Noțiuni introductive pentru controlul fără senzori orientat pe câmp al motoarelor BLDC și Infineon

Motoarele electrice sunt omniprezente, în casele noastre, la locul de muncă și în vehicule. Luați ca exemplu un automobil modern obișnuit – acesta poate conține, în medie, 35 de motoare distribuite în tot vehiculul. Atât motoarele de c.c. standard, cât și cele de c.c. fără perii (BLDC) sunt utilizate pentru aplicații care variază de la pompele de combustibil la sistemele de ridicare a ferestrelor (Figura 1).

Figura 1. Aplicații tipice pentru motoarele de c.c. și motoarele de c.c. fără perii (BLDC). (Sursă imagine: Infineon)

Odată cu creșterea numărului de vehicule electrice și electrice hibride, tendința este de a avea un număr și mai mare de motoare pe vehicul. Pe lângă domeniul auto, motoarele de c.c. și BLDC sunt utilizate pe scară largă în multe aplicații de automatizare industrială, control și robotică.

În general, motoarele BLDC sunt utilizate în aplicații mai solicitante, datorită avantajelor legate de performanță pe care le oferă față de motoarele de c.c. cu perii. Motoarele BLDC oferă eficiență mai mare, o durată de viață mai lungă și un raport cuplu/greutate mai mare în comparație cu motoarele de c.c. Dezavantajele motoarelor BLDC includ costul lor mai ridicat și necesitatea adăugării unor circuite de control suplimentare.

Ca notă personală, eu mi-am modernizat recent bormașina și șurubelnița de impact pe baterii, trecând de la tehnologia motorului de c.c. cu perii la cea a motorului de c.c. fără perii. Îmbunătățirea cuplului și a duratei de viață a bateriei a fost remarcabilă și a meritat tot costul suplimentar.

Motoarele BLDC

Motoarele BLDC sunt o variantă a unui motor de c.c. standard tradițional. Diferența de bază constă în faptul că motorul BLDC trebuie să efectueze comutarea prin mijloace electronice, și nu cu perii mecanice. Rotorul unui motor BLDC este format din magneți permanenți, iar statorul este înfășurat cu un set corespunzător de poli. Pentru alimentarea înfășurărilor și generarea unui câmp rotativ se folosește un circuit de control. Mișcarea și cuplul sunt generate pe măsură ce magneții rotorului încearcă să se alinieze cu câmpul rotativ al statorului.

Controlul fără senzori orientat pe câmp (FOC)

Controlul fără senzori orientat pe câmp (FOC) este una dintre metodele utilizate pentru a controla viteza și cuplul unui motor BLDC. Controlul orientat pe câmp (cunoscut și sub numele de control vectorial) este o tehnică utilizată pentru a genera o modulație sinusoidală trifazată care poate fi apoi controlată în frecvență și amplitudine. Se utilizează calcule pentru transformarea semnalelor trifazate în două faze care sunt mai ușor de controlat și de implementat în circuitul de control al motorului. Controlul fără senzori elimină senzorii de poziție și, în schimb, măsoară forța contraelectromotoare (EMF) pentru a determina poziția rotorului.

Implementarea FOC fără senzori într-un microcontroler

Implementarea FOC fără senzori necesită efectuarea măsurătorilor de semnal și a calculelor matematice. Un microcontroler cu performanțele și setul de periferice necesare este o potrivire perfectă pentru implementarea acestei funcționalități. TLE9879QXA40 de la Infineon este un SoC pentru driver de motor trifazat cu un singur cip care are integrat un nucleu Arm® Cortex®-M3 (Figura 2).

Figura 2. Schema-bloc a aplicației TLE9879x. (Sursă imagine: Infineon)

Acesta include șase drivere NFET complet integrate, optimizate pentru a comanda un motor trifazat prin intermediul a șase NFET-uri de putere externe, o pompă de încărcare care permite funcționarea la tensiune joasă și curent programabil, împreună cu controlul pantei de curent pentru un comportament CEM optimizat. Setul de periferice al acestuia include un senzor de curent, un ADC cu aproximații succesive sincronizat cu unitatea de captură și comparare pentru controlul PWM și cronometre pe 16 biți. De asemenea, este integrat și un emițător-receptor LIN pentru a permite comunicarea cu dispozitivul, împreună cu mai multe intrări/ieșiri de uz general. Acesta include un regulator de tensiune liniar pe cip pentru alimentarea sarcinilor externe.

TLE9879QXA40 de la Infineon este o soluție bună pentru implementarea controlului orientat pe câmp al motoarelor BLDC. Acesta are performanța și setul de caracteristici necesare pentru a implementa un driver de motor BLDC de înaltă performanță și rentabil, cu un spațiu minim pe placă. Nota detaliată privind aplicația „Control fără senzori orientat pe câmp cu SoC de putere încorporat” detaliază teoria FOC și modul în care algoritmul poate fi implementat.

Noțiuni introductive

Placa de evaluare convenabilă BLDC_SHIELD_TLE9879 de la Infineon este o modalitate ușoară de a începe utilizarea FOC fără senzori. Aceasta se bazează pe TLE9879QXA40 și este concepută pentru acționarea motoarelor BLDC în combinație cu o placă de bază compatibilă cu Arduino. Atunci când este combinată cu un sistem Arduino Uno și un motor BLDC compatibil, puteți să porniți și să acționați motorul în mai puțin de o oră (Figura 3).

Figura 3. BLDC_SHIELD_TLE9879 montată pe placa de bază Arduino Uno. (Sursă imagine: Infineon)

Schemele, biblioteca Arduino și documentația completă pentru BLDC_SHIELD_TLE9879 sunt disponibile la https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. În timp ce făceam cercetări pentru acest blog, am petrecut timp lucrând cu Uno și cu scutul pentru a mă familiariza cu acționarea unui motor BLDC. Pașii de configurare, codul de testare și referințele documentelor sunt incluse în proiectul meu Acționarea unui motor BLDC cu scutul pentru driverul de motor trifazat TLE9879Qx de la Infineon postat pe TechForum la DigiKey.

Dezvoltarea aplicației

Infineon oferă resurse suplimentare pentru cei interesați să aprofundeze proiectarea și dezvoltarea bazată pe TLE9879Qx. Ca punct de plecare, codul sursă pentru firmware-ul reprogramat pe scutul BLDC este disponibil sub formă de fișiere de proiect Keil uVision. Fișierele de proiect sunt incluse în descărcarea de software „Scut BLDC pentru Arduino cu TLE9879QXA40” de la Infineon, la linkul BLDC_SHIELD_TLE9879 de pe pagina de proiect a scutului. În plus, pe lângă scutul BLDC, proiectul de referință al pompei REF_WATERPUMP100W și proiectul de referință al ventilatorului REF_ENGCOOLFAN1KW sunt disponibile de la DigiKey.

Concluzie

Placa de evaluare BLDC_SHIELD_TLE9879 de la Infineon oferă o modalitate rapidă și ieftină de a începe utilizarea FOC fără senzori pentru acționarea motoarelor BLDC. De asemenea, placa este o resursă bună pentru utilizatorii mai avansați interesați să evalueze TLE9879QXA40 și să înceapă utilizarea codului sursă furnizat.

Referințe externe

1 – Infineon. „Manualul motoarelor”

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