
около Адриано Де Роса, архитектор IC, Micronas ||Решения для электропривода, использующие бесщеточные двигатели постоянного тока, получают все большее распространение благодаря снижению стоимости электроники. Высокоинтегрированные однокристальные контроллеры помогают развивать эту тенденцию.
Достижения в области интеграции полупроводников стимулируют разработку новых конструкций электроприводов, в том числе более интеллектуальных приводов. Различные варианты интеграции полупроводников открывают постоянно растущий спектр приложений для распределенных интеллектуальных решений для привода малых двигателей. К ним относятся бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC), синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) и шаговые двигатели. Благодаря своим техническим преимуществам и повышенной эффективности эти типы двигателей заменяют щеточные двигатели во многих существующих областях применения.
Автомобильная промышленность — лишь один из примеров. Как правило, автомобильные компоненты должны поддерживать низкую стоимость системы, быть небольшими, легкими, надежными и высокоэффективными. Сокращение выбросов выхлопных газов и снижение расхода топлива также важны. Потребность в концепциях приводов, которые работают с широким спектром двигателей, и экстремальные требования, предъявляемые к эффективности, системному дизайну и сетевым возможностям, оказывают серьезное влияние на электронику привода.
Для многих применений время проектирования может быть сокращено, поскольку с использованием однокристального решения могут быть разработаны комплексные платформы для небольших двигателей. Адаптировав программное обеспечение, можно адаптировать различные типы двигателей и их свойства. Современная система электродвигателей постоянного тока щеточного типа может быть заменена системой электродвигателей BLDC, которая снаружи выглядит как обычный двигатель, но внутри обеспечивает преимущества, необходимые для реализации интеллектуального управления движением.
Самодиагностика и функциональная безопасность все чаще играют важную роль. Приводы с “интегрированным интеллектом” с помощью электроники могут обеспечить эту диагностическую функцию. Например, изменяющиеся свойства двигателя могут отслеживаться и сохраняться электроникой и корректироваться в определенной степени.
Адаптация программного обеспечения позволяет решать большое количество функций и приложений. Проектировщики могут эффективно оснастить полную платформу приводов всего одним типом контроллера. Небольшое количество дискретных компонентов и высокая степень интеграции обеспечивают большую степень миниатюризации. Высокий уровень возможности повторного использования аппаратного и программного обеспечения позволяет быстро реагировать на изменения в требованиях приложений.
Рынок двигателей BLDC
Уровень внедрения технологии двигателей BLDC растет. Многие автомобильные функции, такие как топливные или водяные насосы, поворотное освещение, выравнивание фар головного света и другие, переходят от щеточных двигателей постоянного тока или шаговых двигателей к технологии BLDC motor. По крайней мере, старая ортодоксальная точка зрения о том, что электроника для управления двигателем слишком дорога по сравнению с ценой самого двигателя, с каждым днем становится все менее актуальной. Кроме того, преимущества двигателя BLDC могут значительно улучшить другие свойства системы.
При рассмотрении систем управления движением, включая щеточные двигатели постоянного тока, очевидно, что управление менее сложное по сравнению с двигателем постоянного тока. Инженеры с небольшим опытом проектирования систем управления двигателями BLDC часто опасаются, что им будет трудно перейти на технологию двигателей BLDC, даже если они знают о преимуществах. Сложная электроника и программирование такой системы часто считаются препятствием.
Однако переход на двигатели постоянного тока не обязательно является сложным. Использование однокристального решения значительно упрощает электронную схему.
Преимущества однокристальной архитектуры
Новые высоковольтные контроллеры Micronas (HVCs) позволяют системам с высокоинтегрированной электроникой электропривода реализовать потенциал производительности современных двигателей постоянного тока с постоянным возбуждением. HVC 4223F представляет собой интегрированную микрокомпьютерную систему с периферийными модулями для непосредственного управления двигателями PMSM/BLDC и биполярными шаговыми двигателями. Возможности программирования периферийных модулей и определяемое пользователем программное обеспечение обеспечивают наилучшую возможную адаптацию к свойствам и атрибутам различных приводных систем.
Увеличение плотности интеграции в приводах, ставшее возможным благодаря низкому соотношению мощности и веса (Вт/кг) двигателей PMSM/BLDC, влияет на рассеиваемую мощность, гибкость схемы привода, выбранный привод и диагностические опции. Высокая плотность интеграции электроники требует адаптации тепловых условий эксплуатации с помощью целевого управления питанием. Новое семейство HVC предоставляет множество функций, позволяющих осуществить такую адаптацию.
Например, использование различных концепций привода в автомобильных приводах требует простой адаптации силового моста двигателя и способа приведения моста в действие. HVC 4223F решает эту проблему с помощью настраиваемого конечного выходного каскада, полностью интегрированного и программируемого периферийного модуля и мощного процессора ARM Cortex-M3.
EPWM-модуль (расширенная широтно-импульсная модуляция) поддерживает пассивные и активные схемы тока свободного хода (асинхронное /синхронное выпрямление) для различных режимов работы и типов двигателей. Встроенное измерение тока и цифроаналоговые преобразователи позволяют программировать номинальные значения тока (например, для микрошагового управления по току). В двигателе PMSM/BLDC без использования датчиков сигнал обратной связи о положении ротора может быть отправлен с помощью компараторов и встроенных опорных точек звездочки или датчиков/энкодеров с эффектом Холла.
Алгоритмы для управления скоростью и током могут быть быстро выполнены с помощью процессора ARM Cortex-M3, поддерживаемого высокоскоростным аналого—цифровым преобразователем и регулируемыми трактами сигналов для измерения напряжения и тока. Выходной каскад включает в себя защиту от перегрузки (перенапряжение/избыточный ток) и диагностические функции.
Пример применения: привод позиционирования с двигателем постоянного тока
В типичном примере приложения требуется всего 13 компонентов, включая сам HVC 4223F. Во многих случаях можно использовать двигатель меньшего размера из-за большей эффективности. Приводы также могут быть меньшего размера, что еще больше снижает материальные затраты. Более того, систему управления BLDC можно запрограммировать так, чтобы она вела себя как щеточный двигатель постоянного тока снаружи, подключая только напряжение и заземление. Это означает, что существующие системы управления движением могут быть модернизированы без изменения всей конструкции системы. И в долгосрочной перспективе система может быть улучшена с помощью сетевых и / или диагностических функций. Дизайнерам не нужно начинать разработку программного обеспечения с нуля, потому что существующие примечания к приложениям и демонстрационное программное обеспечение могут обеспечить достаточный уровень функциональности.
Хорошим примером являются приводы позиционирования. Механические приводы для позиционирования обычно должны обеспечивать высокий крутящий момент. Как правило, шестерня используется для получения низких оборотов при нагрузке, что приводит к значительным потерям из-за трения. Во многих случаях привод должен прикладывать стабильный удерживающий момент, и привод не должен терять своего последнего положения, чтобы избежать повторных калибровок. Из-за снижения веса и ограниченности пространства важную роль играет геометрия двигателя и электроники. Пример описывает решение для однокристального моторного привода с HVC 4223F, приводящего в действие двигатель BLDC с шестиступенчатой коммутацией без датчиков с интерфейсом связи LIN.
Эффективное взаимодействие аппаратного и программного обеспечения в системе управления движением зависит от распределения конкретных функций доступных периферийных устройств чипа. Возможный подход к системе включает в себя шестиступенчатую коммутацию без датчиков, включая регулирование частоты вращения и тока, функции диагностики и коммуникационный стек. Архитектура программного обеспечения может представлять собой простой циклический перебор с прерываниями.
Базовое схемотехническое решение для такой системы может сократить количество внешних компонентов двигателя как минимум до 12 компонентов. В случае особых требований к ESD и/ или электромагнитной совместимости системы могут потребоваться некоторые дополнительные компоненты, такие как ферритовые шарики, например, в линии питания постоянного тока или сигнальном тракте LIN.
Микронас
www.micronas.com/en
Свежие комментарии