Gebruik sensorloze vectorregeling met BLDC- en PMS-motors voor nauwkeurige motion control

De behoefte aan nauwkeurige bewegingscontrole neemt toe in toepassingen zoals robotica, drones, medische apparatuur en industriële systemen. Borstelloze gelijkstroommotoren (BLDC's) en AC-gedreven permanente magneet synchrone motors (PMSM's) kunnen de vereiste precisie leveren en voldoen aan de behoefte aan hoge efficiëntie in een compacte vormfactor. In tegenstelling tot geborstelde gelijkstroommotors en AC-inductiemotors, die gemakkelijk aan te sluiten en te gebruiken zijn, zijn BLDC's en PMSM's echter veel complexer.

Zo bieden technieken als sensorloze vectorregeling (ook wel veldgerichte regeling of FOC genoemd) in het bijzonder een uitstekende efficiëntie, samen met het voordeel dat de sensorhardware wordt geëlimineerd, waardoor de kosten worden gedrukt en de betrouwbaarheid wordt verbeterd. Het probleem voor ontwerpers is dat sensorloze vectorregeling ingewikkeld is om te implementeren, zodat het gebruik ervan de ontwikkelingstijd kan verlengen, de kosten kan opdrijven en mogelijk de time-to-market kan missen.

Om dit dilemma op te lossen, kunnen ontwerpers zich wenden tot ontwikkelingsplatforms en evaluatiekaarten waarin de sensorloze vectorbesturingssoftware al is ingebouwd, zodat zij zich kunnen concentreren op systeemontwerpkwesties en niet verzanden in de nuances van het coderen van de besturingssoftware. Bovendien bevatten deze ontwikkelingsomgevingen alle motorcontroller- en vermogensbeheerhardware geïntegreerd in een compleet systeem, waardoor de tijd om het systeem op de markt te brengen wordt verkort.

Dit artikel beschrijft in het kort enkele behoeften op het gebied van precisie motion control en bespreekt de verschillen tussen geborstelde gelijkstroom-, AC-inductie-, BLDC- en PMSM's. Vervolgens wordt een overzicht gegeven van de basisprincipes van vectorbesturing, waarna diverse platforms en evaluatiekaarten van Texas Instruments, Infineon Technologies en Renesas Electronics worden geïntroduceerd, samen met ontwerprichtlijnen die de ontwikkeling van precisie motion control-systemen vergemakkelijken.

Voorbeelden van toepassingen voor precisie motion control

Drones zijn complexe bewegingscontrolesystemen en maken doorgaans gebruik van vier of meer motoren. Nauwkeurige en gecoördineerde bewegingscontrole is nodig om een drone in staat te stellen te zweven, te klimmen of te dalen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Drones maken gewoonlijk gebruik van vier of meer motors, meestal BLDC's of PMSM's, die draaien met een toerental van 12.000 per minuut (RPM) of meer, en worden aangedreven door een elektronische snelheidsregelaar (ESC). Dit voorbeeld toont een ESC module in een drone met een borstelloze motor met sensorloze regeling. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Om te zweven moet de netto stuwkracht van de rotors die de drone omhoog duwen in evenwicht zijn en precies gelijk zijn aan de zwaartekracht die hem omlaag trekt. Door de stuwkracht (snelheid) van de rotors gelijkmatig te verhogen, kan de drone recht omhoog klimmen. Omgekeerd zorgt het verminderen van de rotor stuwkracht ervoor dat de drone daalt. Daarnaast is er yaw (draaien van de drone), pitch (de drone naar voren of naar achteren laten vliegen) en roll (de drone naar links of rechts laten vliegen).

Nauwkeurige en repetitieve bewegingen zijn een van de kenmerken van veel robottoepassingen. Een stationaire industriële robot met meerdere assen moet in drie dimensies verschillende hoeveelheden kracht leveren om voorwerpen van verschillend gewicht te verplaatsen (Afbeelding 2). Motors in de robot leveren variabele snelheid en koppel (rotatiekracht) op precieze punten, die de robotbesturing gebruikt om de beweging langs verschillende assen te coördineren voor een exacte snelheid en positionering.

Afbeelding 2: Een stationaire meerassige industriële robot moet in drie dimensies verschillende hoeveelheden kracht leveren om voorwerpen met een verschillend gewicht te verplaatsen en zijn activiteiten te coördineren met andere robots aan de lopende band. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

In het geval van mobiele robots op wielen kan een nauwkeurig differentieelaandrijvingssysteem worden gebruikt om zowel de snelheid als de bewegingsrichting te regelen. Twee motors zorgen voor de beweging, samen met een of twee zwenkwielen om de last in evenwicht te houden. De twee motors worden met verschillende snelheden aangedreven om rotatie en richtingsveranderingen tot stand te brengen, terwijl dezelfde snelheid voor beide motoren resulteert in een rechtlijnige beweging, naar voren of naar achteren. Hoewel de motorbesturingen complexer zijn in vergelijking met een conventioneel stuursysteem, is deze benadering nauwkeuriger, mechanisch eenvoudiger en dus betrouwbaarder.

Motorkeuzes

Basisgelijkstroommotors en AC-inductiemotors zijn relatief goedkoop en eenvoudig aan te drijven. Zij worden op grote schaal gebruikt in een brede waaier van toepassingen, van stofzuigers tot industriële machines, kranen en liften. Hoewel ze goedkoop en gemakkelijk aan te drijven zijn, kunnen ze niet de precisie leveren die nodig is voor toepassingen als robotica, drones, medische apparatuur en industriële precisieapparatuur.

Een eenvoudige geborstelde gelijkstroommotor genereert koppel door de stroomrichting mechanisch om te schakelen in coördinatie met de rotatie met behulp van een commutator en borstels. Tekortkomingen van geborstelde gelijkstroommotoren zijn onder meer de behoefte aan onderhoud door slijtage van de borstels en het voortbrengen van elektrische en mechanische ruis. Een PWM-aandrijving (Pulse-width-modulation) kan worden gebruikt om de draaisnelheid te regelen, maar nauwkeurige regeling en hoog rendement zijn moeilijk door de inherent mechanische aard van borstelgelijkstroommotoren.

Een BLDC elimineert de commutator en de borstels van borstelgelijkstroommotoren, en afhankelijk van de wijze waarop de stators zijn gewikkeld, kan het ook een PMSM zijn. Bij een BLDC-motor zijn de statorspoelen trapeziumvormig gewikkeld en heeft de teruggeleverde elektromotorische kracht (EMF) een trapeziumvormige golfvorm, terwijl PMSM-stators sinusvormig zijn gewikkeld en een sinusvormige teruggeleverde EMF (_Ebemf) produceren (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een PMSM-motor genereert een sinusoïdale_Ebemf, terwijl een BLDC een trapeziumvormige_Ebemf-golf genereert. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Het koppel in BLDC- en PMSM-motors is een functie van de stroom en de tegen-EMF. BLDC-motors worden aangedreven met blokvormige stroom, terwijl PMSM-motors worden aangedreven met sinusvormige stroom.

BLDC-motorkenmerken:

• Gemakkelijker te regelen met zes-staps blokgolf DC-stromen
• Produceert aanzienlijke koppelrimpel
• Zijn goedkoper en presteren beter dan PMSM's
• Kan worden uitgevoerd met Hall-effectsensors of met sensorloze regeling

PMSM-kenmerken:

• Complexere regeling met driefasige sinusoïdale PWM
• Geen koppelrimpel
• Hogere efficiëntie, koppel en kosten dan BLDC
• Kan worden uitgevoerd met een encoder of met sensorloze regeling

Wat is vectorcontrole?

Vectorregeling is een regelmethode voor motoraandrijving met variabele frequentie waarbij de statorstromen van een driefasige elektromotor worden geïdentificeerd als twee orthogonale componenten die kunnen worden gevisualiseerd met een vector. Eén component bepaalt de magnetische flux van de motor, de andere het koppel. De kern van het vectorcontrole-algoritme wordt gevormd door twee wiskundige transformaties: de Clarke-transformatie wijzigt een driefasensysteem in een tweecoordinatensysteem, terwijl de Park-transformatie tweefasige stationaire systeemvectoren omzet in roterende systeemvectoren en hun inverse.

Gebruik van de Clarke en Park transformaties brengen de statorstromen die kunnen worden geregeld in het rotordomein. Hierdoor kan een motorbesturingssysteem de spanningen bepalen die aan de stator moeten worden toegevoerd om het koppel onder dynamisch veranderende belastingen te maximaliseren.

Voor een krachtige snelheids- en/of positieregeling zijn real time en nauwkeurige kennis van de positie en de snelheid van de rotoras nodig, om de fase-excitatiepulsen te synchroniseren met de rotorpositie. Deze informatie wordt gewoonlijk geleverd door sensors zoals absolute encoders en magnetische resolvers die op de as van de motor zijn bevestigd. Deze sensors hebben verscheidene systeemnadelen: lagere betrouwbaarheid, gevoeligheid voor ruis, hogere kosten en gewicht, en grotere complexiteit. Vectorregeling zonder sensor elimineert de noodzaak van snelheids-/positiesensors.

Dankzij krachtige microprocessors en digitale signaalprocessors (DSP's) kan de moderne en efficiënte besturingstheorie worden opgenomen in geavanceerde systeemmodellering, waardoor voor elk real-time motorsysteem een optimaal vermogen en een optimale besturingsefficiëntie worden gegarandeerd. Verwacht wordt dat als gevolg van de toenemende rekenkracht en de dalende kosten van microprocessors en DSP's, sensorloze regeling vrijwel overal de plaats zal innemen van vectorregeling met sensoren, alsmede van eenvoudige maar minder goed presterende enkelvoudig-variabele scalaire volts-per-hertz (V/f)-regeling.

Aansturing van driefasige PMSM- en BLDC-motors voor industriële en consumentenrobots

Om de complexiteit van vectorbesturing te omzeilen, kunnen ontwerpers gebruik maken van kant-en-klare evaluatiekaarten. De DRV8301-69M-KIT van Texas Instruments bijvoorbeeld is een op een DIMM100 controlCARD gebaseerde evaluatiemodule voor moederborden die ontwerpers kunnen gebruiken om driefasige PMSM/BLDC-motoraandrijfoplossingen te ontwikkelen (Afbeelding 4). Het omvat de DRV8301 driefasige gatedriver met dubbele stroom-shuntversterkers en een buck regulator, en een InstaSPIN-compatibele Piccolo TMS320F28069M-microcontrollerkaart (MCU) .

Afbeelding 4: Ontwerpers kunnen driefasige PMSM/BLDC-motoraandrijfoplossingen ontwikkelen met behulp van de DRV8301-69M-KIT motorkit die een DRV8301 en een InstaSPIN-compatibel Piccolo TMS320F28069M MCU-kaart omvat. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De DRV8301-69M-KIT is een op InstaSPIN-FOC en InstaSPIN-MOTION technologie gebaseerde evaluatiekit voor motorbesturing van Texas Instruments voor het ronddraaien van driefasige PMSM- en BLDC-motors. Met InstaSPIN stelt de DRV8301-69M-KIT ontwikkelaars in staat om snel een driefasige motor te identificeren, automatisch af te stellen en te regelen, waardoor een "direct" stabiel en functioneel motorbesturingssysteem ontstaat.

Samen met de InstaSPIN-technologie biedt de DRV8301-69M-KIT een krachtig, energiezuinig, kosteneffectief FOC-platform zonder sensor of met encodersensor, dat de ontwikkeling versnelt voor een snellere time-to-market. Toepassingen zijn onder meer synchrone motors van sub 60 volt en 40 ampère (A) voor het aandrijven van pompen, poorten, liften en ventilators, alsook industriële en consumentenrobotica en -automatisering.

De DRV8301-69M-KIT hardware kenmerken:

• Een driefasige inverter-basiskaart met interface voor DIMM100 controlCARDs
• Een DRV8301 driefasige omvormer met geïntegreerde vermogensmodule (met geïntegreerde 1,5 A buckconvertor) basiskaart die tot 60 volt en 40 A continu ondersteunt
• De kaarten TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC en InstaSPIN-MOTION
• De mogelijkheid om te werken met MotorWare ondersteunde TMDXCNCD28054MISO (afzonderlijk verkocht) en TMDSCNCD28027F + externe emulator (afzonderlijk verkocht)

Krachtige, hoogefficiënte PMSM- en BLDC-motoraandrijvingen

De EVAL-IMM101T van Infineon Technologies is een volledig uitgeruste starterkit die een IMM101T Smart IPM (geïntegreerde vermogensmodule) bevat die een volledig geïntegreerde, kant-en-klare, hoogspanningsmotoraandrijvingsoplossing biedt die ontwerpers kunnen gebruiken met krachtige, hoog-efficiënte PMSM/BLDC-motors (Afbeelding 5). De EVAL-IMM101T bevat ook andere noodzakelijke schakelingen, die nodig zijn voor "out-of-the-box"-evaluatie van IMM101T Smart IPMs, zoals een gelijkrichter en EMI filtertrap, evenals een geïsoleerde debugger-sectie met USB verbinding naar een PC.

Afbeelding 5: De IMM101T evalkaart is een complete oplossing met een motion control engine (MCE 2.0), gate driver, en 3-fase inverter die in staat is om PMSM en BLDC-motors aan te drijven met behulp van sensorloze FOC. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

De EVAL-IMM101T is ontwikkeld om ontwerpers te ondersteunen bij hun eerste stappen in de ontwikkeling van toepassingen met een IMM101T Smart IPM. De evalkaart is uitgerust met alle assemblagegroepen voor sensorloze FOC. Hij bevat een enkelfasige AC-aansluiting, EMI-filter, gelijkrichter en driefasige uitgang voor aansluiting van de motor. De eindtrap bevat ook een bronshunt voor stroomdetectie en een spanningsdeler voor het meten van de tussenkringspanning.

De IMM101T van Infineon biedt verschillende besturingsconfiguratie-opties voor PMSM/BLDC-aandrijfsystemen in een compacte opbouwbehuizing van 12 x 12 millimeter (mm), waardoor het aantal externe componenten en het oppervlak van de printplaat (pc board) tot een minimum worden beperkt. Het pakket is thermisch verbeterd, zodat het goed kan presteren met of zonder koellichaam. Het pakket heeft een kruipafstand van 1,3 mm tussen de hoogspanningsblokken onder het pakket om de opbouwmontage te vergemakkelijken en de robuustheid van het systeem te vergroten.

De IMM100-serie integreert een FredFET van 500 volt of een CoolMOS MOSFET van 650 volt. Afhankelijk van de gebruikte vermogens-MOSFET's in het pakket, is de IMM100-serie geschikt voor toepassingen met een nominaal uitgangsvermogen van 25 watt (W) tot 80 W bij een maximale gelijkspanning van 500 volt/600 volt. In de 600 Volt-versies is de Power MOS-technologie berekend op 650 volt, terwijl de gate-driver is berekend op 600 Volt, hetgeen de maximaal toelaatbare gelijkspanning van het systeem bepaalt.

24 volt motor controle eval systeem

Ontwerpers van 24 volt PMSM/BLDC-motoraandrijvingen kunnen terecht bij het Renesas evaluatiesysteem voor motorbesturing RTK0EM0006S01212BJ voor de RX23T-microcontrollers (Afbeelding 6). De RX23T-apparaten zijn 32-bit microcontrollers, geschikt voor enkelvoudige inverterbesturing, met een ingebouwde floating point unit (FPU) waarmee ze complexe omvormerbesturingsalgoritmen kunnen verwerken. Dit helpt om de manuren die nodig zijn voor de ontwikkeling en het onderhoud van software sterk te verminderen.

Afbeelding 6: Het Renesas 24 volt motorbesturingsevaluatiesysteem voor de RX23T-microcontroller omvat een omvormerkaart om de PMSM aan te drijven die in het evaluatiepakket is opgenomen. (Bron afbeelding: Renesas Electronics)

Bovendien wordt dankzij de kern slechts 0,45 microamperes (μA) stroom verbruikt in de software-standby-modus (met RAM-retentie). RX23T-microcontrollers werken in het bereik van 2,7 tot 5,5 volt, en zijn zeer compatibel met de RX62T-lijn op pennenbezetting en softwareniveau. De kit bevat:

• 24 volt omvormerkaart
• PMSM-regelfunctie
• Drie-shunt stroom detectie functie
• Overstroombeveiligingsfunctie
• CPU-kaart voor RX23T microcontroller
• USB mini B kabel
• PMSM

Conclusie

BLDC- en PMSM's kunnen worden gebruikt voor nauwkeurige motion control-oplossingen die compact en uiterst efficiënt zijn. Het gebruik van sensorloze vectorregeling met BLDC- en PMS-motors biedt het voordeel dat de sensorhardware wordt geëlimineerd, waardoor de kosten worden gedrukt en de betrouwbaarheid wordt verbeterd. Sensorloze vectorregeling in deze toepassingen kan echter een ingewikkeld en tijdrovend proces zijn.

Zoals aangetoond, kunnen ontwerpers gebruik maken van ontwikkelingsplatforms en evaluatiekaarten met software voor sensorloze vectorregeling. Bovendien bevatten deze ontwikkelingsomgevingen alle motorcontroller- en vermogensbeheerhardware geïntegreerd in een compleet systeem, waardoor de tijd om het systeem op de markt te brengen wordt verkort.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Veldregeling leidt tot betere AC-motorefficiëntie
2. De volgende evolutionaire stap in drone-ontwerp