Поради тяхната по-висока ефективност, компактен размер, ниски разходи за поддръжка, високо съотношение на въртящ момент към тегло и нисък работен шум, наред с други предимства, трифазните безчеткови DC (BLDC) и синхронните двигатели с постоянен магнит (PMSM) се превръщат в предпочитан избор за проектиране на съвременни моторни продукти, захранвани с батерии. Потенциалните приложения варират от безжични електрически инструменти и продукти за градинарство до дронове, електронни велосипеди и автоматизирани управлявани превозни средства, само за да назовем няколко.

Въпреки това, управлението на тези трифазни двигатели е по-сложно от традиционните мотори с постоянен ток с четка. Двигателите BLDC и PMSM се комутират последователно от превключватели на захранването (т.е. MOSFET), вместо да се използват механични четки в контакт с ротора. Намотките на статора се захранват в определена последователност, за да генерират въртящо се магнитно поле, което кара ротора да произвежда въртящ момент и въртеливо движение. Важна част от тази контролна схема е способността на системата да измерва позицията на ротора. Това може да се постигне чрез използване на превключватели с ефект на Хол или ключалки, които са физически поставени в статора или алтернативно чрез използване на безсензорни хардуерни и софтуерни техники. Друго ключово предизвикателство при дизайна в тези типове приложения е очакването на крайния клиент да има устройства, които са по-малки и по-леки на тегло с удължено време на работа на батерията.

За да помогне на дизайнерите да постигнат целите на крайния пазар, Infineon Technologies вече пусна напълно програмируем MOTIX™ IMD700A и IMD701A интегрални схеми на моторни контролери. Интегриран в един 9 × 9 mm264-пинов VQFN пакет (Фигура 1), контролерите MOTIX™ IMD70xA комбинират всички MOTIX™ 6EDL7141 трифазна интегрална схема с гейт драйвер функции с доп 32-битов микроконтролер, базиран на ARM® Cortex®-M0 (XMC™ XMC1404 с 48-MHz основен часовник), чиито периферни устройства и спецификации са оптимизирани за управление на мотори и задвижвания.

Фигура 1: MOTIX™ напълно програмируем моторен контролер, съчетаващ микроконтролер и IC на гейт драйвер в компактна, 9 × 9 mm2 64-пинов VQFN пакет

Гъвкавост и конфигурируемост в силно интегрирано решение

Блоковата диаграма на Фигура 2 очертава различните функционални блокове, които едно устройство MOTIX™ IMD70xA предоставя в приложение за управление на мотор. Както е показано, той включва всички изчислителни функции (XMC™ XMC1400) и интерфейса на гейт-драйвер (6EDL7141) в един пакет.

Функционалност и висока интеграция на напълно програмируемия моторен контролер MOTIX™ на Infineon.
Фигура 2: Функционалност и висока интеграция на напълно програмируемия моторен контролер MOTIX™ на Infineon

Етапът на захранване (трифазен инвертор) позволява на инженерите да проектират за целевото ниво на мощност, като избират външни превключватели на захранването.

Приложения за управление на мотори, които включват сензори

Най-честата реализация за измерване на позицията на ротора в трифазни BLDC двигатели е наличието на физически сензор. много сензорни опции са налични, включително, между другото, превключватели и ключалки с ефект на Хол, линейни или квадратурни ротационни енкодери и резолвери. Например, отчитане на позицията на ротора с помощта на Превключватели с ефект на Хол предоставя достатъчно информация за определяне на следващия модел на превключване, необходим на трифазния инвертор в конфигурация на превключване, наречена трапецовидно управление или шестстепенна комутация (12-стъпкова комутация също е често срещано изпълнение). За да се постигне това, изходите на трите превключвателя с ефект на Хол се четат едновременно и тези входове осигуряват позицията на ротора с разделителна способност от 60˚ механични градуса.

Интегрираните контролери MOTIX™ IMD70xA включват позиционен интерфейс (POSIF) модул, който обработва сигналите от тези сензори с вградени таймери за премахване на шума, за да премахне шума от сигналите. POSIF модулът извършва измервания на времето между отчитането на събития от сензора, обработка на грешки и синхронизация с модулите за генериране на ШИМ. Тази подобрена функционалност позволява на процесора да изпълнява други задачи, без да се налага да прилага специфични фърмуерни рутинни процедури, за да позволи тези показания, действия и изчисления. Въпреки че е сравнително проста реализация, има някои недостатъци на схема, която включва сензори, като повишената цена на сензорите, високата пулсация на въртящия момент и по-ниската надеждност (механични съединители и кабели излизат от двигателя).

Безсензорни приложения за управление на мотори

За да се преодолеят някои от ограниченията в приложенията, които изискват сензори, могат да бъдат приложени техники без сензори. Един метод работи чрез отчитане на обратната електродвижеща сила (обратна ЕМП) на намотките на двигателя. Друго решение е схема за управление, наречена полево-ориентирано управление (FOC). Някои от предимствата на това изпълнение са описани, както следва:

  • Не са необходими сензори за откриване на положението на ротора; софтуерен оценител се използва за изчисляване на позицията и скоростта на ротора.
  • Пулсацията на въртящия момент е по-ниска (в сравнение с трапецовидно управление), което се изразява в по-ниски загуби на мощност и намаляване на звуковия шум.
  • По-добър контрол на въртящия момент в сравнение с трапецовиден контрол.
  • Ефективността е по-висока в целия диапазон на скоростта.
  • Откриване на ъгъл/скорост на ротора с висока разделителна способност.
  • Добра динамична реакция при промяна на натоварването.

От друга страна, един от недостатъците на схемата за управление на FOC е нейната сложност; следователно процесорът изисква повече изчислителна мощност. Интегрираните контролери IMD70xA включват няколко периферни устройства, които улесняват внедряването на FOC, като MATH копроцесор за извършване на изчисления, необходими в безсензорни FOC алгоритми, за да се позволи по-висока производителност на системата:

  • MATH копроцесор, работещ на 96 MHz, включващ:
    • 32-битов разделител (DIV) за функции за деление със знак и без знак
    • 24-битов координатно ротационен цифров компютър (CORDIC) за тригонометрични, линейни и хиперболични функции

Допълнителни функции и разширена функционалност на гейт-драйвер

Друг съществен аспект на интегрираните контролери IMD70xA е добавянето на бордови захранвания (синхронен понижаващ преобразувател и линеен LDO). Те осигуряват захранване на помпите за зареждане на гейт-драйвера, както и захранване за MCU и други външни компоненти като сензори с ефект на Хол, ако се използват (Фигура 3).

Вградени захранвания в MOTIX™ 6EDL7141.
Фигура 3: Вградени захранвания в MOTIX™ 6EDL7141

Благодарение на изпълнението на помпата с двойно зареждане (висока и ниска страна), 100% работен цикъл може да бъде постигнат с 1,5-A възможност за ток на поглъщане/източник, в допълнение към разширените функции като регулируема скорост на задвижване на драйвера на вратата и конфигурируемо напрежение на вратата . По-специално, контролът на скоростта на завъртане на MOSFET позволява много по-ефективен преход на превключване на MOSFET, тъй като действителните характеристики на портата на конкретния MOSFET, избран за приложението, се разглеждат и програмират в устройството, балансирайки загубите при превключване и електромагнитните емисии за оптимизиране на производителността ( Фигура 4).

Контрол на нивото на напрежението на затвора и скоростта на завъртане.
Фигура 4: Ниво на напрежение на вратата и контрол на скоростта на завъртане

Освен това, в IC драйвера на гейт MOTIX™ 6EDL7141 има три високопрецизни операционни усилвателя с висока честотна лента за измерване на фазови токове с допълнителни компаратори за хардуерна защита от свръхток (OCP) (Фигура 5).

Интегрирани операционни усилватели в IC на драйвера на порта MOTIX™ 6EDL7141.
Фигура 5: Интегрирани операционни усилватели в MOTIX™ 6EDL7141 IC на гейт драйвер

Освен това няколко хардуерно активирани функции за защита опростяват софтуерното сертифициране на критични функции. Някои от тези функции за защита са:

  • Защита от свръхток
  • Сензор чрез шунт или RDS (включен)
  • DVDD с ниско отпадане (LDO) OCP
  • Бак конвертор OCP
  • Блокировка при ниско напрежение
  • PVDD, захранване на гейт драйвер, DVDD LDO
  • Предупреждение за висока температура и изключване
  • Конфигурируем пазач
  • Откриване на блокиран ротор въз основа на входове на сензора на Хол
  • Грешка в паметта

Инструменти за разработка и табло за оценка за бързо стартиране на сложни проекти и ускоряване на времето за проектиране

Пълно моторно задвижване табло за оценка (EVAL_IMD700A_FOC_3SH) на базата на MOTIX™ IMD701A е наличен.1 Тази платка е 18-V BLDC изпълнение, което включва трифазен инвертор, включващ Infineon OptiMOS™ 6 MOSFET с ниско напрежение в пакет 3 × 3 Source-Down PQFN с изходна мощност до 300 W.

Допълвайки тази хардуерна платка, пълна графичен потребителски интерфейс (GUI) също е наличен. Този графичен потребителски интерфейс се използва във връзка с описаната по-горе платка за оценка, за да предостави основни насоки за фина настройка на процедура за контролен контур за внедряване на FOC без сензор.

Платка за оценка, напълно интегрирано решение за BLDC двигател, базирано на MOTIX™ IMD701A.
Фигура 6: Платка за оценка, напълно интегрирано решение за BLDC моторно задвижване, базирано на MOTIX™ IMD701A

Високоефективно и рентабилно зареждане на батерията в приложения, захранвани от батерия

Литиево-йонните батерии вече съдържат значителни количества енергия, което прави дизайна на зарядните устройства все по-усъвършенстван. Портфолиото от превключватели и контролери на мощността на Infineon се простира от решения с ултрависока ефективност до топологии, ориентирани към производителността, което позволява на дизайнерите да изберат най-подходящото изпълнение за дизайна.

Обратният преобразувател е най-предпочитаната топология в приложения за зарядни устройства до около 100 W. Infineon наскоро демонстрира 84-W зарядно устройство за батерии, което е лесен, здрав и рентабилен AC/DC референтен дизайн с ключови характеристики като широка 9- до 21-V изходно напрежение и минимизирана спецификация на материалите. Изпълнението използва ICC80QSG контролер IC и единичен 700-V IPN70R450P7S CoolMOS™ P7 superjunction MOSFET за постигане на ефективност над 90% при пълно натоварване. Типични приложения за референтния дизайн са бързи зарядни устройства за електрически инструменти, ръчни прахосмукачки, електронни велосипеди и електронни скутери.

Преобразувателят с хибридно обратно движение е друга топология, която съчетава простотата на обратния ход с производителността на резонансните преобразуватели. The XDP™ XDPS2201 е контролер, проектиран специално за тази топология. IC предлага интегрирани функции за защита, като двустепенно свръхток и изходно пренапрежение, за да гарантира, че зарядното устройство предпазва както батерията, така и потребителя.

В допълнение, Infineon разпознава тенденцията за зареждане на устройства, захранвани от батерии, чрез USB-C. Стандартът скоро ще може да доставя до 240 W мощност. Такива приложения ще се възползват от богато портфолио от EZ-PD™ PMG1 — високоволтови MCU с USB-C захранване (PD) — вече добре установени на пазара на адаптери.

Резюме

Съвременните приложения, захранвани от батерии, които прилагат задвижвания за управление на двигателя, изискват по-високо ниво на интеграция и енергийна ефективност, за да осигурят на потребителите по-дълго време на работа на батерията в по-малък форм-фактор. Двигателите BLDC и PMSM са предпочитаният избор за постигане на тези по-високи изисквания за производителност. Този тип двигатели изискват внедряване на по-сложно задвижване (в сравнение с DC двигатели с четка) и по-висока изчислителна мощност и функции за защита.

Контролери MOTIX™ IMD70xA предлагат изчерпателен набор от периферни устройства, които позволяват по-ниски усилия за разработване на контрол на двигателя с по-високо ниво на интеграция. Това е резултат от включването на пълнофункционален гейт драйвер, постигащ значително намаляване на пространството, намален брой компоненти и цена на системата.

Широк набор от инструменти, бележки за приложението и видеоклипове за обучение са достъпни на уебсайта на Infineon, за да се даде възможност за по-бърз цикъл на проектиране. Моля, посетете MOTIX™ захранвани с батерии BLDC контролери на мотори уеб страница за повече информация.

Препратки

1Green, PB, Voskanyan, S., & Seng Tan, Y. (март 2022 г.). “EVAL_IMD700A_FOC_3SH 18 V безчетков DC мотор задвижваща платка.” Бележка за приложението, Infineon Technologies.

2Zheng, L. и Green, PB (януари 2022 г.). “Увеличаване на интеграцията и справяне с EMI предизвикателствата в приложения за задвижване/контрол на двигатели с ниско напрежение.” Техническа статия, Проектиране на енергийни системи.

3Roos, G. (юни 2022 г.). “Програмируемите моторни контролери съчетават MCU и драйвер за порта.” Техническа статия, Електронни продукти.

PEN електронна книга Октомври Корица.

Моля, посетете електронната книга за цялата статия

https://www.powerelectronicsnews.com/pen-october-ebook-1-boosting-power-density-in-battery-supplied-bldc-and-pmsm-motor-control-applications/

Previous articleLeominster designers eye £1m opportunity after new ‘construction’ innovation launched #Engineering #NewConstructionInnovation #TemporarySteelSupports
Next articleMeet the leader in BGA rework at SMTAI – PDR at booth #1256