A BLDC motorok érzékelők nélküli mezőorientált szabályozásának alapjai az Infineon segítségével

Az elektromotorok életünk minden területén jelen vannak: az otthonainkban, a munkahelyeinken és a járműveinkben. Egy tipikus modern autóban például átlagosan körülbelül 35 motor van. Hagyományos (DC) és kefe nélküli (BLDC) egyenáramú motorokkal egyaránt találkozhatunk, az üzemanyag-szivattyúktól kezdve az ablakemelő motorokig (1. ábra).

1. ábra: Hagyományos (DC) és kefe nélküli (BLDC) egyenáramú motorok tipikus alkalmazásai. (Kép: Infineon)

Az elektromos és hibrid elektromos járművek számának növekedésével az egy járműre jutó motorok száma is növekvő tendenciát mutat. Az autóipar mellett a DC és BLDC motorokat számos ipari automatizálási, vezérlési és robotikai alkalmazásban is széleskörűen használják.

A kefés motorokkal szembeni teljesítménybeli előnyeik miatt BLDC motorokkal általában az igényesebb alkalmazásokban találkozhatunk. A BLDC motorok nagyobb hatásfokot, hosszabb élettartamot és nagyobb nyomaték/tömeg arányt biztosítanak a DC motorokhoz képest. Hátrányukat magasabb költségük és a kiegészítő vezérlőáramkör szükségessége jelenti.

Személyes megjegyzésként hadd tegyem hozzá, hogy nemrég alakítottam át akkumulátoros fúró-ütvecsavarozó gépemet kefésről kefe nélküli egyenáramú motoros technológiára. Kiemelkedő javulást tapasztaltam a nyomaték, illetve az akku élettartama tekintetében, és ez nagyon megérte a többletköltséget.

BLDC motorok

A BLDC motorok a hagyományos standard DC motorok egyik változata. Az alapvető különbség közöttük az, hogy a BLDC motoroknál a kommutáció elektronikus úton történik, nem pedig mechanikusan, kefék által. A BLDC motor forgórésze állandó mágnesekből áll, az állórész pedig megfelelő számú tekercselt pólust tartalmaz. A forgó mágneses tér létrehozásához egy vezérlőáramkör végzi a tekercsek gerjesztését. A mozgás és a nyomaték úgy keletkezik, hogy a forgórész mágnesei megpróbálnak hozzáigazodni az állórész forgó mezőjéhez.

Érzékelő nélküli mezőorientált szabályozás (Sensorless Field Oriented Control, FOC)

Az érzékelő nélküli mezőorientált szabályozás (FOC) a BLDC motorok fordulatszámának és nyomatékának szabályozására használt módszerek egyike. A mezőorientált szabályozás (más néven vektorszabályozás) egy olyan módszer, amelyet frekvenciában és amplitúdóban szabályozható háromfázisú szinuszos moduláció előállítására használnak. Számítások segítségével a háromfázisú jeleket a motorvezérlő áramkörben könnyebben megvalósítható és szabályozható kétfázisú jelekké alakítják. Az érzékelők nélküli szabályozás feleslegessé teszi a helyzetérzékelőket, ehelyett az ellenelektromotoros erő (EMF) mérése történik a rotor helyzetének meghatározásához.

Érzékelő nélküli FOC megvalósítása mikrovezérlővel

Érzékelő nélküli FOC-hez jelek mérésére és matematikai számítások végrehajtására van szükség. Erre a feladatra egy szükséges teljesítménnyel és perifériakészlettel rendelkező mikrovezérlő jól használható. Az Infineon TLE9879QXA40 jelű alkatrésze egy egychipes 3 fázisú motorvezérlő SoC, amely egy Arm® Cortex®-M3 magra épül (2. ábra).

2. ábra: A TLE9879x alkalmazási blokkvázlata. (Kép: Infineon)

A tok hat teljesen integrált NFET meghajtót tartalmaz, amelyek egy háromfázisú motor hat külső NFET-en keresztül történő meghajtására vannak optimalizálva, továbbá egy töltőszivattyú áramkört (charge pump), amely lehetővé teszi az alacsony feszültségű működést és az áram programozhatóságát, valamint az áram meredekségének szabályozását az optimális EMC-viselkedés érdekében. A perifériakészlet tartalmaz egy áramérzékelőt, egy iterációs ADC-t, amely szinkronban van a PWM vezérléshez használt érzékelő és összehasonlító egységgel, valamint egy 16 bites időzítőt. Az eszközzel való kommunikációt lehetővé tevő beépített LIN adó-vevővel is rendelkezik, valamint számos általános célú I/O-val. A külső terhelések ellátására beépített lineáris feszültségszabályozót is tartalmaz.

Az Infineon TLE9879QXA40 jelű alkatrésze jó megoldás a BLDC motorok terepi szabályozásának megvalósítására. Rendelkezik a nagy teljesítményű BLDC motorvezérlők minimális helyen történő kialakításához szükséges teljesítménnyel és funkciókkal. A „Sensorless Field Oriented Control with Embedded Power SoC” (Érzékelő nélküli mezőorientált vezérlés beágyazott teljesítmény SoC-vel) részletes használati ismertető aprólékosan tárgyalja az FOC elméletét és az algoritmus megvalósításának módját.

Első lépések

Az Infineon BLDC_SHIELD_TLE9879 típusú olcsó fejlesztőkártyája könnyű és jó megoldás az érzékelő nélküli FOC-vel való ismerkedésre. A TLE9879QXA40 jelű eszközön alapul és BLDC motoroknak Arduino kompatibilis alaplappal együttműködve történő meghajtására tervezték. Arduino Uno-val és kompatibilis BLDC motorral kombinálva kevesebb, mint egy óra alatt eljuthatunk addig, hogy forogni kezd a motor (3. ábra).

3. ábra: Arduino Uno alaplapra szerelt BLDC_SHIELD_TLE9879 fejlesztőkártya. (Kép: Infineon)

A kapcsolási rajzok, az Arduino könyvtár és a BLDC_SHIELD_TLE9879 komplett dokumentációja megtalálható a https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield címen. Ez a bejegyzés megírásához szükséges kutatás közben időt szántam rá, hogy az Uno-val és a shield-del dolgozva megismerkedjek egy BLDC motor meghajtásával. A konfigurációs lépések, a tesztprogram és a referenciadokumentumok elérhetők a Driving a BLDC Motor with Infineon’s TLE9879Qx 3-Phase Motor Driver Shield (BLDC motor meghajtása az Infineon TLE9879Qx 3-Phase Motor Driver Shield segítségével) című projektemben a DigiKey TechForum felületén.

Alkalmazásfejlesztés

Azok számára, akik mélyebben érdeklődnek a TLE9879Qx-en alapuló tervezés és fejlesztés iránt, az Infineon további eszközöket biztosít. Kiindulási pontként a BLDC shield-be betöltött firmware forráskódja elérhető Keil uVision projektfájlok formájában. Az Infineon a projektfájlokat a „BLDC Shield for Arduino with TLE9879QXA40” letölthető szoftver formájában bocsátja rendelkezésre a BLDC_SHIELD_TLE9879 hivatkozás alatt a shield projektoldalán. Ezen túlmenően a BLDC shield mellett a REF_WATERPUMP100W szivattyú referenciaterv és a REF_ENGCOOLFAN1KW ventilátor referenciaterv is elérhető a DigiKey kínálatában.

Összegzés

Az Infineon BLDC_SHIELD_TLE9879 fejlesztői kártyája gyors és olcsó lehetőséget biztosít arra, hogy megismerkedjünk az érzékelő nélküli FOC-vel BLDC motorok meghajtására. A kártya a TLE9879QXA40 kiértékelése és a rendelkezésre bocsátott forráskóddal való munka iránt érdeklődő haladó felhasználók számára is egy hasznos eszközt jelent.

Külső hivatkozások

1 – Infineon. „Motor Handbook” (Motor kézikönyv)

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-motorcontrol_handbook-AdditionalTechnicalInformation-v01_00-EN.pdf