Нови интегрални драйвери за постояннотокови електродвигатели

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2015

Cъвременната елементна база за реализиране на управления на електродвигатели (ЕДГ) редовно намира място на страниците на Инженеринг ревю – списанието на българската индустрия. Така например в броеве 8/2008 г. и 1/2012 г. са публикувани обзорни материали за драйверите за постояннотокови ЕДГ, а в бр. 6/2013 г. – за драйвери за променливотокови ЕДГ.

Идея за управлението на електродвигатели от първия тип е дадена на фиг. 1 - необходимите цифрови сигнали за управление на мотора М постъпват отвън (най-често от микроконтролер) на входа на цифровия блок Logic, който формира необходимите импулси за предварителния драйвер (Predriver) Predr. От своя страна, той изработва желаните импулси за работа на мощните транзистори Tr и те осигуряват електрическата мощност на М.

При ползването на каталожна информация трябва да се има предвид, че сред производителите не е приета точна граница между трите блока, нито еднаквост в наименованията им – обикновено съвкупността на Predr и Tr се нарича драйвер (Driver) Dr, което е използвано и в настоящата статия.

Има случаи, когато наименованието в каталога на дадена интегрална схема (ИС) е контролер, а в описанието му тя се нарича драйвер. Трябва да се прибави, че нерядко според каталога една ИС е предназначена за определен вид ЕДГ, а от описанието му се изяснява, че тя може да има и други приложения – дадената в ред 9 на табл. 1 според обзорната фирмена информация е за колекторни ЕДГ, а от текста в нейното подробно техническо описание се вижда, че тя може да захранва също стъпкови ЕДГ, соленоиди и други товари, т. е. реално е универсален драйвер.

Съчетанието Predr+Tr в една интегрална схема има някои недостатъци, например значително нагряване на Predr от Tr и възможно нежелано въздействие на Tr върху него. За намаляването им често двата блока са върху отделни чипове на ИС. При избор на Dr за дадено управление е важно да се имат предвид даваните в каталозите параметри (те не са включени в таблиците в статията) на входните им импулси.

Тежките експлоатационни условия на някои драйвери налагат наличието на разновидности с повишена устойчивост към влага, което се отразява чрез параметъра Moisture Sensitivity Level.

В настоящия обзор са включени ИС на драйвери, представени на пазара след 01.01.2012 г., като е обърнато внимание и на тези за стъпкови ЕДГ, чиито приложения нарастват.

Универсални драйвери
Тяхното наименование (DC Motor Driver) обикновено означава възможността за използването им за захранване на повече от един тип ЕДГ, както и на други видове товари, например помпи, електромагнити на изпълнителни механизми (Actuator), различни задвижвания в автомобилни и индустриални системи (Industrial Motion).

Оборотите на постояннотоковите ЕДГ са правопропорционални на постоянния им ток Io, поради което за регулирането им масово се използва ток с формата на правоъгълни импулси с класическа широчинноимпулсна модулация (ШИМ, PWM) – обикновено фиксирана честота fPWM и регулиране на Io чрез продължителността на положителните импулси.

Блокът Tr на фиг. 1 е с разновидности на мощните MOS транзистори с индуциран канал, работещи като ключове и имащи четен брой. Двете основни схеми са дадени на фиг. 2 а, б, а TN и ТР са съответно NMOS и РMOS транзистори с еднакви параметри.

Техният режим на работа определя напрежение на който и да е от изходите на Tr спрямо маса практически равно на захранващото напрежение +VS на блока и цялата ИС (често то се означава и с VСС). Схемата на фиг. 2а е полумост (Half-Bridge, 1/2-H-Bridge), като са възможни две свързвания на ЕДГ – между изхода OUT и маса (замасен товар) и между +VS и OUT (незамасен товар).

Така например даденият в ред 2 на табл. 1 блок Tr е с един вход, при лог. 0 на който е отпушен TN, а при лог.1 – ТР и регулирането на изходния ток Io става чрез ШИМ импулси на него. Свързаният между +VS и OUT транзистор ТР е известен като High-Side Switch, а долният TN е Low-Side Switch. Във всеки момент от времето единият от тях е отпушен и другият е запушен, а съпротивлението на канала в отпушено състояние RDSON е сред съществените параметри на Tr.

Трябва да се прибави, че обикновено Io е максималният постоянен изходен ток. Мостът (H-Bridge) на фиг. 2б по принцип може да осигурява 4 режима на работа на ЕДГ в зависимост от това кои негови транзистори са отпушени. В режим “въртене в права посока” (Forward), т. е. по часовниковата стрелка (означение CW от Clockwise), това са ТР1 и TN2 и токът протича от OUT1 към OUT2.

Когато се отпушат ТР2 и TN1, токът сменя посоката си – това е режим “обратно въртене” (Reverse), т. е. обратно на часовниковата стрелка (CCW). Режимът “спиране” (Brake) се осъществява, като ЕДГ се даде накъсо чрез отпушване на TN1 и TN2. И накрая режимът “изключен ЕДГ” (Free, Coast) означава през него да не протича ток и се реализира чрез запушване на 4-те транзистора.

Драйверът на ред 7 в табл. 1 има добавено Q1 в означението си поради основното му предназначение за автомобили и съответствие със стандарта AEC-Q100, а сравнително малките стойности на +VS и Io са поради възможността за използване в апаратури с батерийно захранване. Той може да се използва и в маломощни помпи, изпълнителни механизми и други подобни.

Мостът на фиг. 2б и неговите разновидности, споменати в следващия раздел, е най-често използваната схема на Tr, а основната структура на неговия Predr е дадена на фиг. 2в. На входа AIN (не е задължителен) постъпва постоянно напрежение за регулиране на оборотите на ЕДГ чрез превръщането му от Mod в ШИМ импулси.

Входът DIN е за управление по цифров път, като обикновено на него постъпват импулси с fPWM за регулиране на оборотите, а друг вход е за смяна на посоката на въртене. Чрез блока Logic се формират необходимите импулси за работа на Tr, а блокът Prot съдържа защити на ЕДГ, които го предпазват от неправилен работен режим и повреда.

Двойните полумостове (Dual Half-Bridge) имат свързване на транзисторите както на мостовете, но всеки е с отделен вход за управляване с ШИМ импулси – това осигурява независимо управление на два товара, всеки от които може да е замасен или незамасен. Чрез подходящо управление може да се реализира и мостът на фиг. 2б.

Полезно е да се прибави, че максималният им Io се отнася за всеки от полумостовете, което е в сила и за ИС с повече полумостове. Двойните мостове по подобен начин съдържат два еднакви моста с отделни товари за управление, но обща fPWM. Специфична особеност на дадения в ред 8 е допълнителният режим на осигуряване на неизменен ток през товарите със стойност, задавана от постоянно напрежение на специален вход. По този начин може да се намали разсейваната мощност от Tr и, съответно, нагряването му.

Усложняването на функциите на все повече съвременни машини често изисква едновременно да работят няколко техни EДГ и/или други механизми, което предизвика появата на ИС с по-голям брой полумостове. Засега обикновено те са четворни (Quad Half-Bridge) или шесторни (Hex Half-Bridge), но има и осморни полумостове. Примери за приложенията им освен в роботиката са в текстилното машиностроене, процесната автоматизация и др.

Производителят на четворния полумост в ред 9 посочва възможностите му за захранване на 4 соленоида, на два постояннотокови ЕДГ или един стъпков. За осигуряване на работата на блоковете на ИС в нея е вграден постояннотоков стабилизатор 3,3 V/10 mA. Една от възможностите на шесторния полумост в ред 5 е управляването на три ЕДГ по мостова схема, а за намаляване на броя на изводите му управлението се извършва чрез интерфейса SPI, към чиито три извода са прибавени два за разрешаване на работата.

Със същия интерфейс се управлява и шесторният полумост от ред 4, но той има допълнителната възможност за самостоятелно използване на транзисторите TN и ТР за управляване на товари.

В табл. 1 параметърът UVLO (от Under Voltage Lockout) е стойността на +VS, при която драйверът се изключва, тъй като не може да се гарантира нормалната му работа. При ток Iop (Over Current Protection Trip Level) се задейства максималнотоковата защита и драйверът също се изключва.

Времената tON и tOFF са съответно за установяване на напрежение на изхода след подаване на управляващ импулс и за нулиране на напрежението. Практически всички драйвери са с вградена температурна защита, която при достигане на определена температура на чипа (Thermal Shutdown Temperature) TSHDN изключва напрежението.

Съществуват драйвери с вградена защита от свръхнапрежение (Over Voltage Shutdown), например даденият в ред 3, която ги изключва при +VS над определена стойност. Необходимите сигнали за работа на защитите се формират в блока Prot на фиг. 2в.

Практически задължително драйверите съдържат и защита от електростатични разряди (ESD), най-често за напрежение 2 kV или 4 kV. При ползването на каталожните данни за консумирания от драйвера ток (Is) трябва да се внимава, тъй като често отделно се дават неговите стойности за блоковете Predr и Logic на фиг. 1, като този на втория може дори да е по-голям.

Накрая трябва да се отбележи, че всички ИС в табл. 1 съдържат Predr и Tr от фиг. 1.

Драйвери за колекторни ЕДГ
Независимо че колекторните ЕДГ (Brushed DC Motor) са исторически най-старите, те продължават да имат много приложения не само заради лесното управление, но и поради своята простота и ниска цена. Две са основните им категории – със статор от една последователно или паралелно свързана на ротора намотка или смесено свързване на двете (Wound-field Brushed DC Motor) и със статор от постоянен магнит – Permanent Magnet (PM) DC Motor.

Практически захранването им се извършва само чрез мостова схема, като за драйверите в редове 4-6 на табл. 2 тя е показаната на фиг. 2б и ИС съдържа Predr и Tr. Същите два блока са и в ИС на редове 1, 2 и 7, но мостът е само от NMOS транзистори за намаляване на разсейваната мощност, докато този от ред 3 ползва за Tr биполярни транзистори и също може да управлява стъпкови ЕДГ. Драйверът от ред 2 е ИС на Dr и има външни N-канални MOS транзистори за блока Tr.

Една от особеностите на драйверите за колекторни ЕДГ спрямо универсалните е ползването в някои случаи на ШИМ, различна от класическата – например този в ред 1 има ШИМ с фиксирано време на отрицателните импулси (Fixed-Off Time PWM).

За малогабаритни устройства е предназначена ИС в ред 2, която поради специфики в схемното си решение има минимален брой външни елементи (резистор и кондензатор в типичната схема на свързване). За индустриални приложения, битови апаратури и компютърна периферия е ИС в ред 4.

Подобни са приложенията и на тази в ред 5, но тя е за по-голям Io. За независимо управление на два ЕДГ е предвидена ИС в ред 6, като при едновременно използване на двата й моста за един товар максималният му ток е 3 А. Драйверът в ред 7 се препоръчва основно за сервозадвижвания и оптични устройства. Извън таблицата е предварителният драйвер АТА6823 на Atmel с VS=7,4-21,3 V, предвиден за работа с Tr с NMOS транзистори. Неговото основно приложение е в автомобилостроенето, поради което е с вграден блок за интерфейса LIN.

Драйвери за безколекторни ЕДГ
Роторът на тези ЕДГ (BLDC Motor) е от постоянни магнити с равномерно разположени по окръжност полюси, а статорът са захранваните от драйверите намотки. Новите ИС на драйвери са почти изцяло трифазни (3-Phase BLDC Motor Driver) и съответно предназначени за ЕДГ с 3 намотки. Основната схема на свързване на техния Tr е на фиг. 3, чиито трите еднакви блока HBU, HBV и HBW са полумостове от типа на фиг. 2а или само с NMOS транзистори.

ИС на драйвери. За разлика от универсалните драйвери тук относителният дял на тези с блокове Predr и Tr на фиг. 1 е по-малък, каквито са дадените в редове 2-6 на табл. 3. Незначителен е броят на новите драйвери за ЕДГ с една намотка (Single-Coil BLDC Motor), пример за какъвто е този в ред 1 (Tr е мостова схема, а оборотите са правопропорционални на VS), докато нови такива за ЕДГ с две намотки практически няма.

Сравнително малките мощности на ЕДГ с една намотка определят приложението им за миниатюрни вентилатори и измервателни прибори. Драйверът от ред 3 е предназначен основно за компютърна периферия и битова електроника и има вградена допълнителна защита за изключване на ЕДГ при +VS над определена стойност. За охлаждане на процесори е предназначен драйверът от ред 5.

ИС на предварителни драйвери. За масово използваните случаи (редове 1-4 на табл. 4) те са предназначени за работа с Tr, реализирани с NMOS транзистори и сред основните им параметри е напрежението на отпушване (Gate Drive Output) VGS. Изходният им ток Io (Gate Drive Current) се означава и с IGate, а мъртвото време (Dead Time) tdead е между запушването на транзисторите в който и да е от полумостовете и отпушване на тези в следващия (така се избягва опасността от едновременно включване на две намотки).

Сравнително по-рядко Predr е за Tr с биполярни транзистори или комбинация на биполярни и MOS, какъвто е даденият в ред 5. Особеност на Predr в ред 1 е възможността за откриване на блокирал ротор и изключване на +VS след време tlock[s] = 20 C(uF), където С е външно свързан кондензатор.

Дадената ИС в ред 2 има вграден приемо-предавател за работа с интерфейсите LIN2.1 и SAEJ2602, докато тази в ред 3 е с основно предназначение за автомобили и може да се управлява от микроконтролери със захранващо напрежение +3,3 V и +5 V. Приложенията й в автомобилостроенето включват хидравлични, водни и горивни помпи, вентилатори и климатични системи в купето.

Има и индустриални приложения за помпи, вентилатори, компресори и сушилни. За подобен спектър автомобилни и битови приложения е ИС от ред 4, съдържаща два вградени постояннотокови стабилизатора 5 V/20 mA и 12 V/20 mA.

Драйвери за стъпкови ЕДГ
Свойството на тези ЕДГ роторът им да изпълнява определен брой дискретни стъпки вместо да се върти плавно определя все повече техни приложения, което е и причина за нарастващия брой драйвери (Stepper Motor Driver, Stepping Motor Driver) за управлението им. С най-голямо приложение са двуфазните стъпкови ЕДГ, идея за електрическата схема на чийто колектор е дадена на фиг. 4а.

Независимо от конструкцията на двете намотки (наречени фази, Phase), всяка от тях обикновено се захранва от мост в Tr на драйвера, практически винаги реализиран с MOS транзистори. В най-разпространените двуполярни стъпкови ЕДГ (Bipolar Stepper Motor) токът може да протича и в двете посоки. Роторът на широко разпространените двуполярни хибридни стъпкови ЕДГ (Bipolar Hybrid Stepper Motor) е разделен на две половини, едната със северен (N), а другата с южен (S) полюс и всяка от тях има N на брой зъба.

Два са основните видове управление на тези ЕДГ, което се определя от посоката и големината на тока през намотките. При класическото управление (Full Stepping) от драйвера се осигурява ток Io=const и само се сменят посоките му, т.е. възможни са 4 техни комбинации. Те са дадени на фиг. 4б – комбинация 1 е положителен ток на намотка В и отрицателен ток на намотка А, комбинация 2 е отрицателен ток на двете и т. н.

При последователното подаване на всяка от тях роторът се завърта на една стъпка, съответстваща на 360/(PN) градуса, където Р е броят на намотките – за статор с 2 намотки и N=50 ъгълът е 3,6° и стъпките са 100. Намаляването му за по-прецизно установяване на положението на ротора практически не се прави чрез увеличаване на N, а чрез микростъпково управление (Microstepping) от драйвера.

При него се изменя и големината на тока през намотките, като в Half Stepping (или 1/2 step) всеки от токовете има две стойности, което се вижда от фиг. 4в, а броят на стъпките се удвоява – при N=50 те са 200 през 1,8°. Съществуват и 1/4 Microstepping (Quarter Stepping) с 4 стойности на тока и при същия N има 400 стъпки през 0,9°. Сравнително по-рядко се използват стъпкови ЕДГ с 800 стъпки (1/8 Microstepping) през 0,45°.

По принцип възможността даден драйвер да осигурява микростъпково управление се отбелязва в неговата техническа документация. Полезно е да се добави, че въртящият момент на ротора е правопропорционален на средната стойност на тока през намотките, т. е. на коефициента на запълване на неговите импулси и съответно може да се променя чрез ШИМ.

Сред предимствата на стъпковите ЕДГ са прецизното фиксиране на положението на ротора на всяка стъпка (относителната грешка е няколко %), бързо задействане, спиране и възможност за смяна на посоката на въртене, просто и лесно управление (няма изрична нужда от обратна връзка за осигуряване на точността на установяване), изменение на оборотите в широки граници чрез промяна на честотата на подаваните на намотките импулси.

Стъпковите ЕДГ се използват навсякъде, където е необходимо прецизно и бързо установяване на желано положение на ротора. Типични примери за приложенията им са компютърна периферия, автомобили, системи за видеонаблюдение, медицински апаратури, прецизни задвижвания (например в роботи) и др. Трябва да се подчертае, че значителна част от производителите препоръчват даден драйвер за част от тези приложения, което е отбелязано в каталожната информация.

В табл. 5 са дадени примери на драйвери за двуфазни двуполярни стъпкови ЕДГ, като тези в редове 1-3, 5, 6, 8 и 10 съдържат двоен мост и съответно са предназначени за един ЕДГ, а четворните (редове 4, 7 и 9), които се наричат и 2 Channel H-bridge, осигуряват независимо управление на два ЕДГ. Управлението на всеки от тях се осъществява чрез импулси на отделни входове или на общ вход, а за осигуряване на пълна независимост мостовете често имат отделни маси.

Даден е и видът на транзисторите в мостовете, като TP+TN означава реализация по схемата на фиг. 2б. Захранващото напрежение VC (Control Power Supply Voltage) е за блока Logic на фиг. 1 и обикновено е в значително по-тесни граници от +VS. То не се дава като параметър, когато е равно на +VS. Времената tON и tOFF са от момента на подаване на управляващ импулс до установяване или отпадане на съответстващото му напрежение на изхода.

И за двата вида драйвери трябва да се отбележи, че токът Io е за всеки от мостовете. Освен това трябва да се има предвид, че понякога в техническата документация стойността на тока IS също се дава поотделно за мостовете. По принцип мостовете могат да управляват и други товари – например даденият в ред 7 на табл. 5 може да се използва още за един стъпков и два постояннотокови ЕДГ или за 4 постояннотокови.



ЕКСКЛУЗИВНО

Top