller via en lukket sløyfe-algoritme med tilbakekobling fra en sensor ved motoren. Beslutningen er en funksjon av konstruksjonens nøyaktighet, pålitelighet og sikkerhetshensyn.

Det å legge til en tilbakekoblingssensor øker kostnads- og algoritmekompleksiteten, men gir økt tillit til beregningene, noe som gjør den viktig i mange konstruksjoner. En bevegelsesparameter som er av høy interesse er enten rotorposisjonen eller -hastigheten, avhengig av bruksområdet. Disse to faktorene er nært beslektet: Hastighet er tidsderivatet av posisjon, og posisjon er tidsintegralen av hastighet.

Faktisk gir nesten alle tilbakekoblingssensorer uttrykk for posisjon, og styringen kan bruke signalene deres direkte eller utvikle derivatet for å fastsette hastighet. I enklere tilfeller er hovedoppgaven til tilbakekoblingssensoren å være en sikkerhetsrelatert kontroll av den grunnleggende motorytelsen eller som en stansindikator, i stedet for styring med lukket sløyfe.

Fire typer tilbakekoblingssensorer er vanlige: Hall-effektenheter, optiske pulsgivere (enkoder), resolvere og induktive sensorer (figur 6). Hver av disse tilbyr forskjellige ytelsesegenskaper, oppløsning og kostnader.

Figur 6: Brukere har et bredt spekter av sensoralternativer å velge mellom hvis systemet deres trenger et motortilbakekoblingssignal, som spenner fra Hall-effektenheter til pulsgivere, resolvere og induksjonssensorer. (Bildekilde: Renesas)

Hall-effektenheter anses vanligvis for å være de mest brukervennlige og enkleste å installere, og de er tilstrekkelige i mange situasjoner. Optiske pulsgivere (enkoder) er tilgjengelige med en rekke ulike oppløsninger, fra lav til moderat høy, men de har installasjonutfordringer og kan ha noen pålitelighetsproblemer under langstidsbruk. Resolvere og induktive sensorer er større, tyngre, mer kostbare og kommer med noen grensesnittutfordringer, men de leverer svært høy oppløsning og lang levetid.

Forsyning av strømmen

Polene på børsteløse motorer – enten BLDC- eller trinnmotorer – er elektromagnetiske «spoler», så de må derfor drives av strøm i stedet for spenning. For å strømsette disse polene på en riktig måte, må motorstyringssystemet levere denne strømmen via av/på-brytere (MOSFET-er i de fleste tilfeller) med nøyaktig timing, pulsbredde og styrte stigehastigheter for å drive motoren på en riktig og effektiv måte. Driftsarrangementet må også beskytte MOSFET-ene mot ulike feiltilstander som motorstans, for høye strømkrav, termisk overbelastning og kortslutninger.

For relativt små motorer, som vanligvis krever mindre enn 500 milliampere (mA) til én ampere (A), er det mulig å bygge inn MOSFET-gate-driverne og til og med MOSFET-ene i IC-kapslingen for motorstyring, slik at den fysiske størrelsen blir så liten som mulig. Selv om dette er praktisk og forenkler konstruksjonen, er det i mange tilfeller ikke et praktisk valg, av flere grunner:

• Halvlederprosessene for MOSFET-er med høy ytelse er svært forskjellige fra dem som brukes for den digitale logikken i styringsenheten, så den endelige kombinasjonen er et kompromiss (men et kompromiss som kan være akseptabelt).
• MOSFET-effekttap og varmestyring dikteres i høy grad av konstruksjonens strømbehov. Etter hvert som strøm- og effektnivåene øker, kan MOSFET-avledning på brikker og generert varme raskt overskride kapslingsgrensene. En bedre løsning i disse tilfellene er å skille de digitale funksjonene og strømfunksjonene, slik at konstruktøren kan optimalisere plassering og varmestyring av MOSFET-ene.
• Til slutt, etter hvert som strømnivåene som kreves av motoren øker, kan økningen i IR-drevet spenningsfall i motorens strømledninger bli et problem. Som en konsekvens av dette er det tilrådelig å plassere vekslingsinnretningene nærmere lasten.

Av disse grunnene kommer mange IC-er for motor- og bevegelsesstyring med alle de nødvendige funksjonene, bortsett fra effekt-MOSFET-ene. Topologien til et flertall av MOSFET-er kalles ofte en inverterfunksjon. Bruk av diskrete MOSFET-er gir konstruktøren fleksibilitet til å velge enheter med riktig kombinasjon av spesifikasjoner for faktorer som laststrøm, «på»-motstand, kapslingstype og vekslingsegenskaper.

Sofistikerte IC-er møter utfordringer med motorstyring

Tidligere krevde avansert motorstyring en sammenstilling av IC-er. Vanligvis kan dette innebære en grunnleggende prosessor, som kan utstede generelle kommandoer med en dedikert numerisk koprosessor for å implementere de nødvendige algoritmene, eller en avansert prosessor som kan gjøre begge deler, sammen med gate-drivkretsene for strømenhetene. Ikke bare krevde dette et større kretskortformat og en lengre materialliste (BOM), men det ville ofte være problemer relatert til systemintegrasjon og den tilknyttede feilsøkingen.

Dagens IC-er for motorstyring kan imidlertid gjøre alt i én enkelt enhet, som illustrert av Renesas RAJ306010 (figur 7). I RAJ306010 finnes det mange blokkoblinger som er spesielt målrettet for de unike behovene til motorstyringskonstruksjoner.

Figur 7: Renesas RAJ306010-IC-en har funksjonaliteten som kreves for svært avansert motorstyring (bortsett fra effekt-MOSFET-ene), så den tar dermed mindre plass enn en multi-IC-løsning, samtidig som den forenkler både materiallisten og konstruksjonsintegrasjonen. (Bildekilde: Renesas)

Denne motorstyringskomponenten for generell bruk er beregnet for bruksområder med trefasede børsteløse likestrømsmotorer. Den kombinerer og integrerer tett to ulike roller i en ørliten QFN-kapsling på 8 × 8 millimeter (mm) og med 64 ledere: Den digitale styringsfunksjonen og den for det meste analoge for-driverfunksjonen. Den opererer fra en strømforsyning på 6 til 24 volt og er rettet mot frittstående, stort sett autonome bruksområder som elektroverktøy, hageverktøy, støvsugere, skrivere, vifter, pumper og robotikk. (Vær oppmerksom på at den nesten identiske RAJ306001 er en versjon på 6 til 30 volt som deler det samme databladet som RAJ306010.)

På den digitale siden innlemmer RAJ306010 en 16-bits mikrokontroller (Renesas sin RL78/G1F-klasse) som støttes av 64 kilobyte (kbyte) flashminne-ROM, 4 kbyte dataflashminne-ROM og 5,5 kbyte RAM. I tillegg er det en betydelig mengde digital I/O: generell I/O (GPIO – general purpose I/O), SPI, I²C og en UART. Det er også en ni-kanals, 10-bits analog-til-digital-omformer (ADC) for å bringe analoge signaler inn i enheten.

For å bruke RAJ306010, laster systemdesigneren de ønskede driftsparametrene inn i de aktuelle flashminnestyringsregistrene for å etablere de ønskede driftsmodusene og -tilstandene. IC-en er da klar til å fungere ved oppstart uten behov for ytterligere mikrokontrollere, slik det fremgår av systemblokkskjemaet på høyt nivå for en typisk konstruksjon (figur 8).

Figur 8: Dette systemblokkskjemaet på høyt nivå for en grunnleggende konstruksjon som bruker RAJ306001, viser hvordan det høye integrasjonsnivået minimerer behovet for ytterligere frittstående komponenter. (Bildekilde: Renesas)

Den analoge siden av RAJ306010 har tre gate-drivere med halvbro med en justerbar toppstrøm for gate-driveren på opptil 500 mA, en selvjusterende dødtid-generatorfunksjon som forhindrer «kortslutningspuls» og skade på broen, en strømfølende forsterker og en forsterker med motelektromotorisk kraft (EMF). En integrert ladepumpe øker den leverte gate-driveren til opptil 13 volt fra en lavere spenningsforsyning.

Det er direkte støtte for Hall-effektsensorer, og den analoge inngangen (AFE – analog front-end) kan også brukes til å støtte andre typer tilbakekoblingssensorer. I likhet med andre motorstyringer som er riktig konstruert, finnes det funksjoner som overtemperaturvern, over-/underspenningssperre (UVLO – under voltage lockout), overstrømsdeteksjon og beskyttelse mot motorlåsingstilstander.

Eksemplet i figur 9 viser hvordan RAJ306010 enkelt håndterer en grunnleggende frittstående konstruksjon, for eksempel en 24-volts trådløs kjøkkenmikser, men dette kan være neste alle lignende små apparater. Legg merke til at hoveddelen av kretsen er viet til lading og styring av batteripakken med åtte celler, mens motorstyringen kun krever styringskomponenten, den eksterne trefasede broen (inverteren), en spenningsfølsom krets med tilbakekobling (via en strømfølsom motstand) og brukerens «start»-knapp.

Figur 9: Den funksjonelle integrasjonen på høyt nivå av RAJ306010 viser tydelig hvor få ekstra kretser og hvor få ekstra komponenter er nødvendig for motorens hovedstyringsfunksjon for et grunnleggende apparat, for eksempel denne batteridrevne kjøkkenmikseren. (Bildekilde: Renesas)

Få praktisk erfaring med BLDC-motorstyring

Det er én ting å planlegge, simulere, evaluere og justere en motorstyringskonstruksjon «på papir» eller på en datamaskin ved hjelp av forskjellige modeller av hele systemet. Det er noe helt annet å kjøre en faktisk motor og teste ytelsen ved hjelp av virkelige komponenter, reelle laster og ekte dynamikk, samt det å lære virkningen av å fastsette de innledende oppstartsforholdene og endringer i forskjellige ytelsesparametere.

Det er her Renesas sitt RTK0EML2C0S01020BJ-evalueringssystem for motorstyring (Motor Control Evaluation System) (figur 10) er en viktig ressurs for konstruktøren, kombinert med Renesas-motorarbeidsbenken (Motor Workbench) for enkel feilsøking. Dette programvareverktøyet gjør det mulig for konstruktøren å bli kjent med driften av RAJ306010, dets inngangs- og utgangsmoduser og funksjonene til de forskjellige styringsregistrene.

Figur 10: Dette viktige kortet i Renesas sitt RTK0EML2C0S01020BJ-evalueringssystem for motorstyring, når det brukes i kombinasjon med Renesas Motor Workbench-programvaren, reduserer tiden for finjustering av parametere og evaluering av motorytelse ved å bruke RAJ306010 IC-en for motorstyring. (Bildekilde: Renesas)

For å komme enda raskere i gang med produktutviklingsfasen, omfatter evalueringssystemet en 24 volt/420 mA børsteløs likestrømsmotor (BLDC-motor) med en hastighet på 3900 O/MIN (RPM) uten last og et nominelt dreiemoment på 19,6 millinewtonmeter (mN-m) (tilsvarende 200-gram kraft-centimeter). I tillegg leverer Renesas kontrollrutiner for testprogramvare for både sensorfri og sensorbasert styring.

Konklusjon

Konstruktører som integrerer likestrømsmotorer i systemene sine, har mange alternativer utover den klassiske børstede likestrømsmotoren. Kostnadseffektive BLDC-motorer med høy ytelse er tilgjengelige, og disse tilbyr effekt og presisjon i små kapslinger. For å utnytte potensialet til disse BLDC-motorene fullt ut, innlemmer og implementerer smarte styringer de nødvendige algoritmene i henhold til brukerens ønskede parametere. De gir også den nødvendige drivkraften for motorens vekslende MOSFET-er og andre analoge I/O-er for å oppnå en komplett motorstyringsløsning.

Som vist forenkler IC-er som Renesas RAJ306010, som er støttet av utviklingssett og programvare, konstruksjonsutfordringen som omfatter å levere høy ytelse, liten størrelse og effektiv motorstyring for konstruksjoner som apparater, bilseter og vinduer, samt mange andre bruksområder som nå er vanlige.

Referanser

1. BLDC-motorstyringsalgoritmer
2. RTK0EML2C0S01020BJ evalueringssystem for BLDC-motorstyring for RAJ3060xx IC-er for motorstyring
3. Installasjonsnotat R01AN3786EJ0102, «Sensorfri vektorstyring for synkronmotor med permanente magneter (algoritme)»
4. Løsning for bærbare elektroverktøy
5. 24V trådløs kjøkkenmikser
6. Motorløsninger: Brukervennlig utviklingsmiljø for motorstyring som forkorter tiden det tar å få produktet ut på markedet