Aloitusopas BLDC-moottoreiden kenttäsuuntautuneeseen ohjaukseen ja Infineoniin

Sähkömoottoreita käytetään kaikkialla, kodeissa, työpaikoilla ja ajoneuvoissa. Esimerkiksi tyypillisessä nykyautossa on keskimäärin noin 35 moottoria eri puolilla ajoneuvoa. Sekä tavallisia DC-moottoreita että harjattomia DC-moottoreita (BLDC) käytetään eri tehtävissä polttoainepumpuista ikkunannostimiin (kuva 1).

Kuva 1. DC-moottorien ja harjattomien DC (BLDC) -moottorien tyypillisiä sovelluksia. (Kuvan lähde: Infineon)

Sähkö- ja hybridisähköajoneuvojen lisääntyessä trendinä on entistä suurempi moottorimäärä ajoneuvoa kohti. Autoteollisuuden lisäksi DC- ja BLDC-moottoreita käytetään laajalti monissa teollisuusautomaatio-, ohjaus- ja robotiikkasovelluksissa.

BLDC-moottoreita käytetään yleensä vaativammissa sovelluksissa, koska niiden suorituskyky on parempi kuin harjallisten DC-moottoreiden. BLDC-moottoreiden hyötysuhde on korkeampi, käyttöikä pidempi ja vääntömomentti-painosuhde korkeampi DC-moottoreihin verrattuna. BLDC-moottoreiden haittapuolia ovat niiden korkeampi hinta ja ylimääräisen ohjainpiirin tarve.

Voin omakohtaisena huomiona mainita, että päivitin hiljattain akkuporakoneeni ja impaktivääntimeni harjallisesta harjattomaan DC-moottoritekniikkaan. Vääntömomentin ja akkukeston paraneminen oli huomattavaa ja hyvinkin lisäkustannusten arvoista.

BLDC-moottorit

BLDC-moottori on muunnos perinteisestä DC-standardimoottorista. Perusero on se, että BLDC-moottorin kommutoinnin on tapahduttava elektronisesti mekaanisten harjojen sijasta. BLDC-moottorin roottori koostuu kestomagneeteista, ja staattoriin on käämitetty vastaava napasarja. Ohjauspiiriä käytetään energian syöttöön käämeihin ja pyörivän kentän luontiin. Liike ja vääntömomentti syntyvät, kun roottorimagneetit yrittävät mukautua pyörivään staattorikenttään.

Anturiton kenttäsuuntautunut ohjaus (FOC)

Anturiton kenttäsuuntautunut ohjaus (FOC) on yksi BLDC-moottorin nopeuden ja vääntömomentin säätöön käytettävistä menetelmistä. Kenttäsuuntautunut ohjaus (tunnetaan myös nimellä vektoriohjaus) on tekniikka, jota käytetään kolmivaiheisen sinimuotoisen modulaation generoimiseen. Tämän taajuutta ja amplitudia voidaan sitten ohjata. Laskentaa käytetään kolmivaiheisten signaalien muuntamiseen kaksivaiheisiksi, joita on helpompi ohjata ja toteuttaa moottorin ohjauspiirissä. Anturiton ohjaus poistaa asentoanturien tarpeen ja mittaa sen sijaan sähkömotorista vastavoimaa (EMF) roottorin asennon määrittämiseksi.

Anturittoman kenttäsuuntautuneen ohjauksen toteuttaminen mikrokontrollerissa

Anturittoman kenttäsuuntautuneen ohjauksen toteuttaminen edellyttää signaalimittauksia ja matemaattisia laskutoimituksia. Mikrokontrolleri, jolla on tarvittava suorituskyky ja oheislaitteet, sopii hyvin tämän toiminnon toteuttamiseen. Infineon TLE9879QXA40 on yksisiruinen 3-vaiheinen moottorinohjaimen järjestelmäpiiri, joka sisältää Arm® Cortex®-M3 -ytimen (kuva 2).

Kuva 2. TLE9879x-sovelluslohkokaavio. (Kuvan lähde: Infineon)

Laite sisältää kuusi täysin integroitua NFET-ohjainta, jotka on optimoitu ohjaamaan kolmivaiheista moottoria kuuden ulkoisen NFET-tehotransistorin kautta, latauspumpun, joka mahdollistaa toiminnan alhaisella jännitteellä, sekä ohjelmoitavan virran sädettävällä kaltevuudella. Tämä optimoi EMC-käyttäytymisen. Sen oheislaitteisiin kuuluu virta-anturi, PWM-ohjauksen poiminta- ja vertailuyksikön kanssa synkronoitu lähenemismenetelmää käyttävä ADC sekä 16-bittiset ajastimet. Laite sisältää myös LIN-lähetinvastaanottimen, jonka ansiosta sen kanssa voidaan kommunikoida yleiskäyttöisten I/O-liitäntöjen kautta. Piirillä on myös lineaarinen jänniteregulaattori ulkoisia kuormia varten.

Infineonin TLE9879QXA40 on hyvä ratkaisu BLDC-moottoreiden kenttäsuuntautuneen ohjauksen toteuttamiseen. Sen suorituskyky ja ominaisuudet mahdollistavat suorituskykyisen ja kustannustehokkaan BLDC-moottoriohjaimen toteuttamisen käyttäen minimaalisesti tilaa piirilevyltä. Perusteellisessa sovellusohjeessa ”Sensorless Field Oriented Control with Embedded Power SoC” (Anturiton kenttäsuuntautunut ohjaus sulautetulla tehojärjestelmäpiirillä) kerrotaan yksityiskohtaisesti FOC-teoriasta ja siitä, miten algoritmi voidaan toteuttaa.

Aloitusopas

Infineonin edullinen BLDC_SHIELD_TLE9879-evaluointikortti on helppo tapa päästä alkuun anturittoman kenttäsuuntautuneen ohjauksen kanssa. Se perustuu TLE9879QXA40-järjestelmäpiiriin ja on suunniteltu BLDC-moottoreiden ohjaukseen yhdessä Arduino-yhteensopivan peruskortin kanssa. Kun evaluointikortti yhdistetään Arduino Unoon ja yhteensopivaan BLDC-moottoriin, järjestelmä saadaan asennettua ja moottori pyörimään alle tunnissa (kuva 3).

Kuva 3. BLDC_SHIELD_TLE9879-evaluointikortti asennettuna Arduino Uno -peruskortille. (Kuvan lähde: Infineon)

Kytkentäkaaviot, Arduino-kirjasto ja BLDC_SHIELD_TLE9879-evaluointikortin täydellinen dokumentaatio ovat saatavana osoitteesta https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. Kun tein taustatutkimusta tätä blogia varten, työskentelin jonkin aikaa Unon ja lisäkortin parissa perehtyäkseni BLDC-moottorin ohjaukseen. Konfigurointivaiheet, testikoodi ja viittaukset dokumentaatioon sisältyvät projektiini Driving a BLDC Motor with Infineon’s TLE9879Qx 3-Phase Motor Driver Shield(BLDC-moottorin ohjaus Infineonin 3-vaiheisella moottoriohjainkortilla TLE9879Qx), joka on julkaistu Digi-Keyn TechForumissa.

Sovelluskehitys

Infineon tarjoaa lisäresursseja niille, jotka haluavat syventyä TLE9879Qx-pohjaiseen suunnitteluun ja kehitykseen. Lähtökohtana voidaan käyttää BLDC-lisäkorttiin tallennetun laiteohjelmiston lähdekoodia, joka on saatavana Keil uVision -projektitiedostoina. Projektitiedostot sisältyvät Infineonilta ladattavaan ohjelmistopakettiin ”BLDC Shield for Arduino with TLE9879QXA40”, joka löytyy lisäkortin projektisivulla olevasta linkistä BLDC_SHIELD_TLE9879. BLDC-lisäkortin ohella REF_WATERPUMP100W-pumpun referenssisuunnittelu ja REF_ENGCOOLFAN1KW-tuulettimen referenssisuunnittelu ovat saatavana Digi-Keyltä.

Yhteenveto

Infineon BLDC_SHIELD_TLE9879 -arviointikortti tarjoaa nopean ja edullisen tavan aloittaa anturittoman kenttäsuuntautuneen ohjauksen käyttö BLDC-moottoreiden ohjaukseen. Kortti on myös hyvä resurssi edistyneemmille käyttäjille, jotka ovat kiinnostuneita TLE9879QXA40-järjestelmäpiirin evaluoinnista. He voivat aloittaa käyttämällä kortin mukana toimitettua lähdekoodia.

Ulkoiset viitteet

1 – Infineon. ”Motor Handbook” (Käsikirja moottoreista)

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