Микроконтролери за управление на електродвигатели – част I

• Променливотоковите синхронни двигатели с постоянни магнити (PMSM) имат редица предимства – по-малки загуби, по-висока възможна скорост, както и по-нисък шум
  
  
• Постояннотоковите безколекторни двигатели (BLDC) са с по-просто управление, по-малко загуби от превключване и са по-подходящи при ниски скорости на въртене
  
  
• При работата на BLDC с управление, ограничаващо тока до определена максимална стойност, има една важна особеност – при този максимален ток нарастването на въртящия момент води до намаляване на скоростта на въртене

Многобройните приложения на електродвигателите (ЕДГ) и непрекъснато нарастващите изисквания към тях са предпоставка за разработката на елементна база и методи за управлението им. Развитието на електродвигателите, контролните алгоритми и управляващите контролери води до по-добра ефективност и прецизност, по-ниска консумация и повишена безопасност, което от своя страна води до по-добра надеждност и по-бързо възвръщане на инвестираните средства. В два последователни броя на сп. Инженеринг ревю ще разгледаме основните типове електродвигатели и начини за управлението им, а втората част ще разгледа нови микроконтролери, специализирани интегрални схеми (ИС) и развойни китове за управление на постояннотокови и променливотокови двигатели.

Нека да започнем с някои от основните изисквания към управлението на електродвигателите:

• Класическо регулиране на скоростта на въртене;
  
  
• Поддържане на постоянна скорост на въртене при променлив товар;
  
  
• При включване и изключване на ЕДГ – плавно увеличаване и намаляване на скоростта или съоветно моментален старт/стоп, както и избор между режимите;
  
  
• Задаване на минимална скорост на въртене;
  
  
• Смяна на посоката на въртене на някои видове ЕДГ;
  
  
• Задаване и следене на броя стъпки (за стъпкови ЕДГ);
  
  
• Задаване и следене на времето за въртене и спиране;
  
  
• Следене и ограничаване на тока и температурата до зададена максимална стойност или изключване при превишаването им; автоматично или ръчно рестартиране след определено време;
  
  
• Задаване на границите на захранващото напрежение, в които ЕДГ може да работи;
  
  
• Регистриране на събития и наработени часове;
  
  
• Регистиране на нови и необичайни отклонения в електрическите, акустични и вибрационни параметри на ЕДГ с цел ранна диагностика (predictive maintenance) – тук възникват нови възможности за използването на машинно самообучение/изкуствен интелект ML/AI.

Да разгледаме основните типове ЕДГ и някои техни особености.

Колекторните постояннотокови електродвигатели

(BDC - Brush Direct Current), наричани oще четкови ЕДГ, имат за статор неподвижна клетка с фиксиран постоянен магнит и ротор (подвижна част) с четен брой намотки. При всяко определено положение на ротора, чрез контактуващи графитни четки и триещи контактни пръстени, една двойка намотки винаги се свързва към захранващото напрежение, като създаденото от протичащия ток магнитно поле взаимодейства с това на статора, от което роторът започва да се върти. Следва изключване, и последващо свързване на следваща двойка намотки и възникване на ново поле, което продължава въртенето – превключването (комутацията) се извършва автоматично от механичното въртеливо движение. Скоростта на въртене е правопропорционална на напрежението Ur на ротора и обратнопропорционална на тока Ir през него. Посоката се сменя при смяна на полярността на захранването. Скоростта се регулира чрез изменение на Ur – като това захранване е постоянно (DC, L/R) или накъсано/импулсно (chopper, PWM, ШИМ) постоянно напрежение U.

Модерният начин на управление е чрез изменение на ШИМ, т. е. чрез периодичното свързване на електродвигателя към това напрежение за време ton и изключването му за време toff, което води до по-голям въртящ момент и по-висока ефективност. С други думи, захранването е с еднополярни правоъгълни импулси с амплитуда U, честота F = 1/(ton+toff) и коефициент на запълване d = ton x F. За електродвигателя това е еквивалентно на свързване към постоянно напрежение Ur = U x d и следователно чрез промяна на коефициента на запълване d на импулсите при неизменна тяхна честота F (широчинно-импулсна модулация – ШИМ или Pulse-Width Modulation – PWM) може да се регулира скоростта на въртене. По принцип стойността на F трябва да е много по-голяма от максималната скорост на въртене и вече обикновено надхвърля 100 kHz. Управлението може да се реализира в дискретен или интегиран вариант, като обикновено се използва стандартен или специализиран микроконтролер (MCU) или специализирана интегрална схема (ASIC). Примерни варианти са показани на Фиг. 2.

Тук микроконтролерът (MCU) осигурява ШИМ интерфейса и управлението на външните драйвери. Входният управляващ сигнал може да бъде аналогов – например регулиращо се напрежение, или цифров – от стандартните серийни интерфейси, например UART, CAN, SPI, I2C, LIN и др. Плавното увеличаване на скоростта на въртене при пускане (Soft Start) се реализира като ШИМ се променя бавно от нула до максималната си стойност. Това може да е необходимо по две причини. Първата е, че импедансът на неподвижния ротор е нищожен (пълно късо съединение) и при включване ще се получи много голям ток, който би могъл да повреди управляващия или захранващия блок. Втората причина е рязко прилаганото голямо механично усилие върху ротора, което може да предизвика повреда на електродвигателя или задвижваните от него механизми. Токът през електродвигателя обикновено се следи през шунтов резистор, който може да се използва както за регулиране скоростта на ЕДГ при променлив товар, така и за защита. Блокът за защита обикновено има и температурен сензор, който може да се реализира чрез термистор, термодвойка, диод или специализирана ИС.

Спирането на ЕДГ може да осъществи по няколко начина. За плавно спиране ШИМ може да се намали плавно от максималната си стойност до нула или напрежението да се изключи напълно – като и в двата случая трябва да се вземе предвид натрупаната инерция на вала на ЕДГ и задвижваните механизми. Ако се нуждаем от рязко спиране, роторът се дава накъсо и неговият ток обуславя обратна електродвижеща сила, която създава механично усилие за спиране и евентуална смяна на посоката на въртене.

Описаното по-горе управление е без обратна връзка по-скорост (Open Loop Control). Чрез допълнителен сензор може да се следи скоростта на въртене, като пропорционалният електрически сигнал се връща в микроконтролера (Closed Loop Control) – всяка промяна на скоростта изменя и сигнала, което води до съответно пропорционално изменение на ШИМ за подържане на скоростта.

За разлика от колекторните двигатели, останалите типове ЕДГ нямат триещи се електрически контакти, а движението се създава чрез намотки в статора и подходящо управление.

Безколекторните електродвигатели,

наричани още безчеткови, биват различни типове – BLDC, PMSM, ACIM, SМ и SR. При постояннотоковите безчеткови (Brushless Direct Current – BLDC) управляващите намотки са в статора и са съответно 1, 2 или 3 двойки намотки (One-, Two-, Three-Phase BLDC). Наричат се още и електронно комутирани електродвигатели. Тук всяка намотка съдържа две последователно свързани и диаметрално разположени секции, като при подаване на напрежение нейното магнитно поле взаимодейства с това на ротора и го завърта.

При еднофазните след завъртане на 180° се сменя полярността на напрежението на намотката, за да може новото поле да продължи въртенето. При двуфазните електродвигатели след завъртане на ротора на 90° се налага включване на втората намотка, след още 90° – смяна на полярността на първата намотка и т.н., а при трифазните по аналогичен начин една след друга се свързват трите намотки, но след завъртане на 60°. Това действие налага следене на положението на ротора, което най-често се прави с вградени в електродвигателя сензори на Хол – по един до всяка секция.

За приложения, свързани с възможно силно замърсяване, се използват две разновидности. При първата в електродвигателя се вграждат само малки постоянни магнити, а сензорите на Хол са външни, докато втората е известна като безсензорно управление (Sensorless Control). То се прилага например в трифазни електродвигатели и се основава на факта, че във всеки един момент от времето една от намотките не е свързана към захранващото напрежение и индуцираното в нея напрежение (поради въртенето на ротора) може да се използва вместо сигнал от сензор (BEMF – Back Electromotive Force Control).

Действието на BLDC показва, че структурата на управлението им е подобна на колекторните електродвигатели, но на микроконтролера MCU допълнително се подава сигнал от Хол сензорите или BEMF и така се осигурява желаната последователност на захранване на намотките, поради което устройството му е по-сложно. Смяна на посоката на въртене се осъществява от същия блок чрез подаване в обратна последователност на напрежения с обратна полярност.

При използването на BLDC с управление, ограничаващо тока му до определена максимална стойност, трябва да се има предвид една важна особеност – при този максимален ток нарастването на въртящия момент на товара води до намаляване на скоростта на въртене, т. е. тя губи постоянната си стойност, зададена чрез ШИМ.
Основната разлика между BLDC и PMSM електродвигателите е, че първите се захранват с комутируемо постоянно напрежение, а вторите с променливо напрежение.

Променливотоковите синхронни двигатели с постоянни магнити (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM) имат редица предимства – по-малки загуби, по-висока възможна скорост и евентуално по-евтино изпълнение на намотките, както и по-нисък шум. BLDC от своя страна са с по-просто управление, по-малко загуби от превключване и са по-подходящи при ниски скорости на въртене.

Стъпковите електродвигатели

(Stepper Motor – SM) са много подобни на BLDC, но имат по-голям брой намотки, специална конструкция на ротора и по-различно управление, като преобразуват импулсния управляващ сигнал в прецизно ъглово отместване, наречено още дискретна стъпка. Обикновено пълния оборот на вала – 360°, е разделен на 200 стъпки, което означава 1,8° за всяка стъпка. При SM въртящият момент е по-малък при високи скорости, за разлика от BLDC.

Други интересни ЕДГ са тези с променливо съпротивление (Switched Reluctance – SR), както и тези със синхронно съпротивление (Synchronous Reluctance – SynRM). SR електродвигателите са предпочитано решение в автомобилостроенето, докато SynRM са подходящи за индустриални компресори, вентилатори и т.н. Управлението на SR/SynRM e усложнено и обикновено се реализира със сензори за обратна връзка, както и бързи и мощни контролери с възможост за цифрова обработка на сигналите (DSP).

Всички разгледани дотук електродвигатели се наричат още и синхронни машини, защото скоростта на въртене на създаденото от статора електромагнитно поле, още наричана синхронна скорост, е равна на скоростта на въртене на ротора/оста/вала. Синхронната скорост се дава чрез формулата:
Ns = 120fM/p [об/мин], където fM е честотата на променливото напрежение на статора в Hz и р е броят на неговите двойки полюси. Това означава още, че единственият начин за регулиране на скоростта е чрез честотата, което налага захранване на електродвигателите не непосредствено от електрическата мрежа, а чрез честотен инвертор.

Индуционните електродвигатели

(Alternate Current Induction Motors – ACIM) са асинхронни машини, защото скоростта на въртене на магнитното поле в статора e висока от скоростта на въртене на ротора (вала). Тук се появява приплъзване (slip) представляващо разликата Nslip=Ns-NB между скоростта на въртене на магнитното поле на статора и ротора. Управлението чрез постоянно приплъзване (Constant Slip Control) се използва за трифазни ЕДГ. Известно е, че при определена стойност на Nslip се получава максимум на коефициента на полезно действие (КПД), а при друга близка до нея стойност токът на статора и съответно енергийните загуби в инвертора са най-малки. Изборът на оптимална стойност на приплъзване Nslip,opt между тези две стойности е компромис за едновременно осигуряване на голям КПД и малки загуби, а същността на разглежданото управление е поддържане на тази оптимална стойност в процеса на работа.

Управлението се реализира с обратна връзка, като чрез сензор се измерва скоростта на въртене на ротора и пропорционалният й електрически сигнал се подава на блок за сравняване с желаната стойност на скоростта на въртене на електромагнитното поле на статора. Когато по някаква причина се измени натоварването на ротора, неговата скорост на въртене се променя и се получава ново приплъзване, различно от Nslip,opt. На изхода на блока се установява постоянно напрежение, пропорционално на разликата между новото приплъзване и Nslip,opt, което изменя амплитудата на ШИМ импулсите на намотките на статора и се възстановява оптималната стойност.

При висока скорост на въртене и голямо натоварване на ротора амплитудата на импулсите достига максималната си стойност. По-нататъшно увеличаване на една от тези величини не може да бъде компенсирано с по-голяма амплитуда на импулсите и приплъзването вече не може да се поддържа неизменно, а започва да намалява. ACIM са също безколекторни ЕДГ и работят с еднофазно променливо или постоянно напрежение. Скоростта на въртене е правопропорционална на захранващото напрежение, което позволява лесно регулиране чрез повишаване или понижаване на захранването, без усложнено управление.

При работа с променливо напрежение управлението се реализира като последователно на електродвигателя се свърже симетричен тиристор/симистор и се регулира ъгълът на неговото отпушване (Phase Angle Control). Така на ЕДГ се прилага само част от всяка полусинусоида на мрежовото напрежение и получената съответстваща ефективна стойност определя скоростта на въртене.

Основен недостатък на метода е създаването на значителни електромагнитни смущения поради силно нелинейната форма на напрежението на електродвигателя. Този метод може да се осъществи изцяло аналогово или с микроконтролер или ASIC.

Вторият метод е чрез използване на вече известното ни накъсване/ШИМ (Chopper Drive Control), при който захранващото напрежение (постоянно или променливо) се накъсва от ШИМ импулси с честота няколко десетки kHz. Така ефективната стойност на напрежението и съответно скоростта на въртене се оказват правопропорционални на коефициента на запълване на импулсите. За сметка на по-сложната схема на управление, създаваните електромагнитни смущения са значително по-малки. Този метод обикновенно изисква евтин микроконтролер или ASIC, а самата система за управление обикновено е с обратна връзка по скорост на въртене. Микроконтролерът измерва разликата между измерена и зададена скорост и осигурява плавно увеличаване или намаляване на оборотите. Това гарантира стабилната и защитена работа на ЕДГ при промени на захранващото напрежение.

В следващия брой на списанието ще се спрем на конкретни микроконтролери и развойни средства за управление на електродвигатели.