Pierwsze kroki z bezczujnikowym polowo-zorientowanym sterowaniem silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC) firmy Infineon

Silniki elektryczne są wszędzie: w naszych domach, miejscach pracy i pojazdach. Spójrzmy na przykład na typowy współczesny samochód - posiada on przeciętnie około 35 silników w różnych miejscach. Zarówno standardowe silniki prądu stałego, jak i bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) służą do różnych zastosowań, od pomp paliwowych po podnośniki szyb (ilustracja 1).

Ilustracja 1. Typowe zastosowania zwykłych i bezszczotkowych silników prądu stałego (BLDC). (Źródło ilustracji: Infineon)

Wraz ze wzrostem liczby pojazdów elektrycznych i hybrydowych, trend zmierza w kierunku dalszego zwiększania liczby silników w jednym pojeździe. Oprócz motoryzacji, zwykłe i bezszczotkowe silniki prądu stałego są szeroko stosowane w automatyce przemysłowej, sterowaniu i robotyce.

Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC) są zwykle używane w bardziej wymagających zastosowaniach ze względu na przewagę ich osiągów w porównaniu ze silnikami szczotkowymi prądu stałego. Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC) zapewniają wyższą sprawność, dłuższy okres użytkowania i wyższy stosunek momentu obrotowego do wagi w porównaniu ze zwykłymi silnikami prądu stałego. Wady silników bezszczotkowych prądu stałego to m.in. ich wyższy koszt i potrzeba stosowania dodatkowych obwodów kontrolera.

Osobiście niedawno zmodernizowałem moją wiertarkę akumulatorową i wkrętarkę udarową, zmieniając silnik szczotkowy na bezszczotkowy prądu stałego. Poprawa momentu obrotowego i żywotności akumulatora była wyjątkowa i warta dodatkowych kosztów.

Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC)

Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC) są odmianą tradycyjnego standardowego silnika prądu stałego. Podstawowa różnica polega na tym, że silnik bezszczotkowy wymaga, aby komutacja odbywała się za pomocą środków elektronicznych, a nie szczotek mechanicznych. Wirnik silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC) składa się z magnesów trwałych, a stojan ma uzwojenie z odpowiednim zestawem biegunów. Obwód sterujący służy do zasilania uzwojeń i generowania pola wirującego. Gdy magnesy wirnika dążą do ustawienia się w jednej osi z wirującym polem stojana, generowane są ruch i moment obrotowy.

Bezczujnikowe sterowanie polowo-zorientowane (FOC)

Bezczujnikowe sterowanie polowo-zorientowane (FOC) to jedna z metod wykorzystywanych do sterowania prędkością i momentem obrotowym silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC). Bezczujnikowe sterowanie polowo-zorientowane (FOC) (znane również jako sterowanie wektorowe) to technika wykorzystywana do generowania 3-fazowej modulacji sinusoidalnej, która następnie może być kontrolowana pod względem częstotliwości i amplitudy. Obliczenia służą do przekształcenia sygnałów trójfazowych na dwufazowe, które są łatwiejsze do sterowania i implementacji w obwodzie sterowania silnikiem. Sterowanie bezczujnikowe eliminuje czujniki położenia, a zamiast tego mierzy wsteczną siłę elektromotoryczną (EMF) w celu określenia położenia wirnika.

Implementacja bezczujnikowego sterowania polowo-zorientowanego (FOC) w mikrokontrolerze

Wdrożenie bezczujnikowego sterowania polowo-zorientowango (FOC) wymaga wykonywania pomiarów sygnału i obliczeń matematycznych. Dobrym rozwiązaniem do realizacji tej funkcji będzie mikrokontroler o odpowiednich parametrach działania i wyposażony w niezbędny zestaw peryferiów. Sterownik TLE9879QXA40 firmy Infineon jest układem SoC sterownika silnika 3-fazowego z rdzeniem ARM® Cortex®-M3 (ilustracja 2).

Ilustracja 2. Schemat blokowy zastosowania układu TLE9879x. (Źródło ilustracji: Infineon)

Zawiera sześć w pełni zintegrowanych sterowników NFET zoptymalizowanych pod kątem sterowania silnikiem 3-fazowym za pomocą sześciu zewnętrznych modułów NFET, pompę ładunku umożliwiającą pracę przy niskim napięciu oraz programowany sterownik prądu i jego gradientu do optymalizacji kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Zestaw peryferiów obejmuje czujnik prądu, przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) z sukcesywną aproksymacją zsynchronizowany z jednostką przechwytywania i porównywania danych do sterowania modulacją szerokości impulsów, oraz 16-bitowe układy czasowe. Dodatkowo, aby umożliwić komunikację z urządzeniem oraz zapewnić szereg wejść-wyjść ogólnego przeznaczenia w sterowniku zintegrowano nadajniko-odbiornik LIN. Zawiera on wbudowany liniowy regulator napięcia do zasilania odbiorników zewnętrznych.

Sterownik TLE9879QXA40 firmy Infineon to dobre rozwiązanie do realizacji sterowania polowo-zorientowanego w silnikach bezszczotkowych prądu stałego (BLDC). Jego parametry działania i zestaw funkcji pozwalają wdrożyć wysokowydajny, ekonomiczny sterownik silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC) na niewielkiej powierzchni płytki. Szczegóły teorii FOC i sposobu implementacji algorytmu można znaleźć w szczegółowych uwagach dotyczących zastosowań „Bezczujnikowe sterowanie polowo-zorientowane z wbudowanym układem SoC zasilania”

Pierwsze kroki

Niedroga płytka ewaluacyjna BLDC_SHIELD_TLE9879 firmy Infineon to łatwy sposób na rozpoczęcie pracy z bezczujnikowym sterowaniem polowo-zorientowanym (FOC). Opiera się na układzieTLE9879QXA40 i jest przeznaczona do sterowania silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC) w połączeniu z płytą bazową kompatybilną z Arduino. Używając jej w połączeniu z płytką Arduino Uno, kompatybilny silnik bezszczotkowy prądu stałego (BLDC) można uruchomić w mniej niż godzinę (ilustracja 3).

Ilustracja 3. Płytka ewaluacyjna BLDC_SHIELD_TLE9879 zamontowana na płytce bazowej Arduino Uno. (Źródło ilustracji: Infineon)

Schematy, bibliotekę Arduino i pełną dokumentację płytki BLDC_SHIELD_TLE9879 można znaleźć pod adresem https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. Podczas zbierania materiałów do napisania niniejszego artykułu poświęciłem czas na pracę z płytkami Uno i nakładkami (shield), aby zapoznać się z tematem sterowania silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (BLDC). Etapy konfiguracji, kod testowy i odniesienia do dokumentów są zawarte w opracowaniu Sterowanie silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (BLDC) z wykorzystaniem nakładki TLE9879Qx do silników trójfazowych firmy Infineon zamieszczonym na TechForum firmy DigiKey.

Rozwój aplikacji

Dla osób zainteresowanych zagłębieniem się w tematykę prac projektowo-rozwojowych w oparciu o płytkę TLE9879Qx firma Infineon zapewnia dodatkowe zasoby. Punktem wyjścia będzie kod źródłowy oprogramowania wgranego do nakładki sterowania silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (BLDC) dostępny jako pliki projektu Keil uVision. Pliki projektu są zawarte w oprogramowaniu do pobrania „BLDC Shield for Arduino with TLE9879QXA40” ze strony projektu nakładki firmy Infineon pod adresem BLDC_SHIELD_TLE9879. Oprócz projektu referencyjnego nakładki BLDC, firma DigiKey udostępnia również projekt referencyjny pompy REF_WATERPOMP100W i wentylatora REF_ENGCOOLFAN1KW.

Podsumowanie

Płytka ewaluacyjna BLDC_SHIELD_TLE9879 firmy Infineon pozwala w szybki i tani sposób stawiać pierwsze kroki z bezczujnikowym sterowaniem polowo-zorientowanym (FOC) silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC). Płytka jest również dobrym zasobem dla bardziej zaawansowanych użytkowników zainteresowanych testowaniem sterownika TLE9879QXA40 i zaczęciem prac od dostarczonego kodu źródłowego.

Bibliografia zewnętrzna

1 – Infineon. „Motor Handbook”

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