Методи за управление на BLDC електродвигатели

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2015

Предимства и недостатъци на различните схемни решения за управление на безколекторни постояннотокови двигатели

Брайън Чу

Безколекторните постояннотокови (BLDC) двигатели имат нарастващ пазарен дял в сравнение с другите видове двигатели, особено в автомобилостроенето и медицинската техника. Това е импулс за развитието на нови подходи към схемните решения за управление на двигатели и дава възможност на разработчиците да решат кой подход е най-добър за конкретното приложение.

Според традиционния подход схемата за управление на двигателя се проектира с дискретни компоненти, но най-новите разработки предлагат други видове решения:
• само с една интегрална схема (ИС), т. е. едночипова система (System on Chip – SoC)
• със специализиран чип (Application-Specific Standard Product - ASSP)
- с помощта на две интегрални схеми (двучипова система)

Макар и всички по-нови схемни решения, с един и с два чипа, да осигуряват намаляване на броя на компонентите и да опростяват схемата, всеки подход има своите специфични предимства и недостатъци. Тъкмо тях разработчикът трябва добре да разбира, за да постигне оптималния баланс между гъвкавото управление и минимално възможния размер на платката.

Независимо от избрания подход, типичната система за управление на двигател включва три основни елемента: захранващ блок, драйверно стъпало и управляващ блок. В традиционната схема с дискретни компоненти, като показаната на фиг. 1, се използва обикновен RISC процесор, който управлява гейтовете на външните полеви транзистори (MOSFET), които на свой ред управляват фазните токове на двигателя.

Друг алтернативен метод е управлението да се извършва с помощта на процесор с вградени полеви транзистори (MOSFET) и на стабилизатор на напрежение, който да осигурява ток и за процесора, и за управлението на двигателя.
Всички тези елементи обикновено се обединяват в едночипова система (SoC), която захранва и управлява двигателя.

Едночиповата система
може да бъде програмирана, а това дава възможност за ползване в множество приложения. И тъй като чипът е само един, този вариант е подходящ в случаите, когато няма място и размерът на платката е ограничен.

Недостатъкът при проектирането с едночипови системи е в това, че поради по-ниската изчислителна мощност и ограничения обем програмна памет не могат да се реализират по-сложни алгоритми за управление на двигателя. Друг недостатък се крие в това, че в сравнение с широкия набор от програмни средства, които производителите предоставят за останалите видове микроконтролери, поддръжката на средства за програмиране на ниско ниво на едночиповите (SoC) системи за управление на двигатели е значително по-ограничена.

Алтернатива на едночиповия подход е използването на специализирани ИС
за управление на двигатели, разработени съобразно различните приложения (ASSP). Предимство на специализираните чипове е това, че заемат минимална площ на платката, което ги прави идеални в случаите, когато мястото е силно ограничено. На фиг. 2 е показана блоковата схема на специализирана ИС за управление на двигатели на вентилатори, реализирана в 10-изводен DFN корпус.

Специализираните чипове премахват необходимостта от писане на програма, а същевременно предлагат и отлично съотношение цена/ефективност при големи обеми на произвежданите крайни изделия, като при това ефективността при управлението с тях по нищо няма да отстъпва на ефективността при програмно управление с микроконтролер.

Такъв специализиран чип може например да се използва за управление на BLDC двигател по алгоритми, при които фазните токове се управляват по синусоидален закон и няма сензори в обратната връзка. Въпреки тези предимства специализираните чипове не могат да се програмират, което ограничава възможностите за пренастройка при необходимост от по-голяма изходна мощност, а също така и гъвкавото адаптиране към евентуални бъдещи изисквания на потребителите.

Докато проектирането с едночипови системи или със специализирани ИС осигуряват на разработчиците възможност за постигане на висока степен на миниатюризация, то има приложения, в които се предпочита

комбинацията от два чипа
микроконтролер, оптимизиран за сложна обработка на аналогови сигнали, в съчетание с външен драйверен чип. Този подход позволява да се избира от широк набор микроконтролери, които осигуряват комутацията със или без сензори и поддържат управлението на фазните токове по трапецоидален или синусоидален закон.

Когато се избира драйверния чип към микроконтролера, важно е да се знае, че той не само трябва да осигури достатъчна мощност за полевите MOSFET транзистори или за тях и за самия BLDC двигател. В този чип трябва също да е вграден регулируем стабилизатор на напрежение с висок КПД, който да може да сведе до минимум разсейваната мощност и заедно с това да захранва широк спектър от микроконтролери.

Важно е също да има и подсистеми за следене и поддръжка, които да осигуряват надеждната работа на двигателя, а също така и двупосочната комуникация с хост-контролера. Възможността за директно задаване на определен набор от параметрите му оптимизира възможностите за използване на драйверния чип, като елиминира необходимостта от писане на допълнителен програмен код за контролера.

Типичен пример за система, използваща два чипа, е показан на фиг. 3. Тук са комбинирани многофункционалният драйвер за трифазни двигатели на Microchip MCP8024 с високопроизводителния dsPIC33EP MC цифров сигнален контролер (DSC). Драйверният чип управлява шест N-канални полеви транзистора с цел реализация на векторно управление на синхронен двигател с постоянни магнити (СДПМ).

Вместо DSC може да се използва най-обикновен 8-битов микроконтролер в случаите, когато се използва проста, шестстъпкова схема за управление. Замяната на DSP с 8-битов микроконтролер може да се извърши без никакви промени в драйверната подсхема, стига BLDC двигателят да консумира приблизително същата мощност.

В таблица 1 е дадена съпоставка на предимствата при управлението на БЧПТ двигатели с един чип – SoC или ASSP; или с два чипа – един обикновен микроконтролер или DSC заедно с един драйверен чип. От таблицата се вижда, че използването на SoC и на ASSP е подходящо, когато мястото е ограничено, но техните твърдо фиксирани характеристики, заедно с ограниченията на паметта и изчислителната мощност, правят съответното схемно решение негъвкаво и без възможност да бъде използвано за други приложения.

Прилагането на едночиповия и двучиповия подход при управлението на BLDC двигатели дава възможност на разработчиците да намалят разходите за компоненти и размерите на платката в сравнение с традиционните схемни решения, изпълнени с голям брой дискретни компоненти.

Примерните решения и библиотеки – и по отношение на принципната схема, и по отношение на програмния код, предоставяни от производители като Microchip, също допринасят значително да се намали времето за разработка и така съвременните методи за управление на безколекторни постояннотокови двигатели да намерят по-бързо пазарна реализация.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top