Интегрални схеми за управление на електродвигатели

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2006

 

Стефан Куцаров

То не много отдавна от електронните устройства за управление на електродвигатели се изискваше сигурно действие без да се поставят строги изисквания за малки размери и тегло. Днес положението е съвършено различно - налага се използването на леки и високомощни електрозадвижвания не само в индустрията (типичен пример са роботите), но и в бита, офистехниката, електроинструментите, превозните средства...

В тази връзка сериозно развитие получиха интегралните схеми (ИС) за управление на електродвигатели. Независимо от голямото им разнообразие, те могат да се разделят на две основни групи – драйвери (Driver) и контролери (Controller), като нараства броят на контролер-драйверните (Controller/Driver) ИС. Драйверите осигуряват необходимите токове и напрежения на електродвигателя и някои от тях могат да се използват за управление и на други товари. Контролерите се свързват на входа на драйверите и задават вида на напреженията и токовете, например импулси или постоянно напрежение. По-голямата част от контролерите са предназначени за определен тип електродвигатели, но има и такива за два типа.

В материала се изясняват принципите на действие на контролерите и драйверите за основните видове електродвигатели и се дават данни за характерни техни представители.

Постояннотокови колекторни двигатели
(DC Brush Motor)

Статорът и роторът им са намотки, действащи като електромагнити и въртеливото движение се осигурява от взаимодействието на техните полета. Токът на ротора протича през четките на колектора, което е принципен недостатък. При двигателите с външно възбуждане статорът и роторът се захранват от отделни постоянни напрежения и въртящият им момент и оборотите се регулират в широки граници чрез тока на статора и напрежението на ротора. Управлението им обикновено изисква обратна връзка. При необходимост от лесно регулиране на оборотите се използват серийни електродвигатели, чието наименование произлиза от последователното свързване на намотките на статора и ротора към едно захранващо напрежение.

Колекторните двигатели имат широко индустриално приложение за всякакви мощности, особено при необходимост от регулиране на оборотите и въртящия момент. Допълнителни предимства са ниската цена и малките размери.

Блоковата схема на типичен драйвер (А3950) е дадена на фиг. 1, а основните й параметри са в табл.1. Ключовете S1-S4 са мощни NMOS транзистори, осигуряващи изходния ток на двигателя и се задействат от управляващия блок CL. Свързването на ключовете е мостова схема (Full-Bridge). Показаното им положение е при ENABLE=1 и PHASE=1, което осигурява означената посока на тока IOUT на двигателя и съответстващата му посока на въртене на ротора. Чрез ENABLE=1 и PHASE=0 се сменят посоките на тока и на въртенето, тъй като се затварят S2 и S3, а S1 и S4 се отварят. При ENABLE=0 и MODE=1 се затварят само ключовете S3 и S4 и натрупаната магнитна енергия в статора предизвиква протичане на ток през намотките му, което има спирачно действие и намалява оборотите. Това позволява блокът CL да осигурява промяна на оборотите чрез ШИМ на вход MODE. Същевременно постоянното подаване на MODE=1 представлява команда за спиране на двигателя. Нормалната работа на ИС е при SLEEP=1, а с подаването на SLEEP=0 се отварят и четирите ключа, т.е. изходите OUTА и OUTВ преминават в състояние на висок импеданс и двигателят спира.

Блокът PROT осигурява безопасната работа на двигателя и на самата ИС, като следи напреженията на изходите OUTА и OUTВ. При нежелано свързване на който и да е от тях към захранващото напрежение VВВ или към маса, напреженията рязко се променят, ключовете S1-S4 се отварят и на изход NFAULT се получава логическа 0, което е сигнал за грешка в работата на двигателя. Чрез таймер, вграден в PROT, след 1,2 ms ключовете се затварят с опит за включване на двигателя. Ако нежеланото свързване продължава, ключовете отново се отварят и процесът се повтаря. Същото е поведението и при ток на двигателя над допустимата стойност, установявана чрез напрежението върху резистора Rs. В допълнение на това в блока PROT има и температурна защита, която отваря S1-S4 при нагряване на ИС до 175°С и възстановява нормалната работа при намаляването й до 160°С.

Основните параметри на ИС за управление на постояннотокови колекторни електродвигатели са в табл. 1.

Постояннотокови безколекторни двигатели (Brushless DC Motor, BLDC)

При тях роторът е постоянен магнит и не изисква четки, което е едно от големите им предимства. Статорът е с намотка, която чрез подходящо управление осигурява въртящо се магнитно поле, увличащо със себе си ротора. Най-простият начин за това е чрез смяна на посоката на тока на статора на всеки половин оборот така, че неговото поле винаги да привлича най-близкия полюс на ротора. Съществуват еднофазни и трифазни двигатели, като последните имат значително по-постоянен въртящ момент. Безколекторните двигатели позволяват работа с по-високи обороти от колекторните, което обуславя разширяващото им се приложение.

Принципът на управление е изяснен на фиг. 2. Със CTR е означен управляващият контролер, чиито изходни импулси се превръщат в достатъчно мощни от драйвера DR и се подават на статора. Скоростта на въртене на ротора се измерва с енкодера VЕ, който формира електрически сигнал на съответния вход на CTR. Нерядко VЕ има изход OUT със сигнал, пропорционален на оборотите на двигателя, който е необходим при включването му в система със сервоуправление. Положението на задвижваната част се следи от друг енкодер РЕ, чийто сигнал също се подава на CTR. Предаваните по линиите L1 и L2 сигнали от енкодерите се преобразуват от приемниците RX1 и RX2 в импулси с логически нива, подходящи за CTR.

По принцип регулирането на оборотите и въртящия момент на BLDC се осигурява чрез ШИМ на импулсите от CTR. Драйверите на еднофазните двигатели се реализират по мостова схема, а тези на трифазните – с три полумостови схеми (фиг. 3), като във всеки момент от времето са затворени по два от ключовете за подаване на напрежението U на съответната намотка на статора.

Принципът на действие на контролерите се изяснява чрез блоковата схема на ZXBM1015 на Zetex (фиг. 4), чиито основни параметри са в табл. 2. Блокът REF осигурява на извод ThRef опорно напрежение +3 V. Генераторът OSC е за импулси с ШИМ, чиято честота се задава чрез кондензатора към извод CPWM. Коефициентът на запълване на импулсите може да се променя между 0 и 100% чрез външно постоянно напрежение на извод SPD. По този начин се регулират оборотите на двигателя. При напрежение на извода над +3V импулсите от OSC се прекратяват и двигателят спира. Чрез външен делител на вход SMIN се подава друго напрежение, което фиксира минималните обороти.

Импулсите от OSC се подават и на блока PDC, чиито изходи Ph1Hi, Ph2Hi, Ph1Lo и Ph2Lo, също чрез импулси, осигуряват работата на външния драйвер и свързания към него двигател. За контролиране на тока на последния е поставен резисторът Rs. Неговото напрежение чрез вход Sense постъпва на блока СМ, на чийто втори вход SetTh се подава чрез делител част от опорното напрежение за фиксиране на максималните обороти на двигателя. Ако по някакви причини те бъдат надхвърлени, блокът СМ подава напрежение на OSC за намаляване на коефициента на запълване на импулсите.

Положението на ротора на двигателя се определя чрез сензори на Хол, които се захранват чрез постоянното напрежение от извод H-Bias, получено от блока НВ. Импулсите от изхода на този блок се подават на PDC за осигуряване на необходимата смяна на посоката на тока на статора. При спиране на движението на ротора се прекратяват импулсите на изхода на НВ и след време, определено от кондензатора на извод CLCK, блокът LRD подава на PDC сигнал за нулиране на тока. Същевременно чрез блока SLD на извод RD се получава логически сигнал, че двигателят е спрял. Сега LRD започва периодично да подава за време ton ток на двигателя и ако той не се задвижи, го прекратява за време toff. Тези времена зависят от кондензатора на вход CLCK, например при 1 uF се получават ton=0,56s и toff=6,8s. И накрая на изход FG се получават импулсите от сензорите на Хол, които са с честота, пропорционална на оборотите. Този изход съответства на OUT на фиг. 2. С подобно действие и параметри е контролерът ZXMB2004, предназначен за двуфазни BLDC.

В табл. 2 са дадени основните параметри на ИС за управление на BLDC.

Стъпкови електродвигатели (Stepper Motor)

Това са постояннотокови двигатели, по обиколката на чийто ротор са разположени постоянни магнити с редуващи се полюси. Статорът е с две намотки под формата на кръст, като най-простият случай е във всеки момент от времето да протича ток само през една от тях.

Тя привлича най-близко стоящия полюс на ротора, който се завърта срещу намотката и остава неподвижен. Токът през нея продължава да протича, независимо че роторът не се движи (това е безопасно за разлика от другите видове постояннотокови и променливотокови електродвигатели) и създава удържащ момент за фиксиране на положението на ротора. Дори при прекратяване на тока през намотката остава силата на привличане между постоянните магнити и срещулежащите им железни накрайници на статора. Тя се нарича остатъчен момент. Той е десетина пъти по-малък от удържащия, но все пак не позволява промяна на положението на ротора при неголяма външна сила на въздействие върху него.

За да се завърти роторът на още една стъпка се пропуска ток през другата намотка, която също привлича полюс на ротора. Така чрез последователни във времето импулси на намотките се осигурява стъпковидното движение на ротора. Колкото броят на полюсите е по-голям, толкова по-малък е ъгълът на завъртане, съответстващ на една стъпка.

В зависимост от начина на реализация на намотките на статора съществуват два основни вида стъпкови двигатели, които се различават и по начина на управление. При биполярните (Bipolar Stepper Motor), наричани още двуфазни (Two-Phase Stepper Motor) през всяка намотка може да протича ток в двете посоки. Това се осигурява от драйверите и е изяснено на фиг. 5. При даденото положение на ключовете на драйвер DR1, през намотката w1 протича ток в показаната посока и роторът се завърта на една стъпка. След това чрез драйвера DR2 се подава ток в същата посока на намотка w2 и роторът отново се завърта. Следва затваряне на ключовете S2 и S3 в DR1, поради което протича ток в обратна посока през w1 и роторът пак се завърта. Накрая се сменя посоката на тока през w2, след което процесът се повтаря отначало.

Намотките на еднополярните стъпкови двигатели (Unipolar Stepper Motor), известни и като четирифазни (Four-Phase Stepper Motor) са със среден извод (фиг. 6), а захранването им става с еднополярни токови импулси. Затвореният ключ S1 на драйвер DR1 определя показаната посока на тока през горната половина на намотка w1 и завъртане на ротора. Следва отваряне на S1, затваряне на S2 и протичане на ток през долната половина на w1, което я превръща в електромагнит с обратно разположени полюси. Поради това отново се привлича полюс от ротора. По-нататък по същия начин действат ключовете в DR2 и чрез намотка w2 определят нови две завъртания на ротора.

Схемите на фиг. 5 и 6 показват работата на стъпковите двигатели в режим на неизменно напрежение (Constant Voltage Mode). При него драйверите са най-прости, а приложението му е главно за двигатели с малки обороти. Причината за това е, че при големи обороти напрежението трябва да се подава за кратко време на всяка намотка. И тъй като токът през намотката закъснява спрямо напрежението й се оказва, че има ток само през част от времетраенето на напрежението. Това означава намаляване на въртящия момент. По тази причина за големи скорости на въртене се предпочита режим на неизменен ток (Constant Current Mode), независимо от по-сложната схема на драйверите.

Последната особеност на управлението на стъпковите двигатели е смяната на посоката на движението им, реализирана чрез управляващия контролер. Два са основните начина за това. При първия контролерът има изход Pulse, на който се получават импулсите за движение на ротора и друг изход Dir, логическото ниво на който определя посоката. Вторият начин също изисква два изхода от контролера, но импулсите от единия (CW) осигуряват въртене по посока на часовниковата стрелка, а тези от другия (CCW) – в обратна посока.

Описаният до тук начин за задвижване на ротора се определя от активиране в който и да е момент от времето само на една намотка, при което броят на стъпките за един оборот е равен на броя n на полюсите на ротора. Поради това на една стъпка съответства ъгъл на завъртане 360°/n. Трудно и скъпо е чрез увеличаване на броя на полюсите да се правят двигатели с много стъпки (двигател с ъгъл 0,72° изисква 400 полюса, т.е. 200 постоянни магнита на ротора). Реализацията на голям брой стъпки чрез малко полюси се постига чрез микростъпково управление (Microstepping). При него всяка от n-те стъпки се разделя на части, обикновено равни на цяла степен на 2 (между 20 и 28). За целта едновременно се активират и двете намотки, като през всяка се пропуска точно определен ток. Едновременното тяхно въздействие има за резултат завъртане на ротора на ъгъл, по-малък от 360°/n и той застава в положение, точно съответстващо на токовете. Безпорно това затруднява управлението, но засега е единственото решение за получаване на много голям брой стъпки. Недостатък на многостъпковото управление е силното намаляване на въртящия момент на двигателя с нарастване на броя на стъпките.

На фиг. 7 е дадена опростената блокова схема на драйвера SLA7033 на Allegro Microsystems. Показани са също външните елементи и намотките на двигателя. Последните са свързани в съответствие с фиг. 6, което означава, че драйверът е предназначен за еднополярни двигатели. Схемата съдържа две еднакви части за всяка двойка намотки с ключове, реализирани с NMOS транзистори. Всяка намотка има собствен резистор (Rs1 и Rs2) и компаратор (СОМР) за задаване на максималния ток. Компараторът сравнява напрежението върху съответния резистор с външното, подадено от делителя R1-R2 и при ток над максималния намалява коефициента на запълване на импулсите на драйвера MOSDR. Входовете получават логически сигнал от управляващ микроконтролер, който определя последователността на свързване на намотките.

В табл. 3 са дадени основните параметри на ИС за управление на стъпкови двигатели. Особеност на mPD168117A е, че може да управлява и постояннотокови колекторни двигатели.

Променливотокови индукционни електродвигатели
(AC Induction Motor)

Това е един от основните видове, известни още като променливотокови асинхронни електродвигатели (AC Asyncronous Motor). Те са едно- и трифазни, като всяка фаза е свързана с една двойка полюси на статора. Роторът е без електрическо захранване, което означава липсата на колектор и съответно надежна работа. Той съдържа алуминиеви ленти по дължината си, които образуват свързана накъсо намотка. Променливото напрежение на статора създава въртящо се магнитно поле във вътрешността му, което индуцира напрежение в намотката на ротора. През нея протича ток и неговото магнитно поле взаимодейства с това на статора. Резултатът е увличане на ротора от полето на статора и завъртането му.

Пример за сервоуправление на такива двигатели е наборът от ИС iMOTION на фирмата IR. Той включва контролера IRMCK201, трифазния драйвер DR (с IGBT) и токоследящите ИС IR2175 в две от фазите на двигателя. Тези ИС дават импулсни сигнали на брояча CNT в IRMCK201, съответстващи на тока във фазите. Управлението се извършва от външен микроконтролер или DSP чрез един от трите интерфейса, като е възможна работа и без него. В паметта EEPROM се записват специфичните параметри на управлявания двигател. Енкодерът ENC дава сигнали на блок SPEED, чрез който се контролират оборотите на двигателя.

Типични ИС за управление на индукционни двигатели са дадени в табл. 4.

Специфични интегрални схеми

Съществува значителен брой ИС с разширени или различни възможности в сравнение с класическите драйвери и контролери. Първата група са цифровите сигнални контролери (Digital Signal Controller) DSC, предназначени за едновременно генериране на няколко ШИМ-сигнала и използвани за управление на трифазни индукционни електродвигатели, на такива с променливо магнитно съпротивление (Switched Reluctance Motor) и постояннотокови безколекторни електродвигатели.

Структурата и действието на DSC се изяснява от обобщената блокова схема на серията dsPIC33F (фиг. 8) на Microchip. Нейният блок PWM има 8 изхода за правоъгълни импулси с ШИМ, чиято продължителност се изменя дискретно (до 216 стъпки) Изходите могат да се групират по двойки за захранване на незамасени товари. Блокът I/O има 85 извода, всеки от които може да се програмира като вход или изход за цифрови данни. Блокът DSP е 16-разреден цифров сигнален процесор, който осигурява действието на цялата ИС. За осигуряване на работата му блокът МЕМ съдържа статична оперативна памет SRAM, част от която е с директен достъп, както и памет Flash. Задължителният генератор (OSC) е реализиран като PLL схема и работи с външен кварцов резонатор. Освен на DSP той осигурява работата на блока Tm, който съдържа часовник за реално време (Real Time Clock, RTC) и девет 16-разредни таймера, които могат да се групират за работа и като 32-разредни. Връзката между блоковете на ИС се извършва по шината СВ и чрез блока IFC, който съдържа по два интерфейса SPI, I2C , UART и CAN.

Друга категория са специализираните микроконтролери. По принцип те се разделят на две големи групи – универсални и предназначени за управление на електродвигатели. Универсалните са за широк кръг приложения и в частност за електродвигатели. Пример за тях е серията Atmega48/88/168 на фирмата Atmel, съдържаща три 8-разредни микроконтролера с опростена блокова схема на фиг.9. Разликата между тях е само в обема на паметите им Flash, SRAM и EEPROM. Трите вградени 8-разредни таймера Tm и 8-каналният 10-разреден аналоговоцифров преобразувател ADC, заедно с 23-разредната входно-изходна шина I/O осигуряват много приложения. Всяка от ИС има по 6 независими изхода за импулси с ШИМ, чиито коефициент на запълване се задава по цифров път и може да има 256 стойности за прецизно регулиране на тока и в частност на оборотите на двигателя. За връзка на микроконтролерите с външни устройства се използва блокът INTF, който съдържа интерфейсите SPI и USART.

Типичен пример за специализирани микроконтролери е серията AТtiny261/461/861 също на Atmel с възможности и параметри, подобни на Atmega48/88/168 и предназначена за 3-фазни променливотокови индукционни двигатели. Тези ИС имат възможност за автоматично изключване на двигателя, когато токът му надхвърли зададена стойност.

От същия тип е серията 32-разредни контролери V850ES/IE2 на NEC Electronics, предназначени за трифазни електродвигатели, захранвани от инвертори. Прецизното управление с тяхна помощ позволява намаляване на шума и вибрациите на двигателите




Новият брой 5/2017

брой 5-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top