Bruk sensorløs vektorstyring med BLDC- og PMS-motorer til å levere nøyaktig bevegelsesstyring

Behovet for nøyaktig bevegelsesstyring er i en voksende trend på tvers av bruksområder, for eksempel robotikk, droner, medisinsk utstyr og industrielle systemer. Børsteløse likestrømsmotorer (BLDC-er) og vekselstrømsdrevne synkronmotorer med permanente magneter (PMSM-er) kan levere den nødvendige nøyaktigheten, og samtidig oppfylle behovet for høy effektivitet i en kompakt størrelse. I motsetning til børstede likestrømsmotorer og vekselstrøm-induksjonsmotorer, som er enkle å koble til og kjøre, er BLDC-er og PMSM-er mye mer kompliserte.

For eksempel tilbyr teknikker som sensorløs vektorstyring (også kalt feltorientert styring eller FOC) utmerket effektivitet og fordelen av å eliminere sensorens maskinvare, noe som dermed reduserer kostnader og forbedrer påliteligheten. Problemet for konstruktører er at sensorløs vektorstyring er komplisert å implementere, så bruken kan forlenge utviklingstider, gi økte kostnader og muligens føre til tapte tidsvinduer når det ferdige produktet skal ut på markedet.

For å løse dette dilemmaet kan konstruktører velge å benytte utviklingsplattformer og evalueringskort som allerede har den sensorløse programvaren for vektorstyring integrert, slik at de kan fokusere på problemer relatert til systemkonstruksjon og ikke kjøre seg fast i nyansene når det kommer til koding av styringsprogramvaren. I tillegg omfatter disse utviklingsmiljøene all maskinvaren for motorstyring og strømstyring integrert i et komplett system, noe som sørger for at det ferdige produktet kommer raskere ut på markedet.

Denne artikkelen tar kort for seg noen av behovene for nøyaktig bevegelsesstyring, og den går gjennom forskjellene mellom børstet likestrøm, vekselstrøm-induksjon, BLDC-er og PMSM-er. Deretter oppsummerer den det grunnleggende om vektorstyring før den introduserer flere plattformer og evalueringskort fra Texas Instruments, Infineon Technologies og Renesas Electronics, i tillegg til en konstruksjonsveiledning som legger til rette for utviklingen av presisjonssystemer for bevegelsesstyring.

Eksempler på bruksområder for nøyaktig bevegelsesstyring

Droner er komplekse bevegelsesstyringssystemer som vanligvis bruker fire eller flere motorer. Nøyaktig og koordinert bevegelsesstyring er nødvendig for å gjøre det mulig for en drone å sveve og stige opp eller ned (figur 1).

Figur 1: Droner bruker vanligvis fire eller flere motorer, vanligvis BLDC-er eller PMSM-er, som spinner med 12 000 omdreininger per minutt (RPM) eller høyere, og de drives av en elektronisk hastighetsstyring (ESC). Dette eksemplet viser en ESC-modul i en drone som bruker en børsteløs motor med sensorløs styring. (Bildekilde: Texas Instruments)

For å kunne sveve, må den samlede skyvekraften til rotorene som skyver dronen opp være balansert og nøyaktig lik gravitasjonskraften som trekker den ned. Ved å øke skyvekraften (hastigheten) til rotorene, kan dronen stige rett opp. Vekselvis fører en reduksjon av rotorkraften til at dronen stiger ned. I tillegg er det giring (spinne dronen), stigning (fly dronen forover eller bakover) og roll (fly dronen til venstre eller høyre).

Nøyaktig og repeterende bevegelse er en av funksjonene til mange robotkonstruksjoner. En stasjonær industriell robot med flere akser må være i stand til å levere forskjellige kraftmengder i tre dimensjoner for å kunne flytte gjenstander med forskjellig vekt (figur 2). Motorer på innsiden av roboten leverer variabel hastighet og rotasjonskraft (moment) ved nøyaktige punkter, som robotens styringsenhet bruker til å koordinere bevegelse langs forskjellige akser for å gi nøyaktig hastighet og posisjonering.

Figur 2: En stasjonær industriell robot med flere akser må være i stand til å levere forskjellige kraftmengder i tre dimensjoner for å kunne flytte gjenstander med forskjellig vekt og koordinere aktivitetene sine med andre roboter på produksjonslinjen. (Bildekilde: Texas Instruments)

Når det kommer til mobile roboter med hjul, kan et nøyaktig differensialdrivsystem brukes til å styre både hastighet og bevegelsesretning. To motorer brukes til å gi bevegelse, i kombinasjon med ett eller to styrehjul som balanserer lasten. De to motorene kan drives med forskjellige hastigheter for å gi rotasjon og retningsendring, og lik hastighet på begge motorene resulterer i bevegelse i rett linje, enten fremover eller bakover. Selv om motorstyringene er mer komplekse sammenlignet med et konvensjonelt styresystem, er denne tilnærmingen mer nøyaktig og mekanisk enklere, noe som derfor gjør den mer pålitelig.

Motorvalg

Grunnleggende likestrømsmotorer og vekselstrøm-induksjonsmotorer er relativt billige og enkle å drive. De brukes regelmessig i et bredt spekter av konstruksjoner, fra støvsugere til industrielle maskiner, kraner og heiser. Men selv om de er billige og enkle å drive, er de ikke i stand til å gi den nøyaktige driften som kreves av konstruksjoner som roboter, droner, medisinsk utstyr og industrielt presisjonsutstyr.

En enkel børstet likestrømsmotor genererer dreiemoment ved å mekanisk veksle strømretningen i koordinasjon med rotasjon ved å bruke en kommutator og børster. Noen av svakhetene til børstede likestrømsmotorer er blant annet behovet for vedlikehold på grunn av slitasje på børstene og genereringen av elektrisk og mekanisk støy. En pulsbreddemodulasjon (PWM)-driver kan brukes til å styre rotasjonshastigheten, men presisjonsstyring og høy effektivitet er vrient på grunn av den iboende mekaniske naturen til børstede likestrømsmotorer.

En BLDC eliminerer kommutatoren og børstene på børstede likestrømsmotorer, og avhengig av hvordan statorene er viklet, kan den også være en PMSM. Statorspolene vikles på en trapesformet måte i en BLDC-motor, og den motelektromotoriske kraften (EMF) som produseres har en trapesformet bølgeform, mens PMSM-statorer vikles på en sinusformet måte og produserer en sinusformet motelektromotorisk kraft (E_bemf) (Figur 3).

Figur 3: En PMSM-motor genererer en sinusformet E_bemf-bølge, mens en BLDC genererer en trapesformet E_bemf-bølge. (Bildekilde: Texas Instruments)

Moment i BLDC- og PMSM-motorer er en funksjon av strøm og motelektromotorisk kraft. BLDC-motorer drives med kvadratbølge-strøm, mens PMSM-motorer drives med sinusformet strøm.

BLDC-motorfunksjoner:

• Enklere å styre med sekstrinns kvadratbølge-strøm
• Produserer betydelig moment-rippel
• Har lavere kostnader og ytelse enn PMSM-er
• Kan implementeres med Hall-effektsensorer eller sensorløs styring

PMSM-egenskaper:

• Mer kompleks styring som bruker trefaset sinusformet pulsbreddemodulasjon
• Ingen moment-rippel
• Høyere effektivitet, moment og kostnader enn BLDC
• Kan implementeres med akselpulsgiver eller sensorløs styring

Hva er vektorstyring?

Vektorstyring er en drivstyringsmåte for motorer med variabel frekvens der statorstrømmen til en trefaset elektrisk motor identifiseres som to ortogonale komponenter som kan visualiseres med en vektor. Den ene komponenten definerer motorens magnetiske fluks, og den andre definerer momentet. Hovedelementet i vektorstyringsalgoritmen er to matematiske transformasjoner: Clarke-transformasjonen modifiserer et trefaset system til et to-koordinatsystem, mens Park-transformasjonen konverterer vektorer i to-fasede stasjonære systemer til vektorer i roterende systemer, og invers av dette.

Bruken av Clarke- og Park-transformasjonene bringer statorstrømmen som kan styres, inn i rotordomenet. Ved å gjøre dette, kan et motorstyringssystem fastsette spenningene som skal forsynes til statoren for å maksimere momentet under belastninger som endres dynamisk.

Høyytelses hastighet og/eller posisjonsstyring krever presis kunnskap om rotorakselens posisjon og hastighet i sanntid, slik at fasemagnetiseringspulsene til rotorposisjonen kan synkroniseres. Denne informasjonen har vanligvis blitt forsynt av sensorer som for eksempel absolutte pulsgivere og magnetiske resolvere festet til motorens aksel. Disse sensorene har flere systemulemper: lavere pålitelighet, mottakelighet for støy samt høyere kostnader, vekt og kompleksitet. Sensorløs vektorstyring eliminerer behovet for hastighets-/posisjonssensorer.

Høyytelses mikroprosessorer og digitale signalprosessorer (DSP-er) gjør det mulig å innlemme moderne og effektiv styringsteori i avansert systemmodellering, noe som sikrer optimal strøm- og styringseffektivitet for alle sanntidsbaserte motorsystemer. Med den økende beregningskraften og de stadig synkende kostnadene for mikroprosessorer og DSP-er, forventes det at sensorløs styring vil erstatte sensorisk vektorstyring på globalt basis, i tillegg til styring for én-variabel skalar volt-per-hertz (V/f), som er ukomplisert, men har lavere ytelse.

Drift av trefasede PMSM- og BLDC-motorer for industrielle og forbrukerfokuserte roboter

For å arbeide rundt kompleksiteten til vektorstyring, kan utviklere bruke ferdiglagede evalueringskort. For eksempel er DRV8301-69M-KIT fra Texas Instruments en DIMM100 controlCARD-basert hovedkortevalueringsmodul som utviklere kan bruke til å utvikle trefasede PMSM/BLDC-motordriverløsninger (figur 4). Den omfatter DRV8301, som er en trefaset portdriver med to strømshuntforsterkere og en buck-regulator, samt et InstaSPIN-aktivert Piccolo TMS320F28069M-mikrokontrollerkort (MCU).

Figur 4: Utviklere kan utarbeide trefasede PMSM/BLDC-motordriverløsninger ved å bruke DRV8301-69M-KIT-motorsettet som omfatter DRV8301 og et InstaSPIN-aktivert Piccolo TMS320F28069M mikrokontrollerkort. (Bildekilde: Texas Instruments)

DRV8301-69M-KIT er et InstaSPIN-FOC og InstaSPIN-MOTION Texas Instruments-teknologibasert motorstyring-evalueringssett for trefasede PMSM- og BLDC-motorer som spinner. Med InstaSPIN kan DRV8301-69M-KIT-utviklere raskt identifisere, automatisk justere og styre en trefaset motor, noe som gir et «øyeblikkelig» stabilt og funksjonelt motorstyringssystem.

Kombinert med InstaSPIN-teknologien, gir DRV8301-69M-KIT en energieffektiv, kostnadseffektiv, sensorløs eller pulsgiver-sensoraktivert FOC-plattform med høy ytelse som fremskynder utviklingen for å få produktet raskere ut på markedet. Bruksområdene omfatter synkronmotorer på under 60 volt (V) og 40 ampere (A) for drivpumper, porter, heiser og vifter, samt industrielle og forbrukerfokuserte roboter og automatisering.

DRV8301-69M-KIT maskinvarefunksjoner:

• Et trefaset vekselretterbasiskort med grensesnitt for å håndtere DIMM100-controlCARD
• Et trefaset DRV8301 likeretter-integrert kraftmodul-basiskort (med integrert 1,5 A nedtransformeringsomformer/buck-omformer) som støtter opptil 60 V og 40 A kontinuerlig
• TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC- og InstaSPIN-MOTION-kortene
• Muligheten til å jobbe med MotorWare-støttet TMDXCNCD28054MISO (selges separat) og TMDSCNCD28027F + ekstern emulator (selges separat)

Høyytelses, høyeffektiv PMSM- og BLDC-motordriver

EVAL-IMM101T fra Infineon Technologies er en komplett startpakke som omfatter en IMM101T Smart IPM (integrert drivmodul) som leverer en fullstendig integrert, bruksklar, høyspent motordriverløsning som utviklere kan bruke med høyeffektive PMSM/BLDC-motorer med høy virkningsgrad (figur 5). EVAL-IMM101T omfatter også andre nødvendige kretser som er påkrevd for «bruksklar» evaluering av IMM101T Smart IPM-er, for eksempel likeretter og EMI-filtertrinn, samt en isolert feilsøkerdel med USB-tilkobling til en datamaskin.

Figur 5: IMM101T-evalueringskortet er en komplett løsning som omfatter en bevegelsesstyringsmotor (MCE 2.0), portdriver og tre-faset vekselretter som er i stand til å drive PMSM- og BLDC-motorer ved å bruke sensorløs FOC. (Bildekilde: Infineon Technologies)

EVAL-IMM101T ble utviklet for å støtte utviklere i deres første trinn med å utvikle konstruksjoner med en IMM101T Smart IPM. Evalueringskortet er utstyrt med alle modulgrupper for sensorløs FOC. Den omfatter en en-faset vekselstrømkontakt, et EMI-filter, en likeretter og en trefaset utgang for tilkobling av motoren. Effekttrinnet omfatter også en kildeshunt for strømføling og en spenningsdeler for måling av spenning på glattekrets (DC link).

Infineons IMM101T tilbyr forskjellige alternativer for styringskonfigurering for PMSM/BLDC-drivsystemer i en kompakt overflatemontert pakke på 12 x 12 millimeter (mm), noe som minimerer antall eksterne komponenter og området til kretskort. Pakken er termisk forbedret slik at den kan gi god ytelse med eller uten kjøleribbe. Pakken har en 1,3 mm krypningsavstand mellom høyspenningsputene under pakken for å gjøre overflatemontering enklere og øke systemets robusthet.

IMM100-serien integrerer enten en 500 V FredFET eller en 650 V CoolMOS MOSFET. Avhengig av effekt-MOSFET-ene som brukes i pakken, dekker IMM100-serien bruksområder med en nominell utgangseffekt fra 25 til 80 watt (W) med 500 V/600 V maksimal likespenning. I versjonene med 600 V er effekt-MOS-teknologien klassifisert til 650 V, mens portdriveren er klassifisert til 600 V, noe som fastsetter den maksimalt tillatte likespenningen i systemet.

24 V evalueringssystem for motorstyring

Utviklere av 24 V PMSM/BLDC-motordrivere kan velge å benytte Renesas sitt evalueringssystem for motorstyring, RTK0EM0006S01212BJ, for RX23T-mikrokontrollere (figur 6). RX23T-enhetene er 32-biters mikrokontrollere som er egnet for enkel vekselretterstyring med en integrert flytetallsbrikke (FPU – floating point unit) som gjør at de kan brukes til å behandle komplekse likeretterstyringsalgoritmer. Dette bidrar til å redusere antall arbeidstimer som kreves for programvareutvikling og vedlikehold.

Figur 6: Det 24-volts evalueringssystemet for motorstyring fra Renesas for RX23T-mikrokontrolleren omfatter et likeretterkort for å drive PMSM-en som er inkludert i evalueringspakken. (Bildekilde: Renesas Electronics)

I tillegg, på grunn av kjernen, er strømmen som forbrukes i programvarens ventemodus (med RAM-lagring) bare 0,45 mikroampere (μA). RX23T-mikrokontrollere opererer i området 2,7 til 5,5 V, og de er svært kompatible med RX62T-linjen på nivåene for pinneoppstilling og programvare. Settet inneholder:

• 24 V likeretterkort
• PMSM-styringsfunksjon
• Strømdeteksjonsfunksjon med tre shunter
• Funksjon for overstrømsbeskyttelse
• CPU-kort for RX23T-mikrokontroller
• USB mini B-kabel
• PMSM

Konklusjon

BLDC-er og PMSM-er kan brukes til å levere løsninger for nøyaktig bevegelsesstyring som er både kompakte og svært effektive. Bruken av sensorløs vektorstyring med BLDC- og PMS-motorer bidrar til å eliminere sensormaskinvaren, noe som dermed reduserer kostnader og forbedrer påliteligheten. Sensorløs vektorstyring i disse konstruksjonene kan imidlertid være en kompleks og tidskrevende prosess.

Som vist, kan utviklere velge å bruke utviklingsplattformer og evalueringskort som leveres med programvare for sensorløs vektorstyring. I tillegg omfatter disse utviklingsmiljøene all maskinvare for motorstyring og strømstyring integrert i et komplett system, noe som får det ferdige produktet raskere ut på markedet.

Anbefalt lesing

1. Feltkontroll fører til økt effektivitet for vekselstrømsmotorer
2. Det neste evolusjonære trinnet innen dronekonstruksjon