Pro ovládání BLCD motoru je nutné vyřešit několik problémů týkajících se rychlosti, točivého momentu, měření aktuální zpětné vazby a znát elektrické a elektromagnetické vlastnosti daného motoru. Nejprve se musí vybrat vhodný hardware, kde poběží řídící algoritmy pro plynulou regulaci otáček motoru.

Existují hardwarové a softwarové balíčky, které výrazně zkrátí dobu vývoje řídící části a vývojáři se mohou soustředit na koncovou aplikaci. Není potřeba se příliš nořit do problematiky řízení motoru. Tento článek představí jeden takový balíček od společnosti Texas Instruments, který obsahuje hardware s mikrokontrolérem a vývojové sady se softwarem a příslušný software.

Co je InstaSPIN-FOC a je opravdu tak snadné ho používat?

Díky Texas Instruments InstaSPIN lze bez podrobných znalostí řízení motoru BLCD motor za méně než 60 minut. Pro pouhé rozběhnutí motoru stačí méně než deset minut, ale to se jenom odzkouší, že je motor v pořádku a o řízení motoru nemůže být řeč. Stačí pouze připojit napájení a uzemnění k motoru a poté připojit každou fázi pohonu. V tuto chvíli je vše připraveno z elektrického hlediska. Kromě field-oriented control FOC existují i další kontrolní mechanismy, které nepoužívají senzory nebo enkodéry, jako je „back-EMF zero-crossing timming“.

InstaSPIN však sleduje tok motoru a určuje, kdy má být motor komutován. V grafu lze sledovat tokový signál a můžeme nastavit posuvník „Flux Threshold“, aby určil, na jakou úroveň toku by měl být motor komutován. Optimální komutaci lze ověřit pozorováním průběhů fázového napětí a proudu, které jsou také zobrazeny.

InstaSPIN-FOC má čtyři hlavní části:

• Deska mikrokontroléru
• Deska řadiče motoru
• Grafické uživatelské rozhraní InstaSPIN-FOC (GUI)
• Motor BLDC

Deska mikrokontroléru poskytuje počítačům spouštění algoritmů FOC a řadič motoru se stará o včasné připínání jednotlivých fází. V grafickým uživatelským rozhraním se zobrazují úrovně toku a další parametry. Řadič motoru obsahuje elektrické obvody, které chrání mikrokontrolér před vysokým napětím, provádí měření a také detekuje poruchy motoru.

InstaSPIN-FOC je univerzální grafické uživatelské rozhraní, které je v online galerii společnosti Texas Instruments. Vývojáři mohou GUI spouštět přímo z webového prohlížeče nebo si ho mohou do svého počítače stáhnout a nainstalovat jeho lokální verzi.

Poslední částí je skutečný třífázový BLDC motor s permanentním magnetem. Pojďme podrobně prozkoumat každou z těchto oblastí a prozkoumat potenciální hardwarové řešení, aby se motor BLDC rozběhl a pracoval tak, jak uživatel požaduje.

Drivery a mikrokontroléry pro řízení BLDC motorů

InstaSPIN-FOC a MotorControl SDK knihovny  od Texas Instruments spolu s vývojovými deskami LAUNCHXL-F280049C TMS320F280049C (obrázek 1) a BOOSTXL-DRV8323RS. TMS320F28049C LaunchPad je vývojová deska, která obsahuje zabudovaný debugger XDS110, rozšiřovací hřebínkový konektor a mikrokontrolér Piccolo F280049CPMS TMS320F280049C.

Obrázek 1: LaunchPad TMS320F280049C obsahuje izolovanou debugovací sondu USB XDS110, mikrokontrolér Piccolo F280049C a elektroniku pro napájení (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

TMS320F280049C používá jádro C2000 a obsahuje 256 kB Flash, 100 kB RAM paměť a běží na 100 MHz. TMS320F280049C má v sobě integrovány algoritmy pro řízení motoru FOC od TI, které jsou uloženy v paměti ROM, takže je ušetřen drahocenný kódový prostor.

LaunchPad TMS320F280049C není jediný způsob, jak využít mikrokontrolér TMS320F280049C. K dispozici je řídicí karta TMDSCNCD280049C pro mikrokontrolér TMS320F280049C (obrázek 2). Řídicí karta může být umístěna do dokovací stanice, která poskytuje přístup ke vstupům / výstupům mikrokontroléru.

Obrázek 2: Řídicí karta TMS320F280049C poskytuje funkce řízení motoru a lze použít dokovací stanicí pro přístup k I / O mikrokontroléru. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

DRV8323RS LaunchPad Booster Pack je rozšiřující deska, která je umístěna na horní části TMS320F280049C LaunchPadu a přidává další nutný hardware pro řízení motoru BLDC (obrázek 3).

Obrázek 3. DRV8323RS LaunchPad Booster Pack obsahuje řadič motoru, FET tranzistory a další obvody nutné pro řízení motoru BLDC. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Deska DRV8232RS může být umístěna buď ve slotu 1 nebo 2. Umístění ve slotu 1 se používá v ukázkovém příkladu knihovny MotorControl SDK. BLDC motor lze k desce připojit pomocí tří konektorů. Deska poskytuje napájení pro motoru. Booster pack DRV8232RS LaunchPad poskytuje napájení také desce TMS320F280049C. Deska obsahuje LED diody, které signalizují zapnuté napájení a detekci poruchy.

Srdcem DRV8232RS LaunchPad Booster Pack je ovladač třífázové inteligentní brány DRV8230. Ovladač dokáže snímat proud a má přímé řízení MOSFETů, které jsou dimenzovány pro provoz až do 60 V.

Pomocí STMS320F280049C LaunchPad a DRV8232RS LaunchPad Booster Pack lze řídit širokou škálu BLDC motorů. Do začátku je vhodné použít QBL4208-41-04-006 od Trinamic (obrázek 4). Motor Trinamic se napájí 24 V, točí se rychlostí až 4000 otáček za minutu (RPM) a poskytuje točivý moment 62,5 mNm.

Obrázek 4: Motor Trinamic QBL4208-41-04-006 4000 RPM BLDC je napájen 24 V a vytváří točivý moment 62,5 mNm. (Zdroj obrázku: Trinamic Motion Control GmbH)

Dalším krokem je určit parametry motoru pomocí grafického uživatelského rozhraní InstaSPIN-FOC.

Identifikace parametrů motoru BLDC a spuštění motoru

• Odpor
• Indukčnost
• Proud motorem
• Magnetizační proud

Všechny tyto vlastnosti lze automaticky určit pomocí grafického uživatelského rozhraní InstaSPIN-FOC během několika minut. Grafické rozhraní lze spustit z prohlížeče a ve výchozím nastavení se načte příklad 5 MotorControl SDK, která je navržena pro provoz s deskou TMS320F280049C a DRV8232. Úplné podrobnosti se nacházejí v laboratorní příručce.

V GUI je tlačítko pro spuštění a kliknutím na toto tlačítko stáhnete identifikační kód motoru do LaunchPadu a pokusíte se jej spustit.

Je třeba také zaškrtnout políčko „Run“ a "Enable system". Jakmile je povolen běh, kód začne provádět sekvenci, která je určena k identifikaci motoru. Provedou se nezbytná měření k získání parametrů, která jsou potřebná pro chod motoru. Celý proces identifikace trvá několik minut, během kterých se motor roztočí doleva, doprava a běží několik minut pomalou rychlostí.

Po dokončení tohoto procesu GUI vypadá podobně jako na obrázku 5.

Obrázek 5: InstaSPIN-FOC GUI krátce poté, co byl identifikován BLCD motor. (Zdroj obrázku: Jacob Beningo)

Všimněte si na obrázku 5, že v pravém horním rohu grafického uživatelského rozhraní je několik hodnot. To jsou parametry motoru, které by měly být zaznamenány, aby mohly být použity později k řízení motoru. Na levé straně si také všimnete, že indikátor „Identifikace motoru“ se změnil ze šedé na zelenou. V tomto okamžiku můžeme nyní ovládat otáčky motoru přímo přes GUI.

Otáčky motoru se ovládají jednoduše změnou frekvence v políčku speedRef (Hz). Je mít na paměti, že zrychlení motoru prostřednictvím tohoto referenčního ovládání je velmi rychlé. Na druhé straně zpomalení vyžaduje postupné zadávání nižších a nižších hodnot.

Tipy a triky pro použití motoru BLDC s InstaSPIN-FOC TI

Níže uvádíme několik doporučených postupů, které se musí zvážit při práci s TI InstaSPIN-FOC a motory BLDC:

• Vyberte mikrokontrolér, který má zabudované algoritmy pro řízení motoru ve vnitřní Flash paměti. Tím dochází ke zlepšení výkonu při jejich provádění.
• Na launchpadu F280049C použijte slot 1 jako výchozí pro DRV8323RS Launchpad Booster. Používání slotu 2 bude vyžadovat aktualizaci softwaru.
• Najděte si čas pro projití všech 13 příkladů, které jsou součástí TI MotorControl SDK. Tyto příklady pokrývají vše: od určení parametrů motoru až po ovládání otáček a točivého momentu.
• Použijte příklad 5 k nalezení parametrů motoru. Pokud používáte MOTOR_TYPE_PM, ujistěte se, že také přidáte následující definici, abyste úspěšně zkompilovali příklad a pak použijte hodnotu: 

define #define USER_MOTOR_INERTIA_Kgm2 (7.06154e-06)

Závěr

Řízení otáček či točivého momentu BLDC motoru je složitý problém, který může zpomalit vývoj projektu. Je možné použít software InstaSPIN a MotorControl SDK a přidružený hardware a tak rychle a snadno uvést motor BLDC do provozu.

Článek vyšel v originále "Get a BLDC Motor Up and Running in Under an Hour with a Hardware-Software Combo"  na webu DigiKey.com, autorem je Jacob Beningo