Budowa i projektowanie sterowników silników elektrycznych

Silniki synchroniczne, a zwłaszcza silniki krokowe i silniki z magnesem stałym, coraz częściej stosuje się do sterowania w systemach, w których wymagana jest nie tylko precyzja, ale też wysoka wydajność i wyjątkowa sprawność energetyczna. Obecna technologia sterowania silnikiem obejmuje zastosowanie mikroprocesorów w celu poprawy kontroli prędkości, położenia i momentu obrotowego, a także zwiększenia sprawności systemu sterowania.

Silniki krokowe to urządzenia elektromechaniczne zdolne do przekształcania impulsów elektrycznych w dyskretne, mechaniczne kroki. Wał takiego silnika obraca się z konkretną liczbą kroków na obrót, gdy do silnika przykładana jest odpowiednia sekwencja impulsów elektrycznych kontrolowanych zarówno pod względem napięcia, jak i kierunku oraz kolejności w czasie. Silniki te są idealnym rozwiązaniem dla aplikacji, w których konieczne jest dokładne kontrolowanie kąta ruchu. Umożliwiają one kontrolę kąta obrotu, prędkości, położenia i synchronizacji. Główną zaletą silników krokowych jest to, że nie wymagają żadnego mechanizmu sprzężenia zwrotnego do poprawnego działania – wielkość przesunięcia kątowego można precyzyjnie określić bez użycia np. enkodera sprzężonego z osią silnika.

Silniki synchroniczne z magnesami stałymi (PMSM) umożliwiają bardzo szybką i precyzyjną kontrolę momentu i prędkości obrotowej, zapewniając optymalną sprawność układu, nawet podczas pracy w stanach nieustalonych. Ich doskonała wydajność wynika z ich bardzo stabilnych obrotów w pełnym zakresie prędkości oraz pełnej kontroli momentu obrotowego już od zerowej prędkości, a także wysokich wartości przyspieszenia i hamowania. Zastosowania silników PMSM są liczne i obejmują urządzenia AGD (pralki, pompy do zmywarek, lodówki i klimatyzatory), urządzenia medyczne (maszyny CPAP i VPAP, pompy infuzyjne, wózki inwalidzkie), pojazdy elektryczne, automaty sprzedażowe, bankomaty, systemy przemysłowe, wentylatory, pompy czy dmuchawy.

Silniki krokowe jednobiegunowe i bipolarne

Silniki krokowe unipolarne składają się z dwóch identycznych cewek, obie z odczepami na środku uzwojenia, które nie są połączone elektrycznie z systemem sterującym. Przepływ jest odwracany poprzez zasilanie końca pary cewek bifilarnych, przy czym odczepy środkowe są używane jako wspólny biegun dla obu cewek. Zalety jednobiegunowych silników krokowych wynikają z zastosowania uzwojenia z odczepem środkowym dla każdej z faz; każda strona uzwojenia jest aktywowana dla każdego kierunku strumienia magnetycznego w silniku. Obwód przełączający jest dzięki temu bardzo prosty, ponieważ urządzenie ma bieguny magnetyczne, które można odwrócić bez zmiany kierunku przepływu prądu. Ponieważ jednak tylko jedna połowa każdej cewki jest w danym momencie namagnesowana, jednobiegunowe silniki krokowe mają zredukowaną siłę magnetyczną względem silników bipolarnych, co w konsekwencji ogranicza dostępną wartość momentu obrotowego takiego silnika.

Bipolarne (dwubiegunowe) silniki krokowe są podobne do silników unipolarnych, ale ich cewki nie mają odczepu środkowego. Sterowanie silnikiem bipolarnym jest nieco bardziej złożone i zwykle wymaga zastosowania mostka H do odwrócenia biegunowości napięcia przykładanego do uzwojeń, a w konsekwencji odwrócenia strumienia magnetycznego. Ponieważ silniki bipolarne używają tylko jednej, większej cewki dla każdego uzwojenia, rezystancja uzwojenia jest niższa i można uzyskać wyższe wartości momentu obrotowego.

Unipolarne silniki krokowe są nadal stosowane w szeregu aplikacji ze względu na prostotę ich obwodu sterowania, który wymaga tylko kilku elementów dyskretnych. Jednak wraz z postępem w zmniejszaniu zarówno rozmiarów, jak i kosztu komponentów elektronicznych, najnowsze aplikacje silników krokowych mają tendencję do stosowania już silników bipolarnych.

Sterowanie dwubiegunowego silnika krokowego

Dwa najczęstsze tryby sterowania silników krokowych to praca z pełnym krokiem i półkrokiem (która jest szczególną odmianą tzw. mikrokroku). W trybie pełnego kroku dwie fazy przebiegów zasilających są zawsze aktywowane jednocześnie, a silnik zawsze dostarcza swój nominalny moment obrotowy. Ten tryb sterowania wymaga tylko czterech sygnałów w postaci fali prostokątnej, które mogą być generowane przez np. moduł PWM zwykłego mikrokontrolera. Cykl pracy PWMa pozostaje stały, a czas trwania jednego okresu jest równy jednemu krokowi. W zależności od różnicy faz przebiegów, wał silnika będzie się obracał w prawo lub w lewo.

Praca z półkrokiem jest bardziej złożona. W przypadku takiego sterowania aktywowana może być tylko jedna faza lub obie fazy, zależnie od momentu w przebiegu. Powoduje to, że silnik przesuwa się nie o krok, a o pół kroku w każdym impulsie zegara. Ten tryb pracy zapewnia wyższą rozdzielczość wartości pozycji. Ponieważ moment podczas takiej pracy nie pozostaje stały w czasie, rozwiązanie to może generować rezonanse i wibracje podczas ruchu silnika.

Innym sposobem sterowania silników krokowych jest napęd z wykorzystaniem falownika. W tym trybie w danym momencie aktywna jest zawsze tyko jedna faza. Projektanci systemów elektronicznych rzadko jednak wybierają ten tryb, ponieważ jest on nieefektywny i generuje małą wartość momentu obrotowego w porównaniu z innymi sposobami sterowania.

Istnieje jeszcze czwarty tryb – wspominany wcześniej mikrokrok. Może on zapewniać bardzo wysoką rozdzielczość, a także zapobiegać oscylacjom momentu obrotowego poprzez stałą regulację prądu płynącego przez uzwojenia silnika. Sterownik mikrokrokowy zwiększa lub zmniejsza prąd płynący przez uzwojenie, regulując go zgodnie z krzywą przebiegu sinusoidalnego, dzięki czemu w żadnym momencie żadne uzwojenie silnika nie jest całkowicie wyłączone lub włączone.

Wszystkie omówione powyżej tryby mogą wykorzystywać standardowe układy logiczne do generowania sygnałów sterujących, ale najczęściej stosowane rozwiązania opierają się na dedykowanych układach scalonych zaprojektowanych specjalnie do sterowania silnikiem krokowym w danym trybie.

Obecnie na rynku dostępny jest szereg układów scalonych, które mogą sterować dwubiegunowymi silnikami krokowymi i wykonywać zaawansowane operacje, takie jak sterowanie w trybie mikrokroku.

Pierwszym przykładem może być układ L9942 firmy STMicroelectronics. Jest on zintegrowanym sterownikiem bipolarnych silników krokowych z mikrokrokiem i programowalną tablicą LUT profilu prądowego. Układ ten zawiera w sobie dwa pełne mostki H dla obciążeń maksymalnie do 1,3 A (RDS(on) kluczy w mostku równy jest 500 mΩ). Można je zaprogramować do pracy w trybie pełnego, pół lub mikrokroku (patrz rysunek 1). Urządzenie można łatwo połączyć z mikrokontrolerem poprzez interfejs SPI lub wykorzystując dyskretne sygnały logiczne. L9942 zawiera w sobie bloki logiczne zaprojektowane do wykrywania m.in. zatrzymania silnika, spowodowanego nadmiernym obciążeniem mechanicznym, w którym prąd obciążenia rośnie znacznie szybciej niż podczas normalnej pracy – opcja ta pozwala (częściowo) zastąpić wykorzystanie krańcówek.

Układy DRV8436 i DRV8437 firmy Texas Instruments są wyposażone w dwa mostki H oparte o tranzystory MOSFET z kanałem typu N, układ do indeksowania mikrokroków oraz zintegrowany pomiar prądu (patrz rysunek 2). DRV8436 / 37 może sterować wyjściami odpowiednio do 1,1 A i do 0,8 A. Wewnętrzna architektura czujników prądu tych sterowników eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznych rezystorów do pomiaru prądu, oszczędzając obszar płytki drukowanej i finalny koszty systemu. Inteligentna technologia dostrajania częstotliwości automatycznie dostosowuje się dla uzyskania optymalnej sprawności regulacji prądu i kompensuje zmiany pracy silnika czy efekty wynikające z jego starzenia. Prosty interfejs STEP / DIR pozwala zewnętrznemu sterownikowi zarządzać kierunkiem i częstotliwością kroków silnika, bez potrzeby sięgania po zaawansowane interfejsy cyfrowe. W układzie tym zapewniono funkcje zabezpieczające przed zbyt niskim napięciem zasilania, awariami pompy ładunku, przetężeniem, zwarciami, rozwarciem obciążenia czy przegrzaniem.

Techniki kontroli PMSM

Aby osiągnąć wysoką sprawność systemu sterowania silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi, stosowane są specjalne algorytmy wektorowe znane jako sterowanie polowo-zorientowane (FOC). Algorytm ten rozkłada prąd stojana na część przeznaczoną do generowania pola magnetycznego i część wykorzystywaną do generowania momentu obrotowego. Zaletą tego podejścia jest to, że po rozkładzie na oba składniki, można je kontrolować niezależnie od siebie.

W silnikach PMSM moment obrotowy jest generowany przez połączone działanie dwóch pól magnetycznych: jednego dla stojana i drugiego dla wirnika. Strumień magnetyczny określa pole magnetyczne działające na stojan, a zatem generowane przez prąd przyłożony do stojana. Pole magnetyczne na wirniku jest reprezentowane przez strumień magnetyczny wytwarzany przez magnesy trwałe i dlatego może być uważany za stały. Siła wytwarzana przez połączone działanie tych dwóch pól magnetycznych (odpowiedzialnych za moment obrotowy silnika) jest maksymalizowana, gdy pola są do siebie prostopadłe. Zatem celem algorytmu jest takie kontrolowanie prądu stojana, aby generował on wektor pola prostopadły do pola magnesów wirnika.

Podczas obrotu osi silnika prąd przyłożony do stojana musi być stale aktualizowany w taki sposób, aby kąt między wektorem związanym ze strumieniem stojana i tym związanym z polem magnesów wirnika był zawsze równy 90°. Klasyczne rozwiązanie tego problemu wykorzystuje algorytm oparty na mikrokontrolerze, który w sposób ciągły dostosowuje zarówno fazę, jak i amplitudę prądu stojana.

Kontrola fazy wymaga znajomości pozycji wirnika, która zwykle mierzona jest przez czujnik położenia bezwzględnego (resolver) lub czujnik położenia względnego (enkoder). W niektórych zastosowaniach alternatywnie stosowane są magnetyczne czujniki położenia oparte na efekcie Halla. Kontrolę amplitudy uzyskuje się za pomocą kontrolerów proporcjonalnych całkowych (PI), które działają na takie zmienne, jak prąd fazowy, położenie i prędkość silnika.

Bezczujnikowe sterowanie PMSM

Skuteczne sterowanie silnikiem PMSM wymaga dokładnych informacji o położeniu wirnika, ale w niektórych aplikacjach użycie zewnętrznego czujnika może wpłynąć negatywnie na m.in. niezawodność i działanie całego systemu. W takich przypadkach zamiast czujnika mechanicznego (który zapewnia bezpośredni pomiar położenia wału silnika) stosuje się metodę pośrednią lub technikę szacunkową do wykrywania położenia. Metody stosowane do oszacowania położenia wirnika różnią się ogromnie w zależności od rodzaju zastosowanego silnika. W przypadku niskich prędkości obrotowych powszechne są mechanizmy takie jak wprowadzanie częstotliwości czy rozruch w otwartej pętli. W przypadku średnich i dużych prędkości często stosowana jest technika pomiaru wstecznego pola elektromagnetycznego (BEMF) w celu wykrycia punktów przejścia przez zero BEMF indukowanego w uzwojeniach silnika.

Rozwiązania do sterowania PMSM

Firma STMicroelectronics oferuje pełną gamę komponentów i płytek ewaluacyjnych do optymalizacji systemów sterowania bezszczotkowych silników DC PMSM (BLDC). Urządzenia te cechują się wysoką wydajnością, zmniejszonym szumem i długą żywotnością, a także umożliwiają szybkie wprowadzenie nowego produktu na rynek przy niskich kosztach. Przykładowo projekt referencyjny EVAL6393FB pokazuje, jak używać dwóch sterowników L6393 do sterowania jednofazowym obciążeniem poprzez topologię pełnego mostka (patrz rysunek 3). Płytka ma zoptymalizowany układ i może być uruchamiana poprzez zastosowanie napięcia magistrali i sygnału kierunkowego. Sterownik ten może zapewnić moc wyjściową do 150 W (50 V przy 3,0 A), ma zmniejszoną powierzchnię na PCB względem rozwiązań dyskretnych i realizuje kontrolę przy wykorzystaniu PWM z zabezpieczeniem nadprądowym za pomocą zewnętrznych sygnałów logicznych.

Zestaw aplikacyjny do sterowania silnikiem - XMC1000 firmy Infineon Technologies - oferuje kompletną platformę sprzętową i programową do oceny i rozwoju bezczujnikowych systemów sterowania PMSM FOC opartych na mikrokontrolerach serii XMC1300 firmy Infineon. Moduł ten nadaje się do zastosowań, takich jak wentylatory, pompy czy rowery elektryczne. Zestaw zawiera płytkę z mikrokontrolerem XMC1300 z odłączanym interfejsem debugowania dla SEGGER J-Link oraz moduł sterowania silnika niskiego napięcia PMSM o mocy 15 W (rysunek 4).

Moduł deweloperski pozwala na testowanie algorytmów sterowania silnikiem, takich jak komutacja bloku z czujnikami efektu Halla, sterowanie V/F i kontrola orientacji pola za pomocą układu XMC1300, w tym także łańcucha narzędzi opartego na IDE DAvE firmy Infineon. PMSM LV15W jest wyposażony w dwa 30-pinowe wyprowadzenia do połączenia go z kartą procesora XMC1300, a także trójfazowy, niskonapięciowy falownik, wykorzystujący podwójne tranzystory mocy OptineMOS z kanałem typu N, scalony sterownik bramki tranzystora (6EDL04N02PR) z wykrywaniem przetężenia i pomiarem prądu za pomocą boczników pojedynczych lub potrójnych oraz wykrywaniem położenia za pomocą czujników Halla lub interfejsu dla enkodera kwadraturowego, zarówno dla sygnałów symetrycznych i asymetrycznych.

Stosowane dziś techniki sterowania silnikami krokowymi obejmują proste sterowniki kontroli napięcia i prądu w silnikach prądu stałego i uniwersalnych, a także zastosowanie falowników do silników prądu przemiennego i wykorzystanie obwodów cyfrowych w złożonych sekwencjach napędowych silnika krokowego. Obwód sterowania takim silnikiem musi szybko aktywować i dezaktywować przepływ prądu w cewkach silnika, przy minimalnych stratach przy przełączaniu lub przy przewodzeniu w kluczach cyfrowych. Układy scalone mogą pomóc zapewnić wymaganą precyzję i sprawność w zastosowaniach przemysłowych.

Źródła:
https://www.eetimes.eu/driver-precision-efficiency-get-a-boost-from-microelectronics/
https://www.eeweb.com/profile/maurizio-di-paolo-emilio/articles/driver-precision-efficiency-get-a-boost-from-microelectronics[/quote]