Cum să începeți rapid un proiect de control al motorului c.c. fără perii folosind circuite integrate cu grad înalt de integrare

Datorită evoluției accelerate către controlul electronic al sistemelor mecanice, determinată în mare parte de Internetul lucrurilor (IoT) și de electrificarea automobilelor, proiectanții folosesc motoare de mică putere pentru sarcini de bază în aplicații care variază de la aparate electrocasnice, încuietori de ușă și jaluzele comandate de la distanță, până la pompe, scaune, ferestre și uși de automobile. Aceste motoare c.c., care variază de la puteri mici, sub-fracționale, până la mai mulți cai putere, sunt omniprezente, dar adesea nevăzute.

În timp ce îmbunătățirile aduse motoarelor, precum și o tehnologie de control al motoarelor mai bună și mai ușor de utilizat contribuie la această proliferare rapidă, proiectanții sunt supuși unei presiuni constante de a îmbunătăți eficiența și a reduce costurile, obținând în același timp precizie și fiabilitate mai mari.

Variațiile motorului c.c. fără perii (BLDC) și ale motorului pas cu pas (un alt tip de motor de curent continuu fără perii) pot ajuta proiectanții să îndeplinească aceste obiective de performanță și de cost din ce în ce mai exigente, dar numai cu o atenție deosebită acordată controlerului de motor și circuitelor de acționare a motorului. Controlerul trebuie să transmită semnale de acționare adecvate comutatoarelor electronice de acționare a motorului (de obicei MOSFET-uri) și să facă acest lucru cu o sincronizare și o durată atent controlate. De asemenea, acesta trebuie să controleze traiectoria de creștere/scădere a turației motorului, precum și să detecteze și să se adapteze la inevitabilele probleme minore și defecțiunile complicate ale motorului sau ale sarcinii.

Acest articol analizează funcțiile oferite de circuitele integrate de control pentru motoarele BLDC. În plus, oferă o perspectivă generală asupra atributelor electrice ale motoarelor BLDC și explică modul în care un controler sofisticat permite unui motor BLDC să îndeplinească obiectivele aplicației folosind seria de circuite integrate de control al motorului RAJ306010 de la Renesas.

Traseul de control al motorului și motorul

Traseul de la software-ul de control al mișcării la motor include un procesor pe care rulează software-ul, driverele de poartă pentru dispozitivele de comutare a puterii motorului și motorul (Figura 1). De asemenea, poate exista un traseu de la un senzor al motorului înapoi la procesor prin intermediul unui front-end analogic, care să furnizeze informații despre poziția sau viteza rotorului motorului, pentru a confirma performanța și a închide o buclă de reacție.

Figura 1: controlul motoarelor din zilele noastre începe cu un software încorporat ca firmware în procesor, ce controlează driverele de poartă care, la rândul lor, comută energia înapoi către înfășurările motorului; de asemenea, poate exista o buclă de reacție acționată de senzori de la motor la procesor. (Sursă imagine: Renesas)

Proiectanții au la dispoziție două opțiuni principale pentru motorul fără perii acționat de curent continuu: motorul BLDC și motorul pas cu pas. Ambele funcționează datorită interacțiunii magnetice dintre magneții lor permanenți interni și comutarea bobinelor lor electromagnetice. Avantajele și dezavantajele relative ale acestor două variante, în ceea ce privește aplicația vizată, determină care dintre ele va fi aleasă pentru utilizare.

În general, motoarele BLDC sunt extrem de fiabile, eficiente și pot furniza un cuplu mare la diverse viteze. Polii statorici ai motorului sunt alimentați în succesiune, ceea ce determină mișcarea rotorului (cu magneții săi permanenți). De obicei, motoarele BLDC au trei statoare controlate electronic în jurul componentelor lor periferice (Figura 2).

Figura 2: statoarele motorului BLDC sunt alimentate în secvență, astfel ca rotorul cu magnet permanent să fie acționat. (Sursă imagine: Renesas)

Printre principalele atribute ale motoarelor BLDC se numără capacitatea de reacție, accelerația rapidă, fiabilitatea, durata de viață lungă, funcționarea la viteze mari și densitatea de putere ridicată. Deseori, acestea sunt alese în aplicații precum echipamente medicale, ventilatoare de răcire, unelte electrice fără fir, plăci turnante și echipamente de automatizare.

Motorul pas cu pas funcționează în mod similar cu motoarele BLDC, cu excepția faptului că mișcările rotative ale acestuia sunt mult mai mici, prin împărțirea unei rotații complete într-un număr mare de pași cu unghiuri egale (de obicei, 128 sau 256). În loc să se rotească continuu, rotorul motorului este antrenat secvențial pentru a „păși” prin aceste trepte cu unghiuri mici (Figura 3). Acest lucru permite poziționarea precisă a rotorului pe măsură ce acesta se sincronizează cu câmpul magnetic produs de polii statorici excitați.

Figura 3: mișcarea pas cu pas are un număr mare de poli statorici care sunt aranjați în jurul rotorului și a magneților permanenți ai acestuia; prin alimentarea acestor poli în secvență controlată, rotorul se rotește și trece prin unghiuri mici. (Sursă imagine: Renesas)

Motoarele pas cu pas sunt fiabile, precise și oferă accelerație și reacție rapidă. Datorită funcționării în trepte și construcției motorului, controlul în buclă deschisă și stabilitatea poziționării sunt adesea suficiente chiar și pentru aplicații de precizie, cum ar fi unitățile CD, scanerele plate, imprimantele și plotterele. Aplicațiile avansate pot adăuga un senzor de reacție și un control în buclă închisă pentru precizie suplimentară și confirmarea performanței.

Opțiuni de control al motorului BLDC

Spre deosebire de motoarele de inducție c.a. sau cele c.c. cu perii, în cazul cărora principalul mijloc de control al vitezei și al cuplului este reprezentat de reglarea tensiunii de alimentare, motorul BLDC este controlat prin sincronizarea atentă a activării și deconectării MOSFET-urilor de comutare a puterii. Acest lucru permite motorului să gestioneze în mod eficient și precis o mare varietate de sarcini.

Aceste cerințe pot varia de la asigurarea unui număr mare de rotații pe minut (RPM), necesare pentru a deplasa cantități mari de aer în scopul de a asigura aspirarea într-un aspirator fără fir, până la uneltele electrice care trebuie să aibă un cuplu de pornire ridicat, în special dacă motorul este blocat din cauza sarcinii. De asemenea, în multe aplicații, motorul trebuie să poată rezista la schimbările mari de sarcină care necesită timpi de răspuns rapizi pentru a menține un număr constant de rotații pe minut.

Există strategii comune pentru controlul motorului BLDC: controlul de bază la 120⁰ pentru pornire/oprire și controlul vectorial. În controlul la 120⁰ pentru pornire/oprire, două dintre cele trei bobine ale motorului BLDC sunt alimentate, iar șase modele de alimentare sunt comutate într-o secvență rotativă pentru a susține rotația în ambele sensuri (Figura 4).

Figura 4: polii statorici ai motorului BLDC (stânga) pot fi alimentați în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers (dreapta), antrenând astfel rotorul în ambele direcții, în funcție de necesitățile aplicației. (Sursă imagine: Renesas)

În acest mod, bobinele statorului sunt alimentate cu curent de pornire/oprire (o undă pătrată), ceea ce rezultă într-un profil de accelerație trapezoidală pe măsură ce motorul accelerează, menține viteza și apoi scade în viteză atunci când bobinele sunt dezactivate. Avantajele acestei abordări sunt simplitatea inerentă și operarea directă.

Cu toate acestea, există vulnerabilitate la fluctuațiile de performanță în funcție de sarcină și alte modificări, iar precizia și eficiența nu sunt suficient de ridicate pentru anumite aplicații. Algoritmii sofisticați din controlerul motorului pot depăși aceste neajunsuri într-o anumită măsură, prin ajustarea sincronizării pornirii/opririi MOSFET-ului, precum și prin utilizarea controlului proporțional-integral-derivativ (PID) sau proporțional-integral (PI).

O alternativă care a devenit din ce în ce mai atractivă este controlul vectorial, numit și control orientat pe câmp (FOC). În această abordare, toate cele trei bobine sunt alimentate prin controlul continuu al câmpului magnetic rotativ, ceea ce duce la o mișcare mai lină în comparație cu controlul la 120 de grade. FOC a avansat atât de mult încât acum este utilizat în multe produse de larg consum, cum ar fi mașinile de spălat haine.

În cazul FOC, curentul pentru fiecare bobină a statorului este măsurat și controlat prin algoritmi avansați care necesită o procesare numerică complexă. De asemenea, algoritmul trebuie să transforme în mod continuu valorile de curent alternativ trifazat în valori de curent continuu bifazat (un proces numit conversie coordonată-fază), simplificând ecuațiile și calculele ulterioare necesare pentru control (Figura 5). Dacă este realizat în mod corespunzător, FOC rezultă într-un control foarte precis și eficient.

Figura 5: o parte a algoritmului FOC necesită conversia coordonată-fază pentru simplificarea calculelor complexe de procesare numerică. (Sursă imagine: Renesas)

Opțiuni de senzori pentru feedback

Motoarele BLDC pot fi controlate într-o topologie cu buclă deschisă, fără semnal de reacție, sau printr-un algoritm cu buclă închisă cu reacție de la un senzor de pe motor. Decizia depinde de precizia, fiabilitatea și considerentele de siguranță ale aplicației.

Adăugarea unui senzor de reacție crește costul și complexitatea algoritmului, dar sporește încrederea în calcule, ceea ce îl face esențial în multe aplicații. În funcție de aplicație, parametrul de mișcare de interes principal este fie poziția rotorului, fie viteza. Acești doi factori sunt strâns legați: viteza este derivata în timp a poziției, iar poziția este integrala în timp a vitezei.

De fapt, aproape toți senzorii de reacție indică poziția, iar controlerul poate utiliza în mod direct semnalele acestora sau poate dezvolta derivata pentru a determina viteza. În cazuri mai simple, rolul principal al senzorului de reacție este mai degrabă unul legat de siguranță, și anume de a verifica performanțele de bază ale motorului sau de a indica o blocare, decât de a asigura controlul în buclă închisă.

În mod obișnuit se utilizează patru tipuri de senzori de reacție: dispozitive cu efect Hall, codificatoare optice, rezolvere și senzori inductivi (Figura 6). Fiecare dintre acestea oferă diferite atribute de performanță, rezoluție și costuri.

Figura 6: utilizatorii au la dispoziție o gamă largă de opțiuni de senzori în cazul în care sistemul lor are nevoie de un semnal de reacție a motorului, de la dispozitive cu efect Hall la codificatoare, rezolvere și senzori de inducție. (Sursă imagine: Renesas)

În general, dispozitivele cu efect Hall sunt considerate a fi cele mai simple și mai ușor de instalat și sunt adecvate pentru multe situații. Codificatoarele optice sunt disponibile cu o varietate de rezoluții, de la rezoluții mici la rezoluții moderat de mari, dar prezintă probleme legate de instalare și pot avea unele probleme de fiabilitate pe termen lung. Rezolverele și senzorii inductivi sunt mai mari, mai grei, mai costisitori și prezintă unele probleme legate de interfață, dar oferă o rezoluție foarte mare și performanțe pe termen lung.

Livrarea curentului

Polii motoarelor fără perii – fie că este vorba de motoare BLDC sau pas cu pas – sunt „bobine” electromagnetice și, prin urmare, trebuie să fie acționate de curent, nu de tensiune. Pentru a alimenta corect acești poli, sistemul de control al motorului trebuie să furnizeze acest curent prin intermediul comutatoarelor de pornire/oprire (MOSFET-uri, în majoritatea cazurilor) cu o sincronizare precisă, cu o lățime a impulsurilor și cu viteze de salt controlate pentru a acționa motorul în mod corespunzător și eficient. De asemenea, dispunerea elementelor de acționare trebuie să protejeze MOSFET-urile împotriva diferitelor condiții de defecțiune, cum ar fi blocarea motorului, solicitări excesive de curent, suprasarcini termice și scurtcircuite.

Pentru motoarele relativ mici, care necesită de obicei sub 500 miliamperi (mA) până la un amper (A), driverele de poartă MOSFET și chiar MOSFET-urile pot fi încorporate în pachetul de circuit integrat pentru controlul motorului, menținând amprenta cât mai mică posibil. Deși acest lucru este convenabil și simplifică proiectarea, nu este o alegere practică în multe cazuri, din mai multe motive:

• Procesele semiconductorilor pentru MOSFET-urile de înaltă performanță sunt foarte diferite de cele utilizate pentru logica digitală a controlerului, astfel că proiectarea finală a combinației este un compromis (dar care poate fi acceptabil).
• Puterea disipată de MOSFET și managementul termic sunt dictate în mare măsură de nevoile de putere ale aplicației. Pe măsură ce nivelurile de curent și de putere cresc, disiparea MOSFET-ului pe cip și căldura generată pot depăși în curând limitele pachetului. În aceste cazuri, o soluție mai bună este separarea funcțiilor digitale și de putere, permițând proiectantului să optimizeze amplasarea și gestionarea termică a MOSFET-urilor.
• În cele din urmă, pe măsură ce nivelurile de curent solicitate de motor cresc, creșterea căderii de tensiune determinată de IR în cablurile de alimentare ale motorului poate deveni o problemă. În consecință, se recomandă amplasarea dispozitivelor de comutare mai aproape de sarcină.

Din aceste motive, multe circuite integrate pentru controlul motoarelor și al mișcării includ toate funcțiile necesare, cu excepția MOSFET-urilor de putere. Topologia MOSFET-urilor multiple este adesea numită funcție de invertor. Utilizarea MOSFET-urilor discrete oferă proiectantului flexibilitatea de a selecta dispozitive cu combinația potrivită de specificații pentru factori precum curentul de sarcină, rezistența la „funcționare”, tipul de pachet și caracteristicile de comutare.

Circuitele integrate sofisticate răspund provocărilor legate de controlul motoarelor

În trecut, controlul avansat al motoarelor necesita un ansamblu de circuite integrate. În mod obișnuit, acest lucru ar putea implica un procesor low-end pentru emiterea comenzilor generale, cu un coprocesor numeric dedicat pentru a implementa algoritmii necesari sau un procesor high-end pentru a le face pe amândouă, împreună cu circuitele de acționare a porții pentru dispozitivele de alimentare. Acest lucru nu numai că a necesitat o amprentă mai mare a plăcii de circuite imprimate și o listă de materiale (BOM) mai lungă, dar deseori existau probleme cu integrarea sistemului și probleme de depanare asociate.

Cu toate acestea, circuitele integrate de control al motoarelor din prezent pot face totul într-un singur dispozitiv, după cum demonstrează Renesas RAJ306010 (Figura 7). RAJ306010 include numeroase blocuri funcționale care vizează în mod special nevoile unice ale proiectelor de control al motoarelor.

Figura 7: circuitul integrat Renesas RAJ306010 dispune de funcționalitatea necesară pentru controlul foarte avansat al motorului (cu excepția MOSFET-urilor de putere), ocupând astfel mai puțin spațiu decât o soluție cu mai multe circuite integrate și simplificând atât lista de materiale, cât și integrarea proiectului. (Sursă imagine: Renesas)

Acest circuit integrat de control al motorului de uz general este destinat aplicațiilor cu motoare trifazate de curent continuu fără perii. Acesta combină și integrează strâns două roluri separate într-un mic pachet QFN de 8 × 8 milimetri (mm), cu 64 de conductoare: funcția de controler digital și funcția de pre-driver în mare parte analogică. Funcționează de la o sursă de alimentare de 6 - 24 de volți și se adresează aplicațiilor independente, în mare parte autonome, cum ar fi uneltele electrice, uneltele de grădină, aspiratoarele, imprimantele, ventilatoarele, pompele și sistemele robotice. (Rețineți că RAJ306001, care este aproape identic, este o versiune cu 6 - 30 de volți, care are aceeași fișă tehnică cu RAJ306010.)

Pe partea digitală, RAJ306010 încorporează un microcontroler pe 16 biți (clasa RL78/G1F de la Renesas) susținut de 64 de kiloocteți (Kbytes) de memorie flash ROM, 4 Kbytes de memorie flash de date și 5,5 Kbytes de memorie RAM. În plus, există o cantitate substanțială de intrări/ieșiri digitale: GPIO (intrare/ieșire de uz general), SPI, I²C și UART. De asemenea, există și un convertor analog-digital (ADC) pe nouă canale, 10 biți, pentru introducerea semnalelor analogice în dispozitiv.

Pentru a utiliza RAJ306010, proiectantul sistemului încarcă parametrii de operare doriți în registrele de control corespunzătoare ale memoriei flash pentru a stabili modurile și condițiile de operare dorite. Astfel, circuitul integrat este gata să funcționeze la pornire fără a fi nevoie de un microcontroler suplimentar, după cum se poate vedea în diagrama bloc a sistemului de nivel înalt a unei aplicații tipice (Figura 8).

Figura 8: această diagramă bloc de sistem de nivel înalt a unei aplicații de bază care utilizează RAJ306001 arată cum nivelul ridicat de integrare minimizează nevoia de componente discrete suplimentare. (Sursă imagine: Renesas)

Partea analogică a RAJ306010 dispune de trei drivere de poartă cu punte parțială, cu un curent de vârf de comandă a porții reglabil de până la 500 mA, o funcție de generator de timp mort cu auto-aliniere pentru a preveni supra-încărcarea și deteriorarea punții, un amplificator de detectare a curentului și un amplificator de forță contraelectromotoare. O pompă de încărcare integrată mărește comanda porții până la 13 volți de la o sursă de tensiune mai mică.

Există compatibilitate directă pentru senzorii cu efect Hall, iar front-end-ul analogic (AFE) poate fi utilizat și pentru a accepta alte tipuri de senzori de reacție. La fel ca în cazul oricărui control de motor proiectat în mod corespunzător, există funcții care includ protecția împotriva supratemperaturii, blocarea la supra/subtensiune (UVLO), detectarea supracurentului și protecția împotriva condițiilor de blocare a motorului.

Exemplul din Figura 9 arată cum RAJ306010 gestionează cu ușurință o aplicație de bază autonomă, cum ar fi un blender fără fir de 24 de volți, deși ar putea fi aproape orice aparat mic similar. Rețineți că cea mai mare parte a circuitelor este dedicată încărcării și gestionării pachetului de baterii cu opt celule, în timp ce controlul motorului necesită doar circuitul integrat de control, puntea trifazată externă (invertor), un circuit de detectare a tensiunii de reacție (prin intermediul unui rezistor de detectare a curentului) și butonul de pornire al utilizatorului.

Figura 9: nivelul ridicat de integrare funcțională a RAJ306010 arată în mod clar cât de puține circuite suplimentare și cât de puține componente suplimentare sunt necesare pentru funcția esențială de control al motorului unui aparat simplu, cum ar fi acest blender alimentat cu baterii. (Sursă imagine: Renesas)

Obțineți controlul direct asupra motorului BLDC

Una este planificarea, simularea, evaluarea și ajustarea unei aplicații de control al motorului „pe hârtie” sau pe un PC, folosind diferite modele ale sistemului general. Dar, rularea unui motor real și testarea performanței folosind componente reale, sarcini reale și dinamică reală este cu totul altceva, precum și învățarea impactului stabilirii condițiilor inițiale de pornire și al modificărilor diferiților parametri de performanță.

Aici intervine sistemul de evaluare a controlului motoarelor RTK0EML2C0S01020BJ de la Renesas (Figura 10), ce este un atu vital pentru inginerul de proiectare, împreună cu Renesas Motor Workbench pentru facilitarea depanării. Acest instrument software permite proiectantului să se familiarizeze cu funcționarea RAJ306010, cu modurile sale de intrare și ieșire și cu funcțiile diferitelor registre de control.

Figura 10: această placă, care reprezintă nucleul sistemului de evaluare a controlului motorului Renesas RTK0EML2C0S01020BJ, atunci când este utilizată împreună cu software-ul Renesas Motor Workbench, accelerează reglarea fină a parametrilor și evaluarea performanțelor motorului atunci când se utilizează circuitul integrat de control al motorului RAJ306010. (Sursă imagine: Renesas)

Pentru a demara și mai rapid faza de dezvoltare a produselor, sistemul de evaluare include un motor BLDC de 24 de volți/420 mA cu o viteză fără sarcină de 3900 RPM și un cuplu nominal de 19,6 milinewton-metri (mN-m) (echivalent cu 200 de grame forță-centimetri). În plus, Renesas oferă exemple de rutine de control software atât pentru controlul fără senzori, cât și pentru controlul bazat pe senzori.

Concluzie

Proiectanții care încorporează motoare de curent continuu în sistemele lor au mai multe opțiuni, dincolo de clasicul motor de curent continuu cu perii, având în vedere că sunt disponibile motoare BLDC de înaltă performanță, rentabile, care oferă putere și precizie în pachete mici. Pentru a realiza pe deplin potențialul acestor motoare BLDC, controlerele inteligente încorporează și implementează algoritmii necesari cu parametrii doriți de utilizator. De asemenea, acestea furnizează controlul necesar pentru MOSFET-urile de comutare ale motorului și alte intrări/ieșiri analogice pentru o soluție completă de control al motorului.

După cum s-a arătat, circuitele integrate precum Renesas RAJ306010, susținute de kituri de dezvoltare și software, simplifică foarte mult provocarea de a oferi performanțe ridicate, dimensiuni reduse și control eficient al motoarelor din proiectare pentru aplicații precum electrocasnicele, scaunele de mașină și ferestrele, precum și multe alte aplicații comune în prezent.

Referințe

1. Algoritmi de control al motorului BLDC
2. Sistem de evaluare a controlului motorului BLDC RTK0EML2C0S01020BJ pentru circuitele integrate de control al motorului RAJ3060xx
3. Nota de aplicații R01AN3786EJ0102, „Control vectorial fără senzori pentru motoare sincrone cu magneți permanenți (algoritm)”
4. Soluție pentru unelte electrice portabile
5. Blender fără fir de 24V
6. Soluții pentru motoare: mediu de dezvoltare a controlului motoarelor ușor de utilizat pentru a scurta timpul de introducere pe piață