„Microchip“ komponentai ir BLDC variklių valdymas

Šiuo metu elektros varikliai sunaudoja beveik pusę pasaulyje pagaminamos elektros energijos. Pramonėje šis procentas yra dar didesnis, siekia apie 70%. Tuo tarpu didžiausi elektroninių komponentų gamintojai, tokie kaip „Microchip“, nuolat tobulina elektros variklių valdymo sistemas.

Elektros varikliai yra visur – skalbimo mašinoje, džiovyklėje, šaldytuve, automobilyje, ventiliatoriuose, siurbliuose, oro kondicionieriuje ir t.t. – palengvina mūsų gyvenimą. Todėl svarbu, kad jie veiktų kuo efektyviau. Energijos kiekis, kurį sunaudoja variklis, nemažai priklauso nuo valdiklio, kuris kontroliuoja vykdomąjį elementą. Dėl efektyvių komponentų iš „Microchip“ galima sukurti tokią ergonomišką sistemą. Žemiau pateikiama, kaip konstruojama tokia grandinė, taip pat markinių elementų specifikacija, naudojama jos gamybai.

Šiame straipsnyje aptariamos tokios temos kaip:

• Kam naudojami bešepetėliniai varikliai?
• BLDC tipo variklių konstrukcija ir valdymas
• BLDC valdiklio blokinės schemos aptarimas
• Svarbiausios dsPIC33 mikrovaldiklių savybės ir funkcijos
• Komunikacija naudojant CAN magistralę
• Bešepetėlinio variklio keitiklio konstrukcija
• MOSFET tranzistoriai, naudojami variklio ritėms maitinti
• Temperatūros kontrolė realiu laiku
• Daugiavoltės maitinimo grandinės įgyvendinimas
• Step-down keitiklis, skirtas valdymo pusės puslaidininkiams maitinti
• Įtampų stabilizavimas logikos grandinėms
• Pateiktų „Microchip“ komponentų prieinamumas

BLDC varikliai ir jų taikymas

Bešepetėliniai nuolatinės srovės varikliai (BLDC, iš angl. Brushless Direct Current) vis dažniau pasirenkami projektuotojų ir konstruktorių kaip variklio sprendimas. Tai lemia keli veiksniai: jie pasižymi aukštu patikimumu, efektyvumu ir palankiu galios ir dydžio santykiu. Kaip rodo pavadinimas, juose nenaudojamos šepetėlės – vietoj to rotoriuje yra nuolatiniai magnetai, o apvijos yra statoriuje. Srovės (pageidaujamu dažniu) sukuria elektromagnetinį lauką ir sukelia magnetų atstūmimą ir pritraukimą, sukeldamos variklio ašies judėjimą ir greičio valdymą. Tokia komutacija reikalauja tinkamo valdiklio, o jo konstrukcijai galima naudoti daugybę „Microchip“ produktų, kurie užtikrins ilgalaikį, tikslų ir efektyvų viso įrenginio darbą.

„Microchip“ turi pranašumą, nes gamina platų puslaidininkių ir analoginių grandinių asortimentą, todėl iš jo pasiūlos galima surinkti visus svarbiausius valdiklio elementus. Tai apima mikrovaldiklius, analogines grandines (operacinius stiprintuvus), FPGA grandines, galios komponentus (pvz., tranzistorius). Iš „Microchip“ pasiūlos, prieinamos per TME, galima pasirinkti, pvz., dsPIC®, PIC® ir AVR® mikrovaldiklius, turinčius integruotą variklių valdymo funkcionalumą: PWM generatorių, A/C keitiklį (ADC) ir populiarias komunikacijos sąsajas (SPI, CAN, UART). Taip pat verta paminėti, kad gamintojas taip pat teikia specializuotą programinę įrangą ir kūrimo įrankius (MPLAB® X IDE), kūrimo rinkinius ir „Motor Control Library“ biblioteką, skirtą greitam valdymo grandinių projektavimui ir testavimui. Čia yra pažangūs algoritmai, palaikantys tokias valdymo metodikas kaip FOC (Field Oriented Control) ir valdymo programas, naudojant trapecinius ir sinusoidinius signalus (BLDC, PMSM, ACIM ir žingsninių variklių).

Veikimas ir taikymas

Jau buvo paminėta BLDC variklių veikimo principas (nes būtent jiems skirtas šis straipsnis). Svarbiausia tokių produktų savybė yra trys (ar daugiau) statoriaus apvijos, maitinamos trifaze srove, tiekiama per keitiklį. Rotorius su nuolatiniais magnetais sukasi dėl kintamo magnetinio lauko, kurį sukuria statoriaus apvijos – todėl keičiant signalų dažnį, kontroliuojamas rotoriaus greitis. Tačiau dažnis taip pat priklausys nuo jo esamos padėties. Pastarąją nustato variklyje įmontuoti Hollo jutikliai. Alternatyviai naudojamas valdymo algoritmas (pvz., FOC), kurio užduotis yra sukelti srovę fazėse optimaliu periodu (remiantis duomenimis apie ašies sukimosi greitį).

Kadangi BLDC varikliai mažiau priklauso nuo mechaninių elementų (šepetėlių) nei klasikiniai, jie pasižymi mažesne gedimų rizika. Jų svarbi savybė taip pat yra mažesni energijos nuostoliai (t. y. geresnis efektyvumas). Be to, jie leidžia tiksliai kontroliuoti greitį, kas yra svarbi savybė tokiose taikymo srityse kaip pramoninės mašinos, robotai, dronai ar ventiliatoriai. Paskutinė, bet ne mažiau svarbi privalumas – kompaktiška konstrukcija ir palyginti nedidelė masė.

Dėl tokios palankios charakteristikos, be išvardytų taikymo sričių, BLDC varikliai taip pat naudojami elektriniuose įrankiuose (pvz., gręžtuvuose), automobilių pramonėje (ABS sistemos, droselio valdymas), elektriniuose transporto priemonėse (vejapjovėse, paspirtukuose, dviračiuose, automobiliuose, laivuose), aktuatoriuose robotikoje ir pramoninėje automatikoje.

Didėjantis mikromobilumo sektoriaus transporto priemonių, tokių kaip elektriniai paspirtukai ar ebike'ai, populiarumas papildomai prisidėjo prie BLDC variklių ir efektyvių valdiklių pasiūlos plėtros. Kartu jie leidžia pasiekti aukštą kuro (energijos) efektyvumą augančios visuomenės ekologinės sąmoningumo eroje. Kadangi pasaulinė rinka juda link transporto elektrifikacijos, galima tikėtis, kad įmonės, gaminančios pažangius valdiklius, greitai nesumažins savo sprendimų paklausos.

BLDC valdymo modulio konstrukcija

Žemiau pateikiamas kompaktiško BLDC variklių valdiklio pavyzdinis projektas. Tai „Microchip“ referencinė grandinė, iliustruojanti pagrindinius sprendimus, randamus tokio tipo moduliuose, taip pat funkcijas, kurias atlieka juose esantys gamintojo komponentai. Valdiklis skirtas maitinti ir kontroliuoti BLDC/PMSM variklių darbą, kurių maksimali galia siekia iki 3 kW ir faziniai srovės iki 300A. Maitinimo įtampa gali būti nuo 18V iki 85V DC, kas leidžia energiją gauti iš įvairių tipinių šaltinių, įskaitant ličio-jonų elementų paketą (iki 20 vienetų, t. y. 20S bateriją).

Valdiklio blokinė schema atrodo taip:

dsPIC mikrovaldikliai

Pateikto skaitmeninio valdymo (DSC, Digital Signal Controller) širdis yra mikrovaldiklis dsPIC33CK256MP505, veikiantis 100MIPS (milijonų instrukcijų per sekundę) našumu. Šis įrenginys taip pat turi tris vidinius operacinius stiprintuvus, kurie šiuo atveju naudojami srovės matavimui (kairysis apatinis schemos kampas). Be to, dsPIC šeima palaiko CAN transceiver, kuris kartu su ATA6561 įrenginiu (apie jį vėliau) užtikrina natyvią komunikaciją su CAN-Bus magistrale.

Vieno branduolio skaitmeninio signalo valdikliai dsPIC33CK šeimos sukurti atsižvelgiant į realaus laiko duomenų apdorojimo reikalaujančias programas, todėl pirmiausia valdymo ir apsaugos grandinėse, kaip aprašyta žemiau esančiame vaizdo įraše:

Aukštos našumo įrenginiai turi išplėstus registrus, dėl sumažinto pertraukų vėlavimo. Be to, jie turi daugybę integruotų periferinių įrenginių, taip pat naujas instrukcijas, leidžiančias natyviai valdyti DSP operacijas (angl. Digital Signal Processing). Taip pat pagerintas kodo vykdymo greitis, todėl mikrovaldiklis gali vykdyti sudėtingas valdymo kilpas realiu laiku.

Šie įrenginiai yra prieinami tik SMD formatuose: TQFP48 ir UQFN48. Prototipavimo tikslais „Microchip“ paruošė DM330017-3 kūrimo rinkinį. Svarbu tai, kad šie mikrovaldikliai pasižymi plačia temperatūros tolerancija (net nuo -40°C iki 145°C), leidžiančia juos naudoti sudėtingomis aplinkos sąlygomis, kurios dažnai būna variklių valdymo grandinėse. Visi šie produktai yra prieinami TME kataloge.

CAN magistralės transceiver

CAN sąsaja (iš angl. Controller Area Network) leidžia sistemos komponentams bendrauti per dviejų laidų magistralę. Aprašytoje grandinėje šis ryšys buvo įgyvendintas naudojant greitą transceiverį integruotoje ATA6561 mikroschemoje.

ATA6561 šeimos įrenginiai yra CAN transceiveriai, kurie užtikrina ryšį tarp mikrovaldiklio ir fizinės magistralės. Šie elementai sukurti greitam (net iki 5Mb/s) perdavimui, būtini, pvz., automobilių programose. Jie siūlo galimybę siųsti ir priimti diferencialinius signalus iš/per mikrovaldiklį, palaikantį CAN sąsają (tiesioginis ryšys). Jie pasižymi aukšta elektromagnetine suderinamumu (EMC) ir atsparumu elektrostatiniams iškrovoms (ESD). Be to, jie elgiasi pasyviai, kai nutrūksta maitinimas, nesukeldami magistralės trikdžių. Kartu su specializuotomis apsaugos funkcijomis (fail safe), tai daro ATA6561 įrenginius puikiu pasirinkimu visų tipų CAN tinklams, ypač sistemose, reikalaujančiose mažo energijos suvartojimo ir galimybės pažadinti komponentą per išorinę instrukciją, siunčiamą per sąsają.

Keitiklis

Pagrindinis elementas, valdant BLDC variklius, yra trifazis keitiklis, kuris tiekia dideles sroves vykdomajam elementui, atsižvelgiant į žemos įtampos signalus, gaunamus iš mikrovaldiklio (centrinė blokinės schemos dalis). Čia tokia grandinė buvo įgyvendinta naudojant šešis aukštos našumo MOSFET tranzistorius su labai mažu (maks. 1,7 mΩ) varžos būsenoje (parametras RDS(ON), t. y. Drain-Source Resistance when On), kas leidžia valdyti aukštas fazines sroves be pernelyg didelių nuostolių (ir grandinės perkaitimo). Tranzistorių darbą kontroliuoja MIC4104 valdikliai.

MIC4104 yra greiti, sinchroniniai MOSFET tranzistorių valdikliai. Jie tiekia srovę iki 2A (maks. srovė šaltinis -3A). Jie taip pat pasižymi labai trumpais įjungimo (24ns) ir išjungimo (6ns) laikais, t. y. signalo valdymo kritimo laiku. Šie įrenginiai yra įgyvendinti kaip puslaidininkis (vadinamasis H tiltas).

MIC4104 įrenginys įgyvendintas pagal TTL parametrus, t. y. loginiai slenksčiai yra <0,8V DC loginiam „0“, o >2,0V loginiam „1“. Greitas ir energiją taupantis perjungimo įrenginys užtikrina švarius signalo perėjimus išėjime. MIC4104 sukurta taip, kad įrenginys nebūtų jautrus maitinimo trikdžiams ir greitiems įtampos pokyčiams. Apsauga nuo per žemos įtampos buvo įgyvendinta tiek žemos, tiek aukštos pusės. MIC4104 taip pat pasižymi plačiu maitinimo įtampų diapazonu (nuo 5,5V iki 16V DC). Žema įtampa leidžia ilgiau veikti baterijomis maitinamuose įrenginiuose. Vartų valdymo įtampa yra nustatoma įrenginio VDD linijos lygyje, taip sumažinant galios nuostolius.

Alternatyviai čia galima naudoti naujesnį įrenginį, specializuotą BLDC varikliams, pvz., iš ATA6847 šeimos (laikinai tai yra produktai, prieinami TME pagal specialų užsakymą). Šie įrenginiai pasižymi, pvz., platesniu darbo įtampų diapazonu (3…48V DC).

Tranzistoriai

Tranzistoriai, naudojami keitiklyje, yra MOSFET komponentai: AOTL66912. Tai yra elementai SMD korpusuose. Vartų valdymo grandinė kontroliuoja įtampos kilimo greitį, užtikrindama reguliarius, be svyravimų perjungimus maitinimo linijose (įtampa iki 85V ir pikinės srovės iki 150A, pikinės).

Temperatūros stebėjimas

Norint užtikrinti optimalų komponentų temperatūrą, pateikta valdiklio grandinė reikalauja naudoti radiatorių, kuris išsklaido šilumą iš tranzistorių. Radiatoriaus temperatūra turi būti nuolat stebima naudojant įmontuotą MCP9700A temperatūros jutiklį. Įrenginys paverčia temperatūrą į analoginę įtampą (įmontuotas termistorius). Toks nebrangus ir energiją taupantis jutiklis pasižymi tikslumu ±2°C diapazone nuo 0°C iki +70°C su tipiniu srovės suvartojimu tik 6µA. Skirtingai nuo rezistencinių jutiklių, tokių kaip klasikiniai termistoriai, linijinis MCP9700A įrenginys nereikalauja papildomų komponentų, kas supaprastina projektavimą ir sumažina išlaidas.

MCP9700A jutiklio veikimas grandinėje, kurios užduotis yra nuolat stebėti temperatūrą, pateikiamas vaizdo įraše:

Jutiklio išėjimo kaištis (V_OUT) gali būti tiesiogiai prijungtas prie mikrovaldiklio analoginio-skaitmeninio keitiklio (ADC) įėjimo. MCP9700A temperatūros koeficientas yra sukalibruotas taip, kad užtikrintų 1°C/bit rezoliuciją su 8-bitų A/C keitikliu ir 2,5V arba 5V nuorodos įtampa. Naudojant 12-bitų keitiklį su 4,096V nuorodos įtampa, gaunama 0,1°C/bit rezoliucija. Įrenginys yra ekonomiškas sprendimas programoms, kuriose reikalingas santykinės temperatūros pokyčio matavimas.

Verta paminėti, kad MCP9700A yra kompaktiškas įrenginys, prieinamas tiek klasikiniame TO92 korpuse, tiek SMD versijose: SC70 ir SOT23. Pilnas jutiklio matuojamų temperatūrų diapazonas siekia nuo -40°C iki 125°C.

Maitinimo grandinė

Reikia atkreipti dėmesį, kad pateiktoje grandinėje komponentai veikia naudojant tris skirtingas maitinimo įtampas. Vartų valdikliams tai yra 12V DC, mikrovaldikliui (DSC valdikliui) 3,3V DC, o Hollo jutiklis, įmontuotas pavyzdiniame variklyje, reikalauja 5V DC. Be to, siekiant išplėsti modulio taikymo sritį ir pritaikyti jį tipinėms maitinimo metodikoms, esančioms įvairiuose elektros įrenginiuose, buvo priimta, kad leistinų įėjimo įtampų diapazonas čia bus nuo 12V iki 28V. Norint įgyvendinti tokią maitinimo grandinę, buvo naudojami dviejų tipų įtampos stabilizatoriai: MCP16331 ir MCP1754.

MCP16331 keitiklis (12V DC linija)

MCP16331 yra integruotas DC/DC keitiklis step-down tipo, pasižymintis aukštu efektyvumu (iki 96 %). „Microchip“ jį gamina populiariuose 6-pin (SOT23) ir 8-pin (2x3mm, TDFN) korpusuose. Jis gali veikti su įėjimo įtampomis iki 50V ir veikia pastoviu dažniu. Įrenginys turi daugybę svarbių funkcijų: aukštos pusės perjungiklį (high-side switch), pikinės srovės kontrolę (peak current mode), vidinę kompensaciją, srovės ribotuvą, termoprotekciją. Šiam integruotam maitinimo šaltiniui reikia prijungti tik keletą išorinių komponentų, pvz., rezistorių daliklį, kuris nustato išėjimo įtampos vertę. MCP16331 gali tiekti iki 500mA, reguliuodamas išėjimo įtampą diapazone nuo 2V iki 24V DC.

Įspūdingas keitiklio efektyvumas atsiranda dėl ribojamos srovės, greito N tipo MOSFET tranzistoriaus su labai maža varža. Aukštas perjungimo dažnis leidžia naudoti nedidelius filtravimo elementus, kas lemia kompaktiškus visos grandinės matmenis. Integruota Peak Current Mode architektūra užtikrina tikslią išėjimo įtampos reguliavimą, net esant staigiems pokyčiams įėjimo linijoje arba apkrovos pusėje.

Įėjimas EN (enable) naudojamas įrenginiui įjungti ir išjungti. Išjungimo būsenoje jis sunaudoja tik keletą mikroamperų srovės, kas yra naudinga programose, reikalaujančiose energijos valdymo, apkrovų paskirstymo, o svarbiausia – akumuliatoriais maitinamuose įrenginiuose. EN išvestis yra viduje prijungta prie maitinimo linijos, todėl šio kaiščio naudojimas nėra būtinas (jis bus nustatytoje būsenoje, įjungiančioje keitiklį).

MCP1754 reguliatorius (3,3V ir 5V DC linijos)

MCP1754/MCP1754S yra mažo nuostolio LDO (Low Dropout) tipo įtampos reguliatorių šeima, pagaminta CMOS technologijoje. Šie įrenginiai gali tiekti srovę iki 150mA, sunaudodami tik 56μA ramybės srovės (tipiškai). Todėl jie yra ypač naudingi nešiojamose programose, kur svarbūs yra maži galios nuostoliai. Įėjimo įtampos diapazonas yra nuo 3,6V iki 16V DC, kas daro šiuos komponentus idealiu sprendimu: įrenginiams, maitinamiems iš 4 iki 6 baterijų elementų (pvz., AA, AAA ir kt.); mobiliose programose su maždaug 12V DC maitinimu, įrenginiams, maitinamiems iš vieno iki trijų Li-Ion elementų.

Išvada

Dėl nedidelių matmenų, mažų sąnaudų ir aukšto efektyvumo, pateiktas kompaktiško BLDC variklių valdiklio projektas gali tapti daugelio sprendimų pagrindu. Ir nors grandinę galima daugelyje vietų modifikuoti, net ir tokia forma ji puikiai tiks šiuolaikinėse programose iš vadinamosios e-mobilumo srities, t. y. elektrinių paspirtukų ar dviračių. Be to, ji taip pat gali būti naudojama BLDC varikliams maitinti didelės galios dronuose ir bepilotėse skraidyklėse (UAV).

Pabaigai dar kartą pabrėžkime, kad visi „Microchip“ elementai, reikalingi grandinei įgyvendinti, yra prieinami TME kataloge ir tiekiami tiesiai iš mūsų sandėlių.

Tekstą parengė „Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.“ Originalus informacijos šaltinis – TME.eu.