Кроме того, ограничения в точности делают это решение непригодным для двигателей с большим количеством пар полюсов. Чувствительность к вихревым полям также делает его непригодным для работы в непосредственной близости от двигателя.

Технология индуктивного позиционирования Renesas позволяет заказчикам проектировать датчик с учетом особенностей двигателя, обеспечивая соответствие количества секторов парам полюсов двигателя для максимальной точности. Это позволяет осуществлять как внеосевое (сквозное и боковое) позиционирование, так и позиционирование по оси. Кроме того, это экономичное и компактное решение, обеспечивающее при этом большую устойчивость к суровым условиям эксплуатации по сравнению с существующими энкодерами.

В данной статье представлена ​​среда оценки бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC), использующая интегральные схемы индуктивных датчиков положения на основе технологии индуктивного определения положения от Renesas. Используется оценочный комплект MCK-RA6T2 (рис. 1), который легко доступен в интернете и позволяет немедленно оценить преимущества решения. Помимо описания среды оценки, в статье также будут описаны характеристики микроконтроллера и индуктивного датчика положения, реализованных в каждом оценочном комплекте, а также преимущества использования индуктивного датчика положения.

Представляем комплект управления двигателем MCK-RA6T2

MCK-RA6T2 — это комплект для разработки систем управления двигателями, позволяющий легко оценивать возможности управления бесколлекторными двигателями постоянного тока (BLDC). В комплект входит микроконтроллер RA6T2, входящий в семейство микроконтроллеров RA, специализирующихся на приложениях управления двигателями. С помощью этого комплекта и примеров кода, доступных для загрузки с веб-сайта Renesas, пользователи могут немедленно приступить к оценке возможностей управления двигателями с использованием RA6T2.

Введение в комплект индуктивного датчика положения IPS2200:
Комплект индуктивного датчика положения (IPS2200STKIT) — это компактный и интуитивно понятный оценочный комплект, позволяющий быстро и легко оценить работу IPS2200, промышленного индуктивного датчика положения от Renesas для высокоскоростного управления двигателями. Этот оценочный комплект состоит в основном из коммуникационной платы и модуля приложений. Модуль приложений IPS2200 предназначен для прямого подключения к электродвигателю и обеспечивает четыре периода синусоидальных и косинусоидальных аналоговых сигналов за один механический оборот.

Рисунок 1: Оценочная среда бесщеточного двигателя постоянного тока с микросхемой индуктивного датчика положения.

Представляем группу микроконтроллеров RA6T2 в семействе RA:
RA6T2 — это второй продукт ASSP в семействе RA, предназначенный для решений по управлению двигателями и инверторами. Он сочетает в себе ядро ​​Arm Cortex®-M33 со специализированными аппаратными ускорителями для управления двигателями и высокоскоростной флэш-памятью для работы в реальном времени на частоте 240 МГц.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой гибридный тип, сочетающий в себе методы последовательного приближения и ΔΣ-преобразования, обеспечивая высокую частоту дискретизации 6,25 Мвыб/с и 16-битное разрешение. Он также включает в себя трехвыводную функцию выборки и удержания для одновременного обнаружения трехфазных токов двигателя. RA6T2 также интегрирует программируемые усилители, позволяющие регулировать усиление в зависимости от диапазона входного напряжения, а также другие аналоговые функции. Кроме того, высокогибкий, регулируемый ШИМ-таймер облегчает перенос существующих алгоритмов на RA6T2. В сочетании с другими аналоговыми функциями он также обеспечивает функцию безопасности с отключением ШИМ-выхода, позволяя микроконтроллеру выполнять аварийное обнаружение и отключение в случае возникновения аномалии. Благодаря этим функциям один микроконтроллер RA6T2 может одновременно управлять до двумя бесщеточными двигателями постоянного тока (BLDC).

Встроенный аппаратный ускоритель включает в себя блок тригонометрических функций (TFU) и фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (IIR). TFU выполняет высокоскоростные вычисления без необходимости использования таблиц поиска, что обеспечивает эффективное использование ПЗУ. Фильтр IIR предлагает методы настройки коэффициентов, которые облегчают переносимость существующих алгоритмов. Помимо этого, RA6T2 также имеет другие полезные периферийные функции.

Представляем индуктивный датчик положения IPS2200:
IPS2200, не имеющий магнитов, в 10 раз тоньше и в 100 раз легче, обеспечивая электрическую скорость вращения до 250 тыс. об/мин по сравнению с традиционными резольверами. Тонкий и легкий корпус датчика, а также полная невосприимчивость к паразитным полям упрощают интеграцию с двигателями и предоставляют стандартные материалы, необходимые заказчикам для изготовления собственных сменных резольверов, что снижает затраты на комплектующие. Работая в четырех- или шестипроводном режиме, IPS2200 обеспечивает скорость вращения до 10 раз выше и очень низкую задержку по сравнению с решениями на основе резольверов или магнитов.

Основные характеристики:
- Предназначен для промышленного применения
- Широкий диапазон рабочих температур от -40°C до 125°C
- Интерфейс: простой или дифференциальный синусоидальный/косинусоидальный (θ)
- Питание: 3,3 В ±10% или 5,0 В ±10%
- Скорость вращения: до 250 000 об/мин (электрическая)
- Задержка распространения: программируемая
- Регулировка усиления синусоидального/косинусоидального (θ) сигнала и компенсация смещения
- Защита от перенапряжения, обратной полярности и короткого замыкания
- Цифровой интерфейс программирования: I²C или SPI

Введение в среду оценки управления двигателем.
Как упоминалось во введении, эта среда оценки управления двигателем (рис. 1) использует IPS2200STKIT для получения информации о положении от индуктивного датчика положения, в то время как MCK-RA6T2 управляет двигателем, используя эту информацию о положении. Поскольку среда оценки создается путем объединения двух готовых к использованию комплектов, пользователям не нужно самостоятельно модифицировать или разрабатывать платы. Это значительно сокращает время, необходимое для создания среды оценки. Кроме того, эти комплекты широко доступны в Интернете через компании, входящие в дистрибьюторскую сеть Renesas.

Компания Renesas также опубликовала пример программы для управления двигателем с использованием индуктивного датчика положения. Соответствующая инструкция по применению, объясняющая, как использовать ее с MCK-RA6T2, находится на странице продукта. Пример кода находится в свободном доступе для всех, поэтому ничто не мешает пользователям сразу же запустить двигатель. Для этого достаточно прошить пример программы, полученный с веб-сайта, в микроконтроллер RA6T2. Пользователи, заинтересованные в подробностях о переменных двигателя, используемых в примере программы, могут найти эту информацию в инструкции по применению, которая может служить хорошим справочным материалом.

Кроме того, компания Renesas предлагает уникальный инструмент поддержки управления двигателями под названием Renesas Motor Workbench, который обеспечивает более удобную оценку работы двигателя. Renesas Motor Workbench предоставляется бесплатно и может быть получен на веб-сайте Renesas.

В целом, разработка решений для управления двигателями требует значительных технических знаний. Следовательно, на настройку и отладку решения для его адаптации к требуемым задачам тратится много человеко-часов и значительные средства. Для решения этой проблемы Renesas Motor Workbench предлагает следующие функции, которые могут сократить трудозатраты на настройку и отладку (Рисунок 2):
- Анализатор:
чтение/запись переменных и отображение осциллограмм в реальном времени, а также просмотр управляющих переменных, таких как параметры осциллографа/триггера и т. д.
- Тюнер:
пользователи могут просто ввести номинальный ток двигателя и логарифм полюсов и нажать кнопку «Старт», чтобы автоматически извлечь определенные параметры двигателя, такие как сопротивление и индуктивность, а также параметры управления, такие как коэффициент усиления ПИ-регулятора.
Извлеченные параметры можно использовать для немедленного запуска двигателя или для точной настройки параметров управления.
- Удобный графический интерфейс пользователя:
встроенный графический интерфейс обеспечивает более интуитивно понятное управление двигателем.

Рисунок 2: Характеристики верстака для проверки двигателей Renesas

Для наглядности на рисунке 3 показано, как изменять переменные управления двигателем в примере программы с помощью функции анализатора Renesas Motor Workbench.

Это изображение, полученное в результате захвата сигнала управления положением при вводе заданного значения. Информация о положении, скорости и токе для оси q может быть представлена ​​в виде осциллограммы, что упрощает визуализацию рабочего состояния двигателя.

Рисунок 3: Изображение, полученное в процессе управления положением при вводе значения команды положения.

Преимущества управления двигателем с использованием индуктивных датчиков положения
. Среди преимуществ использования этого индуктивного датчика положения выделяется его функциональность. Чувствительный элемент, используемый в этом датчике, может быть сконфигурирован с тем же количеством катушек, что и полюсные пары используемого двигателя, что делает его адаптируемым к двигателям с несколькими полюсными парами. Подложка катушки индуктивного датчика положения может быть установлена ​​на конце или основании вала, что обеспечивает большую гибкость в проектировании двигателя.

Технология индуктивного позиционирования Renesas обеспечивает максимальную гибкость и может быть разработана для удовлетворения конкретных потребностей заказчика. Renesas поощряет это, предлагая готовые к использованию типовые проекты, собранные в каталоге Resolver 4.0. С каталогом Resolver 4.0 инженеры теперь имеют доступ к широкому спектру готовых к использованию проектов на основе датчиков переключения двигателей IPS2200, каждый из которых адаптирован к конкретной конфигурации вала двигателя или пары полюсов. Типовые проекты включают в себя полные схемы, полностью смонтированные схемы печатных плат и файлы Gerber, что позволяет инженерам немедленно приступить к созданию работающих решений для измерения положения.

Рисунок 4: Каталог Resolver 4.0

Еще одним преимуществом этой технологии является ее устойчивость к воздействию окружающей среды. Поскольку в сенсорном элементе не используются магниты, он обладает высокой устойчивостью к окружающим магнитным полям, оставаясь при этом легким. Кроме того, бесконтактный метод обеспечивает превосходную защиту от пыли и грязи.

Наконец, еще одним преимуществом является низкая стоимость системы. В целом, снизить общую стоимость индуктивных датчиков положения проще, чем оптических или магнитных энкодеров, из-за меньшего количества используемых элементов и компонентов. Оптический энкодер по своей природе дороже, в то время как более высокая стоимость магнитного энкодера обусловлена ​​необходимостью магнитного экранирования и т. д. На рисунке 5 сравнивается стоимость трех типов датчиков положения.

Рисунок 5: Сравнение стоимости трех датчиков положения

Заключение:
Индуктивные датчики положения позволяют оптимизировать точность позиционирования за счет проектирования подложки катушки в соответствии с используемым двигателем. Они также обладают высокой устойчивостью к воздействию окружающей среды и сниженным весом оборудования двигателя. Кроме того, системы управления двигателем с возможностью определения положения могут быть разработаны с меньшими затратами по сравнению с другими датчиками положения. В результате использование этого датчика расширяется в приложениях, требующих высокоточного определения положения в суровых условиях, таких как промышленные двигатели, роботы и медицинское оборудование. Компания Renesas подготовила решение для управления двигателем на основе своего высокопроизводительного микроконтроллера RA6T2, специализирующегося на приложениях управления двигателями, а также микросхемы индуктивного датчика IPS2200, легко доступной в интернет-магазинах. Пример кода для этой оценочной среды доступен на странице продукта RA6T2, что позволяет пользователям немедленно приступить к разработке.

на страницах продукта RA6T2, который может применяться в самых разных системах управления двигателями и устройствах, содержится множество примечаний по применению и примеров проектов для управления двигателями. К ним относятся IF-энкодер, бессенсорное управление, управление бесщеточным двигателем постоянного тока с помощью индуктивного датчика положения и многое другое.

Ресурсы:
- Примечание по применению: Векторное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами и индуктивным датчиком RA6T2 (renesas.com)
- Веб-страница MCK-RA6T2: RTK0EMA270S00020BJ - Гибкий комплект управления двигателем Renesas MCK-RA6T2 для группы микроконтроллеров RA6T2 | Renesas
- Веб-страница IPS2200STKIT: IPS2200STKIT - Оценочный комплект для IPS2200 | Renesas
- Каталог Resolver 4.0:Каталог Resolver 4.0 (renesas.com)
- Веб-страница микроконтроллера RA6T2: RA6T2 - 240 МГц Arm® Cortex®-M33 TrustZone®, высокопроизводительный процессор реального времени для управления двигателем | Renesas