Komme i gang med sensorfri feltorientert styring for BLDC-motorer og Infineon

Elektriske motorer finnes overalt: i hjemmene våre, på arbeidsplasser og i kjøretøy. La oss for eksempel se på en typisk moderne bil, den har i gjennomsnitt rundt 35 motorer fordelt over hele kjøretøyet. Både standard likestrømsmotorer og BLDC-motorer (BLDC – brushless direct current), også kalt børsteløse likestrømsmotorer, brukes i alt fra drivstoffpumper til vindusheiser (figur 1).

Figur 1. Typiske bruksområder for standard likestrømsmotorer og børsteløse likestrømsmotorer (BLDC). (Bildekilde: Infineon)

Med veksten innen elektriske og hybridelektriske kjøretøy (HEV), går trenden mot enda flere motorer per kjøretøy. Dessuten brukes standard likestrømsmotorer og BLDC-motorer ofte i mange industrielle automasjons-, styrings- og robotkonstruksjoner.

BLDC-motorer brukes vanligvis i mer krevende konstruksjoner på grunn av ytelsesfordelene de har sammenlignet med børstede likestrømsmotorer. BLDC-motorer tilbyr høyere effektivitet, lengre levetid og høyere dreiemoment per vektforhold sammenlignet med standard likestrømsmotorer. BLDC-ulempene omfatter høyere kostnader og krav til ekstra styringskretser.

Selv oppgraderte jeg nylig den batteridrevne drillen og slagdriveren min fra børstet til børsteløs likestrømsmotor (BLDC)-teknologi. Forbedringen i dreiemoment og batterilevetid var enestående og vel verdt den ekstra kostnaden.

BLDC-motorer

BLDC-motorer er en variant av en tradisjonell standard likestrømsmotor. Hovedforskjellen er at BLDC-motoren krever at kommuteringen utføres elektronisk i stedet for med mekaniske børster. Rotoren til en BLDC-motor omfatter permanente magneter, og statoren er viklet med et tilsvarende sett med poler. En styringskrets brukes til å strømsette viklingene og generere et roterende felt. Bevegelse og moment genereres når rotormagnetene forsøker å rette seg inn med det roterende statorfeltet.

Sensorfri feltorientert styring (FOC – Field Oriented Control)

Sensorfri feltorientert styring (FOC) er en av måtene som brukes til å styre hastigheten og dreiemomentet til en BLDC-motor. Feltorientert styring (også kjent som vektorstyring) er en teknikk som brukes til å generere en trefaset sinusformet modulasjon, som deretter kan styres i frekvens og amplitude. Beregninger brukes til å transformere de trefasede signalene til to faser, som er enklere å styre og implementere i motorstyringskretsen. Sensorfri styring eliminerer posisjonssensorene og måler i stedet motelektromotorisk kraft (EMF – electromotive force) for å fastsette rotorposisjonen.

Implementering av sensorfri FOC i en mikrokontroller

Implementering av sensorfri FOC innebærer å ta signalmålinger og utføre matematiske beregninger. En mikrokontroller med den nødvendige ytelsen og et sett med nødvendig periferiutstyr er et godt valg når det kommer til å implementere denne funksjonaliteten. Infineon sin TLE9879QXA40 er en trefaset enkeltbrikke-motordriver med system på brikke (SoC – System on Chip) som integrerer en Arm® Cortex® -M3-kjerne (figur 2).

Figur 2. TLE9879x konstruksjonsblokkskjema. (Bildekilde: Infineon)

Den omfatter seks fullstendig integrerte NFET-drivere som er optimalisert for å drive en trefaset motor via seks eksterne NFET-er, en ladepumpe som muliggjør lavspenningsdrift, og programmerbar strøm kombinert med strømflankestyring (current slope control) for optimalisert EMC-adferd. Settet med periferiutstyr omfatter en strømsensor, en suksessiv approksimasjon-ADC (ADC – A-D-omformer) synkronisert med enheten for innhenting og sammenligning for PWM-styring, og 16-biters tidsur. En LIN-transceiver er også integrert for å muliggjøre kommunikasjon til enheten samt til en rekke I/O-er for generelle formål. Den omfatter en integrert lineær spenningsregulator for å forsyne eksterne laster.

Infineon sin TLE9879QXA40 er en god løsning for å implementere feltorientert styring av BLDC-motorer. Den har ytelsen og funksjonssettet som skal til for å implementere en kostnadseffektiv BLDC-motordriver med høy ytelse som bruker minimal plass på kretskortet. Det dyptgående installasjonsnotatet «Sensorfri feltorientert styring (FOC) med integrert strømforsyning» (Sensorless Field Oriented Control with Embedded Power SoC) beskriver FOC-teorien og hvordan algoritmen kan implementeres.

Komme i gang

Infineon sitt rimelige evalueringskort, BLDC_SHIELD_TLE9879, er en enkel måte å komme i gang med sensorfri FOC på. Den er basert på TLE9879QXA40 og konstruert for å drive BLDC-motorer i kombinasjon med et Arduino-kompatibelt basiskort. Når det kombineres med en Arduino Uno og en kompatibel BLDC-motor, kan du sette motoren i drift på mindre enn én time (figur 3).

Figur 3. BLDC_SHIELD_TLE9879 montert på et Arduino Uno-basiskort. (Bildekilde: Infineon)

Skjemaer, Arduino-bibliotek og fullstendig dokumentasjon for BLDC_SHIELD_TLE9879 er tilgjengelige på https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. Mens jeg gjennomgikk denne bloggen, brukte jeg tid på å jobbe med Uno og skjerming for å gjøre meg kjent med driften av en BLDC-motor. Konfigurasjonstrinn, testkode og dokumentreferanser er inkludert i prosjektet mitt, Drive en BLDC-motor med Infineon sin trefasede TLE9879Qx-motordriverskjerming (Driving a BLDC Motor with Infineon 's TLE9879Qx 3-Phase Motor Driver Shield), som er lagt ut på Digi-Keys TechForum.

Produktutvikling

For de som er interessert i å finne ut mer om konstruksjoner og utvikling basert på TLE9879Qx, tilbyr Infineon ytterligere ressurser. Innledningsvis er kildekoden for fastvaren, som er flashet på BLDC-skjoldet, tilgjengelig som Keil uVision-prosjektfiler. Prosjektfilene er inkludert i programvarenedlastingen «BLDC-skjerming for Arduino med TLE9879QXA40» (BLDC Shield for Arduino with TLE9879QXA40) fra Infineon på lenken BLDC_SHIELD_TLE9879 på prosjektsiden for skjermingen. I tillegg, hvis vi ser bort fra BLDC-skjermingen, er REF_WATERPUMP100W-pumpereferansekonstruksjonen og REF_ENGCOOLFAN1KW-viftereferansekonstruksjonen tilgjengelige fra DigiKey.

Konklusjon

Infineon sitt evalueringskort, BLDC_SHIELD_TLE9879, gir en rask og billig måte å komme i gang med sensorfri FOC på, for å drive BLDC-motorer. Kortet er også en god ressurs for mer avanserte brukere som ønsker å evaluere TLE9879QXA40 og begynne med kildekoden som er oppgitt.

Eksterne referanser

1 – Infineon. «Motorhåndbok» (Motor Handbook)

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-motorcontrol_handbook-AdditionalTechnicalInformation-v01_00-EN.pdf