Основное различие между этими двумя типами двигателей заключается в конструкции обмоток статора. В идеале коммутация в бесщеточном двигателе постоянного тока осуществляется с помощью трапецеидальной формы сигнала, которую можно генерировать относительно легко. В отличие от него, двигатель с постоянными магнитами (как показано на рисунке 1) требует синусоидальной формы сигнала коммутации, генерация которой более сложна.
Несмотря на то, что для работы двигателя с постоянными магнитами требуется более сложная форма сигнала, его преимущества заключаются в меньшем уровне пульсаций крутящего момента и сниженном уровне шума. По этой причине он часто является предпочтительным типом двигателя в областях применения, требующих плавной и бесшумной работы, таких как высококачественная бытовая техника, электроинструменты и промышленная автоматизация.
Исторически сложилось так, что управление синусоидальным переключением осуществлялось с помощью алгоритмов, реализованных во встроенном программном обеспечении микроконтроллера (MCU), которые требуют значительной оптимизации и настройки для работы с выбранным двигателем и соответствия требованиям приложения. Кроме того, производительность MCU должна быть достаточной для выполнения алгоритма управления на требуемой максимальной скорости при одновременной обработке данных на уровне приложения.
Определение положения и плавный пуск:
В отличие от коллекторного двигателя, где простое включение питания гарантирует подачу энергии на нужные обмотки для успешного запуска двигателя, независимо от того, где ротор остановился в последний раз, для запуска и работы бесколлекторного двигателя постоянного тока необходимо знать текущее положение ротора. Это необходимо для подачи энергии на соответствующие обмотки и начала вращения ротора в правильном направлении. В бесколлекторных двигателях обычно используются датчики для определения этого положения. В качестве альтернативы, бессенсорная конфигурация позволяет избежать затрат и потенциальных проблем с надежностью, связанных с датчиками (такими как датчики Холла).
В этом случае необходимы методы для перемещения неподвижного ротора в известное начальное положение перед подачей энергии на обмотки. Без надлежащих мер предосторожности ротор и все, что к нему прикреплено, могут откатиться назад в неправильном направлении.
При подаче энергии на обмотки необходимо предотвращать чрезмерный шум и вибрацию от ШИМ-переключения в то время, когда отсутствует полезная обратная ЭДС для определения угла поворота ротора. По сути, алгоритм управления двигателем управляет им вслепую. Как только будет достигнута достаточная противо-ЭДС, контроллер двигателя может переключиться на выбранный метод управления.
Тонкая настройка привода:
возможность запуска двигателя и выбора скорости, независимо от способа её выполнения, является лишь частью функций, необходимых для его корректной работы. Разработчик привода должен обладать гибкостью для интеграции контроллера с MOSFET-транзисторами соответствующего напряжения и мощности для конкретного применения. Он также должен иметь возможность оптимизировать параметры (такие как ускорение, угол опережения и частота ШИМ), чтобы обеспечить адекватную реакцию системы на действия пользователя и максимальную энергоэффективность при любых условиях эксплуатации.
Управление без микроконтроллера:
Синусоидальный предварительный драйвер Toshiba TC78B011FTG устраняет необходимость в микроконтроллере. Этот параметризуемый чип для бессенсорного управления бесщеточными трехфазными двигателями представляет собой импульсно-широтно-модулированный (ШИМ) прерыватель, который может быть подключен к внешним верхним и нижним N-канальным MOSFET-транзисторам, что позволяет масштабировать инверторную схему для различных типов двигателей.
Хотя устройство обеспечивает управление скоростью в разомкнутом контуре, более распространенным требованием является управление в замкнутом контуре, которое поддерживает заданную скорость независимо от изменений напряжения питания или нагрузки, с регулируемой кривой скорости. Этого можно достичь путем настройки точного режима работы через интерфейс I2C с возможностью сохранения настроек в энергонезависимой памяти (NVM). Это позволяет программировать соответствующие настройки во время производства для схем, не использующих микроконтроллер или процессор.
Кроме того, скорость вращения двигателя можно регулировать, записывая данные в регистр через интерфейс I2C микросхемы, а также определять с помощью ШИМ-входа или аналогового сигнала. Торможение и рулевое управление также управляются с помощью настроек регистра или внешних выводов. Ток двигателя и скорость вращения можно считывать с внешних выводов во время работы двигателя.
Более точное позиционирование:
После включения питания TC78B011FTG извлекает конфигурацию устройства, хранящуюся в его энергонезависимой памяти (см. рис. 2). На этом этапе можно применить последовательность торможения, замкнув соответствующие обмотки на инверторе двигателя, чтобы гарантировать остановку ротора перед попыткой начала вращения. После завершения последовательности инициализации, примерно через 3,5 мс, драйвер переходит в спящий режим со всеми выключенными MOSFET-транзисторами и ожидает дальнейших инструкций от хост-системы.
Рисунок 2: Схема работы, показывающая инициализацию конфигурации энергонезависимой памяти и запуск механизма принудительной коммутации
Требуемая скорость может быть задана через интерфейс I2C в регистре управления скоростью (SPD) или подана в виде ШИМ-сигнала или аналогового сигнала на вывод SPD. При получении любого из этих сигналов запускается последовательность запуска двигателя. Процесс начинается с возбуждения обмоток двигателя постоянным током, что перемещает ротор в пусковое положение. После этого начинается принудительная коммутация двигателя. На этом этапе прикладывается внезапное электрическое поле с коммутацией на 120° для генерации начальной противо-ЭДС. Также предусмотрена настраиваемая функция плавного пуска (как показано на рисунке 3), которая ограничивает ток, потребляемый при вращении двигателя. Все управление скоростью на этом этапе осуществляется в разомкнутом контуре.
Рисунок 3: Ограничение выходного тока во время запуска
Система переключается в бессенсорное управление, устанавливая ограничение тока для нормальной работы, как только двигатель начинает вращаться достаточно быстро, чтобы генерировать полезную противоЭДС для алгоритма управления. Затем может быть активировано замкнутое управление скоростью.
Ротор может уже вращаться до подачи питания, например, из-за обтекания лопастей вентилятора воздухом. В этом случае, известном как холостой ход или вращение «вращением на ветру», контроллер двигателя пропускает начальные этапы возбуждения и принудительной коммутации и переходит непосредственно к бессенсорному режиму работы. В типичном применении возможность измерения противоЭДС может быть чрезмерно чувствительной в таких ситуациях, что приводит к ошибочной попытке возбудителя пропустить ранние этапы запуска в разомкнутом контуре. Микросхема TC78B011FTG предотвращает это, предоставляя регистр, позволяющий разработчику изменять минимальную скорость вращения ротора, считающуюся достаточно высокой для обхода процесса запуска. В качестве альтернативы, чтобы избежать проблем, связанных с запуском двигателя с холостого хода, контроллер может быть настроен на применение последовательности торможения каждый раз при выходе из режима ожидания или зажигания, что позволяет ротору всегда запускаться из остановленного состояния.
Расширенные возможности настройки:
Для обеспечения гибкого управления скоростью в режиме замкнутого контура микросхема TC78B011FTG предоставляет регистры для установки времени между каждым изменением скорости и определения скорости изменения скорости. Поддерживаемые параметры скорости настраиваются путем индивидуального управления пусковым, стоповым и максимальным коэффициентами заполнения. Также можно установить частоту вращения, соответствующую пусковому и максимальному значениям (как показано на рисунке 4), и можно определить до двух диапазонов изменения скорости между пусковым и максимальным значениями.
Рисунок 4. Минимальная и максимальная скорость. Можно установить минимальную и максимальную скорость. Доступны два разных градиента скорости
Частота, используемая для ШИМ-выхода, может быть фиксированной или настроена на автоматическое увеличение для оптимальной эффективности по мере увеличения скорости вращения двигателя. Доступный диапазон частот составляет от 23,4 кГц до 187,5 кГц. Регулировка частоты ШИМ также помогает разработчикам обеспечить соответствие требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС), актуальным для данного применения.
Также имеется регистр для регулировки угла опережения в зависимости от характеристик двигателя, что помогает оптимизировать энергоэффективность и минимизировать слышимый шум. Для максимально тихой работы угол опережения можно регулировать таким образом, чтобы противоЭДС и ток двигателя находились в фазе.
Интегральная схема содержит три полумостовых предварительных драйвера для внешних N-канальных MOSFET-транзисторов. Они могут обеспечивать напряжение затвор-исток (VGSS) до 8 В выше напряжения питания двигателя и могут быть настроены на подачу тока затвор-исток (IGSS) от 10 мА до 100 мА для MOSFET-транзисторов верхнего и нижнего плеча.
Максимальная рабочая частота переключения может быть ограничена выбором MOSFET и двигателя. Поскольку противоЭДС измеряется для определения положения во время ШИМ-отключения, выбор двигателя с высокой индуктивностью или MOSFET с низкими характеристиками переключения может привести к сбою определения положения. Чтобы избежать этого, оптимальную частоту ШИМ можно определить, протестировав соответствующие настройки во всех рабочих условиях.
Микросхема также включает в себя функции безопасности, такие как предотвращение срабатывания с настраиваемым временем задержки. Регистр состояния указывает на ненормальные состояния, такие как чрезмерное потребление тока, низкое напряжение зарядного насоса, тепловое отключение и сбой запуска. При возникновении любой из этих ситуаций активируется сигнал тревоги (вывод). Этот вывод также используется для индикации пониженного напряжения и работы двигателя вне заданных максимальных и минимальных скоростей. Контроллер может быть запрограммирован на ожидание сигнала от внешнего источника после обнаружения ненормального состояния или на попытку перезапуска двигателя в режиме самовосстановления.
В заключение
, разработчики могут воспользоваться преимуществами бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC), и в частности, плавными и бесшумными двигателями с постоянными магнитами (PMSM), без необходимости разработки микроконтроллера. Они могут использовать программируемые контроллеры, обеспечивающие автономную работу с замкнутым контуром управления и параметризуемой регулировкой скорости. Плата MikroE с микросхемой Toshiba TC78B011 и выбранными MOSFET-транзисторами уже доступна для оценки. Это еще больше упростит процесс разработки системы двигателя.
Автор: дипломированный инженер Анно Шмитц, главный инженер компании Toshiba Electronics Europe GmbH
