Käytä BLDC- ja PMS-moottoreissa anturitonta vektoriohjausta tarkkaan liikeohjaukseen

Tarkan liikeohjauksen tarve kasvaa jatkuvasti sellaisissa sovelluksissa kuten robotiikka, droonit, lääketieteelliset laitteet ja teollisuusjärjestelmät. Harjattomat DC-moottorit (BLDC) ja AC-käyttöiset synkroniset kestomagneettimoottorit (PMSM) pystyvät tarjoamaan vaaditun tarkkuuden ja täyttämään samalla korkean hyötysuhteen vaatimukset kompaktissa muodossa. BLDC- ja PMSM-moottorit ovat kuitenkin paljon monimutkaisempia kuin harjalliset DC-moottorit ja AC-induktiomoottorit, jotka ovat helppoja kytkeä ja käyttää.

Esimerkiksi anturiton vektorisäätö (jota kutsutaan myös kenttäsuuntautuneeksi ohjaukseksi tai FOC-säädöksi) tarjoaa erinomaisen hyötysuhteen, ja sen etuna on anturilaitteiston poistaminen, mikä vähentää kustannuksia ja parantaa luotettavuutta. Suunnittelijoiden ongelmana on, että anturiton vektoriohjaus on hankalaa toteuttaa, joten sen käyttö voi pidentää tuotekehitysaikoja, nostaa kustannuksia ja aiheuttaa mahdollisesti myöhästymisen markkinoilletuloajasta.

Suunnittelijat voivat ratkaista tämän dilemman käyttämällä kehitysalustoja ja evaluointikortteja, joihin anturiton vektoriohjausohjelmisto on jo sisäänrakennettuna. Näin he voivat keskittyä järjestelmän suunnitteluongelmiin juuttumatta ohjausohjelmiston koodauksen hienouksiin. Nämä kehitysympäristöt sisältävät myös kaikki moottorinohjain- ja tehonhallintalaitteet integroituina valmiiseen järjestelmään, mikä nopeuttaa markkinoille tuontia.

Tässä artikkelissa kuvaillaan joitakin tarkan liikeohjauksen tarpeita ja tarkastellaan harjallisen DC-, AC-induktio-, BLDC- ja PMSM-moottorien välisiä eroja. Tämän jälkeen siinä esitetään yhteenveto vektoriohjauksen perusteista, jonka jälkeen esitellään useita Texas Instrumentsin, Infineon Technologiesin ja Renesas Electronicsin alustoja ja evaluointikortteja sekä suunnitteluohjeita, jotka helpottavat tarkkojen liikkeenohjausjärjestelmien kehittämistä.

Esimerkkejä tarkoista liikeohjaussovelluksista

Droonit ovat kompleksisia liikeohjausjärjestelmiä, joissa käytetään yleensä neljää tai useampaa moottoria. Tarkka ja koordinoitu liikeohjaus on välttämätöntä, jotta drooni voi leijua, nousta tai laskeutua (kuva 1).

Kuva 1: Droonit käyttävät tyypillisesti neljää tai useampaa moottoria, tyypillisesti BLDC- tai PMSM-moottoreita, joiden pyörimisnopeus on vähintään 12 000 kierrosta minuutissa ja joita ohjataan elektronisella nopeudensäätimellä (ESC). Tässä esimerkissä näytetään ESC-moduuli droonissa, jossa käytetään harjatonta moottoria anturittomalla ohjauksella. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Jotta drooni voi leijua ilmassa, sitä ylöspäin työntävien roottoreiden nettovoiman on oltava tasapainossa ja täsmälleen yhtä suuri kuin sitä alaspäin vetävä painovoima. Kun roottorien työntövoimaa (nopeutta) lisätään tasaisesti, drooni voi nousta suoraan ylöspäin. Vastaavasti roottorin työntövoiman vähentäminen saa droonin laskeutumaan. Lisäksi liikkeisiin kuuluvat kääntyminen (droonin pyöriminen), nyökkääminen (droonin lennättäminen eteen- tai taaksepäin) ja kallistuminen (droonin lennättäminen vasemmalle tai oikealle).

Tarkat ja toistuvat liikkeet ovat yksi monien robotiikkasovellusten ominaisuuksista. Paikallaan olevan moniakselisen teollisuusrobotin täytyy tuottaa erilaisia määriä voimaa kolmessa ulottuvuudessa eripainoisten objektien liikuttamiseksi (kuva 2). Robottien sisällä olevat moottorit tuottavat säädettävän nopeuden ja vääntömomentin (pyörimisvoima) tarkoissa pisteissä, joita robotin ohjain käyttää liikkeen koordinointiin eri akseleilla täsmällistä nopeutta ja asemointia varten.

Kuva 2: Paikallaan olevan moniakselisen teollisuusrobotin täytyy tuottaa erilaisia määriä voimaa kolmessa ulottuvuudessa eripainoisten objektien liikuttamiseksi ja toimintansa koordinoimiseksi kokoonpanolinjalla olevien muiden robottien kanssa. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Pyörällisten mobiilirobottien tapauksessa voidaan käyttää tarkkaa differentiaaliohjausjärjestelmää sekä nopeuden että liikesuunnan ohjaukseen. Kahta moottoria käytetään liikkeen tuottamiseen yhdellä tai kahdella rullapyörällä kuorman tasapainotusta varten. Kumpaakin moottoria ohjataan eri nopeuksilla kiertoliikkeen ja suunnanvaihdon toteuttamiseksi, kun taas kummankin moottorin sama nopeus aikaansaa suoralinjaisen liikkeen joko eteen- tai taaksepäin. Vaikka moottorinohjaimet ovat monimutkaisempia perinteiseen ohjausjärjestelmään verrattuna, tämä lähestymistapa on tarkempi, mekaanisesti yksinkertaisempi ja siten luotettavampi.

Moottorien valinta

Yksinkertaiset DC-moottorit ja AC-induktiomoottorit ovat suhteellisen edullisia ja niiden ohjaus on helppoa. Niitä käytetään laajalti monenlaisissa sovelluksissa pölynimureista teollisuuskoneisiin, nostureihin ja hisseihin. Ne ovat edullisia ja helposti ohjattavia, mutta eivät kuitenkaan mahdollista tarkkuutta, joita sellaiset sovellukset kuten robotiikka, droonit, lääketieteelliset laitteet ja teollisuuden tarkkuuslaitteet vaativat.

Yksinkertainen harjallinen DC-moottori tuottaa vääntömomentin vaihtamalla mekaanisesti virran suuntaa yhdessä pyörimisliikkeen kanssa kommutaattorin ja harjojen avulla. Harjallisten DC-moottoreiden huonoihin puoliin kuuluvat harjojen kulumisesta johtuva huoltotarve sekä moottorien synnyttämä sähköinen ja mekaaninen melu. Pyörimisnopeuden ohjaukseen voidaan käyttää pulssileveysmodulaatio-ohjausta (PWM), mutta tarkka ohjaus ja korkea hyötysuhde ovat hankalia harjallisille DC-moottoreille luontaisen mekaanisen luonteen vuoksi.

BLDC-moottori poistaa harjallisten DC-moottorien kommutaattorin ja harjat, ja staattorien käämitystavasta riippuen se voi toimia myös PMSM-moottorina. BLDC-moottorin staattorikäämit on kierretty puolisuunnikkaan mukaan, ja tuotettu sähkömotorinen vastavoima (EMF) on puolisuunnikkaan muotoinen, kun taas PMSM-staattorit on kierretty sinimuotoisesti ja ne tuottavat sinimuotoisen vastavoiman (E_bemf) (kuva 3).

Kuva 3: PMSM-moottori tuottaa sinimuotoisen E_bemf-virran, kun taas BLDC-moottori tuottaa puolisuunnikkaan muotoisen E_bemf-virran. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

BLDC- ja PMSM-moottoreiden vääntömomentti on virran ja sähkömagneettisen vastavoiman funktio. BLDC-moottoreita ohjataan neliöaaltovirralla, kun taas PMSM-moottoreita ohjataan sinimuotoisella virralla.

BLDC-moottorin ominaisuudet:

• Helpompi ohjata kuusivaiheisilla neliöaallon muotoisilla DC-virroilla
• Tuottaa huomattavaa vääntömomentin aaltoilua
• Hinnaltaan alhaisempi ja tehokkaampi kuin PMSM-moottorit
• Voidaan toteuttaa Hall-antureilla tai anturittomalla ohjauksella

PMSM-moottorin ominaisuudet:

• Kompleksisempi kolmivaiheinen sinimuotoinen PWM-ohjaus
• Ei vääntömomentin aaltoilua
• Korkeampi hyötysuhde, vääntömomentti ja hinta BLDC-moottoreihin verrattuna
• Voidaan toteuttaa akselienkooderilla tai anturittomalla ohjauksella

Mitä on vektoriohjaus?

Vektorisäätö on taajuusmuuttajamoottorin ohjausmenetelmä, jossa kolmivaiheisen sähkömoottorin staattorivirrat tunnistetaan kahdeksi ortogonaaliseksi komponentiksi, jotka voidaan visualisoida vektorin avulla. Yksi komponentti määrittelee moottorin magneettivuon, toinen vääntömomentin. Vektoriohjausalgoritmin ytimessä on kaksi matemaattista muunnosta: Clarken muunnos muuttaa kolmivaihejärjestelmän kaksikoordinaatistoksi, kun taas Parkin muunnos muuttaa kaksivaiheisen paikallaan olevan järjestelmän vektorit pyörivän järjestelmän vektoreiksi ja niiden käänteismuunnokseksi.

Clarken ja Parkin muunnosten käyttö tuo ohjattavat staattorivirrat pyörivään tasoon. Tällä tavalla moottorin ohjausjärjestelmä voi määrittää staattoriin syötettävät jännitteet vääntömomentin maksimoimiseksi dynaamisesti vaihtuvissa kuormituksissa.

Hyötysuhteeltaan korkea nopeuden ja/tai asennon ohjaus vaatii roottoriakselin asennon ja nopeuden reaaliaikaista ja tarkkaa tuntemista vaiheiden aktivointi-impulssien synkronisoimiseksi roottoriasennon mukaan. Tämä tieto on yleensä saatu moottorin akseliin kiinnitetyistä antureista, kuten absoluuttisista koodereista ja magneettiresolvereista. Näillä antureilla on useita järjestelmällisiä haittapuolia: heikompi luotettavuus, häiriöalttius, korkeampi hinta ja paino sekä suurempi kompleksisuus. Anturiton vektoriohjaus eliminoi nopeus-/asentoanturien tarpeen.

Suorituskykyiset mikroprosessorit ja digitaaliset signaaliprosessorit (DSP) mahdollistavat nykyaikaisen ja tehokkaan ohjausteorian sisällyttämisen kehittyneeseen järjestelmämallinnukseen, mikä takaa optimaalisen tehon ja ohjaustehokkuuden kaikissa reaaliaikaisissa moottorijärjestelmissä. On odotettavissa, että mikroprosessoreiden ja DSP-prosessorien lisääntyvän laskentatehon ja alenevien kustannusten ansiosta anturiton ohjaus syrjäyttää lähes universaalisti anturivektoriohjauksen sekä yksinkertaisen mutta suorituskyvyltään heikomman yhden muuttujan skalaarisen volttia-per-hertsi (V/f) -ohjauksen.

Kolmivaiheisten PMSM- ja BLDC-moottoreiden käyttö teollisuus- ja kuluttajarobotiikassa

Suunnittelijat voivat välttää vektoriohjauksen monimutkaisuutta valmiita evaluointikortteja käyttämällä. Esimerkiksi Texas Instrumentsin DRV8301-69M-KIT on DIMM100 controlCARD-pohjainen emolevyjen evaluointimoduuli, jonka avulla suunnittelijat voivat kehittää kolmivaiheisia PMSM/BLDC-moottorinohjausratkaisuja (kuva 4). Se sisältää kolmivaiheisen DRV8301-hilaohjaimen kahdella virtashunttivahvistimella ja yhdellä jännitteenalennusregulaattorilla sekä InstaSPIN-ominaisuutta tukevan Piccolo TMS320F28069M -mikrokontrollerikortin (MCU).

Kuva 4: Suunnittelijat voivat kehittää kolmivaiheisia PMSM/BLDC-moottorinohjausratkaisuja DRV8301-69M-KIT-moottorisarjalla, joka sisältää yhden DRV8301-hilaohjaimen ja InstaSPIN-ominaisuutta tukevan Piccolo TMS320F28069M MCU -kortin. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

DRV8301-69M-KIT on Texas Instrumentsin InstaSPIN-FOC- ja InstaSPIN-MOTION-tekniikkaan perustuva moottorinohjauksen evaluointisarja PMSM- ja BLDC-vaihtovirtamoottoreille. Suunnittelijat voivat DRV8301-69M-KIT-sarjan InstaSPIN-tekniikan ansiosta nopeasti tunnistaa, virittää ja ohjata kolmivaiheista moottoria automaattisesti, jolloin saadaan "välittömästi" vakaa ja toimiva moottorinohjausjärjestelmä.

Yhdessä InstaSPIN-teknologian kanssa DRV8301-69M-KIT tarjoaa suorituskykyisen, energiatehokkaan ja kustannustehokkaan anturittoman tai kooderianturilla varustetun FOC-alustan, joka nopeuttaa kehitystyötä ja nopeuttaa markkinoille tuloaikaa. Käyttökohteita ovat alle 60 voltin ja 40 ampeerin (A) synkronimoottorit pumppujen, porttien, hissien ja tuulettimien käyttämiseen sekä teollisuus- ja kuluttajarobotiikkaan ja automaatioon.

DRV8301-69M-KIT-laitteiston ominaisuudet:

• Kolmivaiheinen invertteriperuskortti liitännällä DIMM100 controlCARD-kortteja varten
• Kolmivaiheinen invertteriin integroitu DRV8301-tehomoduuli (sisältää 1,5 A:n jännitteenalennusmuuntimen) peruskortilla, joka tukee jopa 60 V:n ja 40 A:n jatkuvaa virtaa
• TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC- ja InstaSPIN-MOTION-kortit
• Voidaan käyttää yhdessä MotorWare-tuetun TMDXCNCD28054MISO- (myydään erikseen) ja TMDSCNCD28027F-kortin + ulkoisen emulaattorin (myydään erikseen) kanssa

Korkean suorituskyvyn ja hyötysuhteen PMSM- ja BLDC-moottorikäytöt

Infineon Technologies EVAL-IMM101T on monipuolinen aloitussarja, joka sisältää IMM101T Smart IPM:n (integroitu tehomoduuli). Tämä sarja tarjoaa täysin integroidun, käyttövalmiin, korkeajännitteisen moottorinohjausratkaisun, jota suunnittelijat voivat käyttää suorituskykyisten ja korkean hyötysuhteen PMSM/BLDC-moottoreiden kanssa (kuva 5). EVAL-IMM101T sisältää myös muut tarvittavat piirit, joita tarvitaan IMM101T Smart IPM -moduulien arviointiin suoraan myyntipakkauksesta, kuten tasasuuntaajan ja EMI-suodatinvaiheen sekä eristetyn debuggeriosan, jossa on USB-liitäntä tietokoneeseen.

Kuva 5: IMM101T-evaluointikortti on valmis ratkaisu, joka sisältää liikeohjausmoottorin (MCE 2.0), porttiohjaimen sekä 3-vaiheisen invertterin, joiden avulla voidaan käyttää anturitonta vektoriohjausta PMSM- ja BLDC-moottorien ohjaukseen. (Kuvan lähde: Infineon Technologies)

EVAL-IMM101T kehitettiin suunnittelijoiden avuksi IMM101T Smart IPM -tehomoduulia käyttävien sovellusten ensivaiheiden suunnitteluun. Evaluointikortti on varustettu kaikilla kokoonpanoryhmillä anturitonta vektoriohjausta varten. Se sisältää yksivaiheisen AC-liittimen, EMI-suodattimen, tasasuuntaajan ja kolmivaihelähdön moottorin liitäntää varten. Tehoaste sisältää myös mittausvastuksen virtamittausta ja jännitejakajan DC-linkin jännitemittausta varten.

Infineonin IMM101T tarjoaa erilaisia ohjauksen konfigurointimahdollisuuksia PMSM/BLDC-moottorinohjausjärjestelmille kompaktissa 12 x 12 millimetrin (mm) pintaliitoskotelossa, mikä minimoi ulkoisten komponenttien määrän ja piirikortilta vaadittavan pinta-alan. Koteloa on paranneltu termisesti siten, että se toimii hyvin sekä jäähdytyslevyn kanssa ja ilman sitä. Kotelon ominaisuuksiin kuuluu 1,3 mm:n pintaväli kotelon alapuolella olevien korkeajännitepisteiden välillä, mikä helpottaa pintaliitosta ja parantaa järjestelmän robustisuutta.

IMM100-sarjaan on integroitu joko 500 V:n FredFET tai 650 V:n CoolMOS MOSFET. Riippuen kotelossa käytetyistä MOSFET-tehotransistoreista IMM100-sarja kattaa sovellukset, joiden nimellislähtöteho on 25 watista (W) 80 W:iin 500 voltin/600 voltin enimmäisjännitteellä (DC). 600 voltin versioissa Power MOS -tekniikka on mitoitettu 650 voltin jännitteelle, kun taas porttiohjain on mitoitettu 600 voltin jännitteelle, mikä määrittää järjestelmän suurimman sallitun tasajännitteen.

Evaluointijärjestelmä 24 V:n moottorinohjaukselle

24 voltin PMSM/BLDC-moottorikäyttöjen suunnittelijat voivat hyödyntää Renesasin RTK0EM0006S01212BJ- moottorinohjauksen evaluointijärjestelmää RX23T-mikrokontrollereille (kuva 6). RX23T-laitteet ovat 32-bittisiä mikrokontrollereita, jotka soveltuvat yksittäisen invertterin ohjaukseen ja joissa on sisäänrakennettu liukulukuyksikkö (FPU), jonka ansiosta niitä voidaan käyttää monimutkaisten invertteriohjausalgoritmien prosessointiin. Tämä auttaa vähentämään huomattavasti ohjelmiston kehittämiseen ja ylläpitoon kuluvia miestyötunteja.

Kuva 6: Renesasin 24 voltin moottorinohjauksen arviointijärjestelmä RX23T-mikrokontrollerille sisältää invertterikortin, jolla ohjataan arviointipakettiin sisältyvää PMSM-moottoria. (Kuvan lähde: Renesas Electronics)

Lisäksi ytimen ansiosta virrankulutus ohjelmiston valmiustilassa (RAM-muistin palautuksella) on vain 0,45 mikroampeeria (μA). RX23T-mikrokontrollerit toimivat 2,7–5,5 V:n jännitealueella ja sopivat erittäin hyvin yhteen RX62T-sarjan kanssa nastajärjestelyn ja ohjelmiston osalta. Sarja sisältää:

• 24 V:n invertterikortti
• PMSM-ohjaustoiminto
• Virtamittaustoiminto kolmella mittausvastuksella
• Ylivirtasuojaustoiminto
• CPU-kortti RX23T-mikrokontrollerille
• USB mini B -kaapeli
• PMSM

Yhteenveto

BLDC- ja PMSM-moottoreilla voidaan toteuttaa tarkkoja liikeohjausratkaisuja kompaktisti ja erittäin tehokkaasti. Anturittoman vektoriohjauksen käyttö BLDC- ja PMS-moottorien kanssa tarjoaa edun, ettei anturilaitteistoa tarvita, mikä alentaa kustannuksia ja lisää luotettavuutta. Anturiton vektoriohjaus voi olla näissä sovelluksissa kuitenkin monimutkainen ja aikaa vievää prosessi.

Kuten edellä on kuvailtu, suunnittelijat voivat käyttää apuna kehitysalustoja ja evaluointikortteja, jotka toimitetaan anturittoman vektoriohjausohjelmiston mukana. Nämä kehitysympäristöt sisältävät myös kaikki moottorinohjain- ja tehonhallintalaitteet integroituina valmiiseen järjestelmään, mikä nopeuttaa markkinoille tuontia.

Suositeltavaa luettavaa

1. Kenttäohjaus tarjoaa paremman AC-moottoritehokkuuden
2. Seuraava kehitysvaihe droonien suunnittelussa