Съвременни драйверни интегрални схеми за постояннотокови електродвигатели

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 3/2018 • 03.05.2018

Съвременни драйверни интегрални схеми за постояннотокови електродвигатели

Стефан Куцаров


Елeктродвигатeлитe са най-големият световен консуматор на електроенергия, като относителният дял на постояннотоковите (DC) и особено на безколекторните (Brushless DC - BLDC) непрекъснато нараства. Сред причините за това е масовото им използване в бита, заедно със стремително нарастващите приложения в индустрията и транспортните средства.

Предимство на BLDC електродвигателите е наличието на модели за напрежение до 600 V и мощности до няколко kW. Управляващата ги електроника освен да осигурява ефективното им функциониране, трябва да отговаря на общоприетите изисквания, да е с малка постояннотокова консумация и размери, а в немалко случаи и да работи при околна температура до 125°С.

Токът на електродвигателите се осигурява от драйвери, които за постояннотоковите в голямата си част са интегрални схеми (ИС). Обикновено драйверите са предвидени за управление на определен тип електродвигатели, но се предлагат и такива едновременно за колекторни (Brushed DC Motor) и стъпкови (Stepping Motor, Stepper Motor). На фиг. 1 са дадени разновидностите на постояннотоковите електродвигатели, интегралните схеми за чието управление (представени главно през периода 2016-2018 г.) са предмет на статията.

Драйвери за еднофазни BLDC електродвигатели
Еднофазните (Single Phase) BLDC електродвигатели са с една намотка, свързвана между два извода на драйверите, които са три разновидности според вида на изходното им стъпало.
Полумостови драйвери (Single Phase Brushless DC Motor Driver). Същността им се изяснява чрез опростената блокова схема на фиг. 2а, като в зависимост от модела тя съдържа от 2 до 10 изходни стъпала OS, чийто “горен” (High Side Transistor - HST) и “долен” (Low Side - LSТ) транзистор почти винаги са MOS или DMOS.

Напрежението VS е за захранване през OS на електродвигателя, а VDD е за останалите блокове на драйвера. Освен тях основен параметър е максималният изходен ток IOUT, чиято стойност е в сила до определена околна температура ТА, след която намалява. Също не трябва да се забравя няколко пъти по-големият от IOUT импулсен ток (невинаги даван в каталозите), важен за стартирането на електродвигателя. Изходният ток може да се осигурява от VS, при което протича през HST и излиза от OUT (Sink Current) или да идва от електродвигателя, като влиза в OUT (Source Current) и протича през LST.

За контрол на вътрешната температура на драйверите между HST и изхода им OUT се поставя сензор за температура, която се следи от блока за защита Prot и той изключва товара при надхвърляне на максимално допустимата й стойност tSD. При намаляване на температурата с около 20°С (точната й стойност е параметърът хистерезис на температурата) автоматично се възстановява нормалната работа. Освен това всяко OS обикновено има и блок Overcurrent, който чрез Prot също изключва електродвигателя при изходен ток ISD с няколко десетки процента над IOUT.

В някои каталози параметър е само ISD, с което производителят показва, че той е и IOUT. Други защити са: при недопустимо голямо захранващо напрежение VS (Overvoltage Lockout), която се задейства при достигане на VOVOFF; както и при малко захранващо напрежение VDD (Undervoltage Lockout) на управляващия блок Logic с праг на задействане VUVOFF (в някои драйвери блокът се захранва от VS, за което е в сила и тази защита).

Всеки от входовете In,n управлява работата на съответното изходно стъпало независимо от останалите. Входът EN е за разрешаване на работата на драйвера, като има модели с няколко такива входа, всеки за част от изходните стъпала.

Даденият с прекъсната линия блок Interface е наличен само в някои драйвери (редове 2 и 4 в табл. 1) и чрез него се осъществяват защитите и диагностиката на състоянието на OS. Някои от драйверите (ред 3 в табл. 1) съдържат блока Hall, полярността на постоянното напрежение на чийто вход INHall определя посоката на въртене на електродвигателя. Регулирането на оборотите чрез широчинноимпулсна модулация (PWM) на тока на електродвигателя се използва само в част от драйверите и се осъществява чрез правоъгълни импулси на вход PWM. Данните на всички входове са цифрови и обикновено се осигуряват от микроконтролер, препоръки за чийто вид и модел заедно с типична схема на свързване се дават в техническата документация на драйверите.

Съществени новости са специфичните функционалности Smooth Control на Microchip Technology (драйверът на ред 2 в табл. 1) и Soft-Switching на New Japan Radio (ред 3), които реално осигуряват безшумна и без вибрации работа на електродвигателя. Полезно е да се има предвид, че наличието на няколко OUT позволява различни начини за свързване на един или повече електродвигателя към даден драйвер, практически схеми за което се дават в каталозите, а примери са показани на фиг. 2б,в. 

По-рядко се използват свързвания между изход и маса или между изход и VS (ред 5 в табл. 1), които определят ток на електродвигателя само в една посока (Unidirectional Motor Drive). Някои драйвери (например на ред 4 в табл. 2) съдържат схема за защита при блокиране на ротора - тя изключва електродвигателя, периодично проверява за освобождаването му и съответно го включва. Също част от драйверите (редове 4 и 6) съдържат блок за измерване на оборотите чрез външен елемент на Хол.

В табл. 1 са дадени основни параметри на типични полумостови драйвери, като RoH и RoL са съпротивленията на канала на отпушените HST и LST. Вместо тях в някои каталози се дава напрежението върху транзисторите при определен IOUT. С tdOFFH и tdOFFL са означени времената за запушване на HST и LST и изключване на товара след подаване на сигнал от блока Logic, а tdONH и tdONL – съответно тези за включването му.

Параметърът fPWM е честотата на подаваните на вход PWM правоъгълни импулси, а специфична особеност на драйвера на ред 5 е реализацията на всяко OS с един MOS транзистор, управляван самостоятелно от “своя” вход IN.

Мостови драйвери (Full-Bridge Motor Driver, Full-Wave BLDC, H-Bridge). Едно от масовите им приложения е за BLDC електродвигатели на вентилатори. Изходното стъпало на мостовите драйвери съдържа две полумостови схеми и пример за него е показан на фиг. 3а, като диодите са за класическото предпазване от VS с обратна полярност, а OUT1A и OUT1B са изходите за електродвигателя. Няма принципни различия в структурата на мостовите драйвери в сравнение с фиг. 2а, но една от особеностите е в управляващите входове In,n.

В част от мостовите драйвери те липсват (редове 4 и 6 в табл. 2), в други се ползват само за осигуряване на работата на стъпкови двигатели (ред 1), а за различните режими на работа на BLDC двигателите (например на тези на редове 2, 3 и 5) в каталозите има таблица. Пример за част от нея за драйвера на ред 2 е даден на фиг. 3б. При лог. 0 на двата входа драйверът е в режим "Очакване" и консумира много малък ток, при лог. 1 на тях двата изхода са с малко и еднакво напрежение, електродвигателят реално е даден накъсо и спира, изходните напрежения на ред 2 означават захранването му с VS и ток от OUTB към OUTA (въртене в обратна посока) и според ред 3 полярността на VS се сменя и въртенето е в права посока.

Сред новостите в част от драйверите (например този на ред 1 в табл. 2) е наличието на блок Adaptive Percent Fast Decay (APFD) за намаляване на постояннотоковата им консумация и на пулсациите на тока на електродвигателите. При управляване и на стъпкови електродвигатели същият блок подобрява точността на установяване на положението на ротора им. Съществуват и патентовани решения за намаляване на създавания от електродвигателите шум (ред 1 на табл. 2).

Мостовите драйвери могат да са с една двойка изходи (редове 3-6 на табл. 2) и съответно да управляват един електродвигател, или с повече двойки. За последния случай е важно е да се има предвид, че по принцип за всяка двойка изходи има отделни управляващи входове, което означава независимо управление на свързания към нея електродвигател (например този от ред 1 може да управлява четири BLDC, два BLDC и един стъпков електродвигател или два стъпкови).

Подобно е положението и с възможността за задаване на ISD на всеки от електродвигателите чрез външен резистор (ред 1). Някои мостови драйвери (този на ред 3) не ползват като параметри времената в предпоследната колона на табл. 2, а времето tdet за регистриране на блокирано въртене (Lock Detection Time) и trel за неговото възстановяване (Lock Release Time). В други (ред 6) тези времена са прибавени към tdOFFH/tdOFFL и tdONH/tdONL. Специфично е и изходното стъпало на драйвера на ред 3, реализирано с два известни от аудиотехниката мощни мостови усилвателя (BTL), с което не само намаляват създаваните смущения, но практически с дадено VS се получава два пъти по-голямо изходно напрежение. Драйверът на ред 4 е сред малкото с биполярни транзистори в изходното стъпало, а вместо блока Logic има два диференциални усилвателя.

Еднофазни мостови предварителни драйвери (Single-Phase Full-Wave Pre-driver, Full-Bridge Gate Driver). Техният относителен дял е по-малък от този на предните драйвери, а основната им разлика от тях е използването като изходно стъпало на дискретни външни N-канални мощни MOS транзистори. Стъпалото за тяхното захранване в драйвера обикновено също е с MOS транзистори и по-рядко с биполярни. Благодарение на външните транзистори става възможно осигуряването на по-голям ток за електродвигателите, но размерите на захранващия блок обикновено нарастват.

Променят се и част от параметрите като в табл. 3 са дадени напреженията на гейтовете на външните HST (High-Side Gate Drive Output) VOUTH (стойността на напреженията им е спрямо VS, поради което се отбелязват и като VS-VOUTH) и LST (Low-Side Gate Drive Output) VOUTL заедно с токовете на гейтовете съответно IGH (Gate Drive Pull-Up Current) и IGR (Gate Drive Pull-Down Current). Много малки са времената от предпоследната колона, поради което не винаги са дадени в каталозите.

Сред особеностите на предварителния драйвер на ред 1 в табл. 3 са двата входа за задаване на посоката на въртене, спиране и оставяне на електродвигателя да се върти по инерция, установяване чрез резистор на максималния му ток и с друг на IS. Чрез свързаните към драйвера на ред 2 транзистори могат да се управляват до 85-волтови електродвигатели, а вградената в него възможност “adaptive dead time” намалява разликата между времената на включване на MOS транзисторите и съответно на енергийните загуби.

Драйверът на ред 3 е реализиран с биполярни транзистори, поради което липсват времената от предпоследната колона. Той има блок за работа със сензор на Хол и друг за регистриране на блокирането на ротора, както и извод за задаване на минималните обороти (полезно за вентилатори) чрез резистори. Драйверът на последния ред позволява оборотите да се задават чрез резистор или регулират чрез PWM, както и да се измерват със сензор на Хол. За предпоследната колона на таблицата в каталога са дадени времето за откриване на блокирал ротор (Lock Detection Time) tLD и времето между две последователни проверки за отпаднало блокиране (Lock-Stop Release Time) tLSR.

Драйвери за двуфазни BLDC електродвигатели
Този тип (Two-Phase BLDC Motor) са по-сложни поради двете си намотки и с малко приложения - главно за мощни вентилатори. Това определя малкия брой драйвери за тях, какъвто е LB1868M на ON Semiconductor с VS=57 V, IOUT=0,2 A, вход за сензор на Хол и TA=-30ё+80°C при размери 8x4,4x1,7 mm.

Драйвери за трифазни BLDC електродвигатели
Трифазните BLDC електродвигатели (Three-Phase BLDC) съдържат три разположени на 120° неподвижни намотки, в средата на които е роторът с три постоянни магнита на същия ъгъл един спрямо друг. Намотките обикновено се означават с U, V и W и захранването на всяка се осигурява от полумостово MOS и по-рядко IGBT (ред 4 на табл. 4) изходно стъпало.

Съществуват и решения за захранване на всяка от намотките с отделна ИС на полумостов драйвер, но тук те не се разглеждат.
Драйвери с вградено изходно стъпало (Three-Phase BLDC Motor Driver). В зависимост от модела те реализират един от два основни метода за управление на електродвигателите, наименувани според формата на осигурявания от драйверите ток през намотките им. Трапецовидното управление (редове 1, 3, 6 и 7 на табл. 4) изисква наличие на сензори на Хол до всяка намотка, но осигурява малки размери на драйверите, добра надеждност и ниска цена, а основните му приложения са за малки електродвигатели. Недостатъци са пулсациите на въртящия момент на ротора, нагряването на намотките и шума при работа.

Значително по-сложното синусоидално управление изисква електродвигател с един сензор (ред 2) или без сензори (редове 4 и 5) и осигурява по-малък шум и вибрации. Към това неговата разновидност Saddle Profile Technique добавя по-големи въртящ момент и обороти при дадено входно напрежение на драйвера и намаляване на разсейваната от него мощност. Чрез т. нар. Phase-Angle Advance (драйверът на ред 2) зависимостта на оборотите от входното напрежение още повече приближава до линейната.

Опростената структура на драйвер на фиг. 4 показва трите еднакви канала U, V и W, съдържащи предварително PreDr и изходно HBr стъпало, чието управление и входове IN могат да са твърде различни в зависимост от модела. Най-често използвани са входовете за регулиране на оборотите и за задаване на посоката на въртене на ротора. Измерването на IOUT на електродвигателя става по различни начини – поотделно на токовете на всяка намотка (ред 1 на табл. 4), заедно на две от намотките (ред 3) и заедно на трите намотки (редове 2, 4, 6 и 7). Информационните изходи INF OUT по принцип не са задължителни, но обикновено съществуват (всички драйвери в табл. 4), като има модели (например на ред 3) с изводи, ползвани едновременно за IN и INF OUT.

Малко са различията на параметрите на трифазните драйвери от тези на еднофазните, например еднаквите съпротивления Ron на HST и LST на полумостовете (един от ползваните термини е SWx On Resistance). В част от драйверите един от токовете IOUT и ISD не е фиксиран, а може да се задава чрез резистор – в този на ред 2 чрез ROCP се установява ISD=0,18/ROCP, а в драйвера на ред 4 токът IOUT се задава чрез резистор между 7,32 и 182 килоома. Специфичен Lead Angle Control е използван в драйвера на ред 6, чрез който се намалява фазовата разлика между напрежението на обратна ЕДС (Back-EMF Voltage) и тока на електродвигателя и съответно се подобрява ефективността му.

Чрез изходно стъпало с IGBT е осигурено голямото VS на драйвера на ред 7 в табл. 4 и то е галванично разделено от останалите блокове, захранвани с 13,5-17,5 V. Именно за това напрежение е в сила VUVOFF. Предварителни драйвери. Типичното им, но невинаги използвано английско наименование Three-Phase Gate Driver показва използването им за захранване на полумостови стъпала, съдържащи мощни MOS транзистори. Някои от драйверите (например даденият на ред 1 в табл. 5) могат да се използват и за синхронни електродвигатели с постоянен магнит (Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM).

За предварителните драйвери от табл. 5 е полезно да се отбележи, че подобен на дадения на ред 1 е 33937А на същия производител, но той е с TA=-40ё+135°С, а тези на редове 2 и 4 се препоръчват за автомобили. Всички драйвери имат вграден интерфейс SPI за управляването им от микроконтролер. Възможността чрез 3-разредно двоично число да се задават 8 стойности на тока IG на гейтовете на външните транзистори в драйвера на ред 3 позволява голямо разнообразие в избора им и този на управляваните електродвигатели.

Драйвери за постояннотокови колекторни електродвигатели
Управлението на колекторните постояннотокови електродвигатели (Brushed DC Motor) е улеснено от линейните зависимости на оборотите им от захранващото напрежение и на въртящия момент (Torque) от тока, като регулирането и на двата параметъра се извършва чрез ШИМ (PWM). Когато е необходима и смяна на посоката на въртене, се ползват драйвери с мостово изходно стъпало (дадените в табл. 6), а осигуряваните от тях режими на работа са показани на фиг. 5.

По-рядко използваните полумостови стъпала (напр. А4928 на Allegro Microsystems) са само за фиксирана посока на въртене. Управлението на драйверите се извършва чрез микроконтролери и то обикновено изисква по-малко елементи в сравнение с драйверите за BLDC двигатели. Полезно е да се има предвид, че част от драйверите могат да се използват и за управление на стъпкови електродвигатели (Brush/Stepper Motor Driver), което се отбелязва в каталозите. Има разновидности (редове 2 и 3 на табл. 6) с възможност да регистрират празен ход на изхода си (Open Load Detection).

Характерни примери за съвременни драйвери са дадени в табл. 6, като тези на редове 1 и 3 са подходящи за устройства с батерийно захранване - двойният на ред 3 консумира типично 10nA в режим "Очакване". В драйвера на ред 2 всяка от стойностите на ISD и ISC се установява чрез интерфейса SPI, а особеност на двойния на ред 5 е ползването на DMOS транзистори в изходното стъпало.
Предварителни драйвери. От техния относително неголям брой ще бъдат споменати А4928 на Allegro MicroSystems с VS=5,5-50 V, предназначен за полумостови изходни стъпала в автомобили и DRV8701 на Texas Instruments с VS=5,9-45 V за мостови стъпала.

Драйвери за стъпкови електродвигатели
Работата на стъпковите двигатели (Stepper Motor, Stepping Motor) SM изисква токът през двете им намотки да може да протича и в двете посоки, което налага захранване с две мостови стъпала, входовете за чието управление обикновено се означават с PHASE 1 и PHASE 2. По принцип драйверите могат да захранват и два BLDC електродвигателя, всеки със самостоятелно управление, а реалното съществуване на тази възможност е отбелязано в документацията.

Най-простото функциониране с ъгли на завъртане на ротора 45°, 135°, 225° и 315°, т. е. 4 стъпки на оборот (step per revolution) се осигурява с четири стойности IOUT, означаван и като ITripMax. За увеличаване на броя на стъпките през намотките се пропускат токове с точно определен процент от IOUT и на всяка комбинация от две техни стойности и посока съответства определен ъгъл на ротора, установяван с типична грешка 3-5% (параметър на драйвера). Връзката между ъгъла и стойностите на тока се дават в документацията като таблици и графики.

Например за 16 стъпки и ъгли през 360/16=22,5° се ползват токове 0%, 33%, 66% и 100% от IOUT. Съществуват SM и с 12, 24, 72, 144, 180 и 200 стъпки, като този класически начин се нарича full step operation. В неговата разновидност half-step operation се удвоява броят на стъпките чрез съответните междинни стойности на IOUT. За по-нататъшно увеличаване на техния брой се ползва micro-step operation (или micro-step mode), реализирана чрез драйвер с микростъпки (Microstepping Driver, MSD) – това са дадените в табл. 7. Това действие означава разделяне на всяка стъпка на 10 до 256 микростъпки в зависимост от модела на драйвера – например SM с 200 стъпки (ъгъл 1,8°) чрез MSD с разделяне на 256 придобива 51 200 стъпки.

Табл. 7 съдържа типични драйвери като минималната стъпка е частта й от основната, специфичните времена tstep и tSET са минималната продължителност на управляващите входни импулси и времето за установяване на тока на дадена стъпка след подаването им. В таблицата не е отразен даваният понякога като параметър максимален брой стъпки за 1s (Maximum Velocity), например в драйвера на ред 3 той е 15 564 при минимална микростъпка 1/16.

Новият Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0/2018

Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top