Jste zde

Efektivní řízení motoru pomocí FOC a pokročilých senzorů

Jeff Shepard, Digi-Key, 8. Březen 2022 - 7:59

Elektrická energie v elektromobilu neslouží jen pro pohon hlavního motoru, ale také pro další motory, které jsou nedílnou součástí vozidla. Mezi podpůrné systémy patří motory pro dveře, okna, ventilátory chladičů a čerpadla. Efektivní řízení přídavných motorů dokáže ušetřenou energii přesunout do hlavního motoru, a tím zvýšit dojezd.

Pro efektivní řízení motoru se používá tzv. řízení orientované na pole čili FOC. Tím se sníží spotřeba elektrické energie, ale také hluk a zároveň se zajistí plynulé řízení. Návrh systému musí splnit také požadavky na funkční bezpečnost ISO 26262 a normy pro kvalitu AEC-Q100. Článek představí použití integrovaného řízení FOC pro BLDC motory. Nedílnou součástí návrhu jsou různé senzory pro monitoring proudu, 3D polohy, rychlosti a směru od Allegro MicroSystems .

Náklady, bezpečnost a dojezd

Bezpečnost a spolehlivost je zajištěna díky pokročilým senzorům, které splňují standard ADAS definovaný v ISO 26262. Kvůli nákladům a většímu dojezdu je pro napájení zvolena vyšší hodnota napětí, a to až 800 V. Díky tomu se dosáhne vyšší účinnosti a nižší hmotnosti kabeláže. Vylepšené řízení tepelného komfortu baterie přispělo k většímu dojezdu a delší životnosti baterie. Efektivní chlazení trakčních invertorů pomáhá také zvýšit hustotu energie uložené v baterii.

BLDC motory, které jsou součástí chladicích ventilátorů musí být přesně řízeny, aby byly co nejúčinnější. K dosažení tohoto cíle je vhodné použít pokročilé algoritmy řízení motoru jako je FOC. Efektivní implementace řízení FOC lze provést pomocí integrovaných obvodů, které přináší i další užitečné funkce.

Efektivní a výkonné chlazení

Řízení pomocí FOC umožňuje plynulý provoz motoru v celém rozsahu otáček a dokáže rozběhnout motor s plným točivým momentem. Kromě toho FOC zajistí rychlé a plynulé zrychlení a zpomalení motoru. Tato funkce je užitečná pro přesné ovládání motorů s velkým výkonem. FOC lze použít pro řízení nízkonapěťových 50 V DC driverů pro řadu výkonných BLDC motorů až do 500 W. Tyto motory se obvykle používají v chladicích ventilátorech vysokonapěťových bateriích, v dmychadlech topení, HVAC systémech a kapalinových čerpadlech pro chlazení trakčních střídačů (obrázek 1).

Obrázek 1: Řídicí jednotky FOC mohou využívat napájení z NN baterie k chlazení baterií a trakčních střídačů. (Zdroj obrázku: Allegro MicroSystems)

FOC řízení je možné realizovat s nebo bez externích senzorů. FOC využívající externí senzory se též nazývají přímé a většinou mají složité zapojení a vykazují sníženou dynamickou odezvou. Zvýšit výkonnost FOC řízení a zároveň docílit snížení nákladů lze tím, že se odstraní externí senzory. Informace z chybějících senzorů jsou k řízení stále potřebné a tak je lze získat z napětí a proudů na svorkách motoru díky zpětné elektromotorické síly (BEMF - back electromotive force) ve vinutí motoru.

Bezsenzorové FOC je hardwarově jednodušší, ale řídící software je složitější. Bezsenzorový algoritmus FOC poskytuje vysokou účinnost a dynamickou odezvu, zároveň dochází ke snížení hluku a navíc poskytuje robustní spouštění s otevřenou smyčkou v momentě, kdy je motor v klidu a nejsou k dispozici žádné informace o BEMF.

Easy FOC pro automobilové chladicí ventilátory a čerpadla

Většina FOC BLDC driverů vyžaduje řídící algoritmus v mikroprocesoru. A89307KETSR-J od Allegro MicroSystems má bezsenzorový algoritmus FOC integrován přímo, a pouze stačí připojit pouze pět externích pasivních součástek (čtyři kondenzátory a jeden odpor). Díky tomu A89307KETSR-J zjednodušuje celkové zapojení a zvyšuje spolehlivost celého systému (obrázek 2).

Obrázek 2: Typické zapojení chladicího ventilátoru baterie, kde A89307KETSR-J xEV potřebuje jen pět externích součástek - čtyři kondenzátory a jeden odpor. (Zdroj obrázku: Allegro MicroSystems)

Driver A89307KETSR-J funguje od 5,5 do 50 V DC. Integrovaný algoritmus FOC nabízí několik provozních režimů, mezi které patří konstantní točivý moment, konstantní výkon, režim s otevřenou smyčkou a konstantní rychlost. A89307KETSR-J obsahuje vstupy pro pulzně šířkovou modulaci (PWM), pro řízení rychlosti, brzdění a směr otáček a výstupní signály pro alarm signalizující poruchu a aktuální hodnotu otáček motoru (obrázek 3).

Obrázek 3: Vnitřní blokové schéma A89307KETSR-J, kde je vidět driver FOC (uprostřed), PWM nebo režim řízení rychlosti (SPD), brzdy (BRAKE), směru (DIR) (vlevo) a poruchu (FAULT ) a výstupy rychlosti motoru (FG) (rovněž vlevo). (Obrázek: Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J je optimalizován pro řízení externích N-kanálových výkonových MOSFETů s nízkým odporem. Může dodávat velké špičkové budicí proudy potřebné k rychlému „zapnutí“ a „vypnutí“ MOSFETů, aby se minimalizovaly ztráty energie během přepínání. Zároveň se zvýšila účinnost a optimalizoval se tepelný management. K dispozici je více úrovní driveru, a to umožňuje zvolit kompromis mezi emisemi elektromagnetického rušení (EMI) a účinností. Rychlé zapínání MOSFETů snižuje ztráty při přepínání, ale zvyšují se emise EMI, zatímco pomalejší zapínání MOSFETů snižuje EMI.

Otáčky motoru lze ovládat pomocí PWM, analogového vstupu nebo vstupu CLOCK. Volitelná je regulace rychlosti v uzavřené smyčce s programovatelným poměrem otáček za minutu (RPM) k hodinové frekvenci. Bezsenzorové řízení zahrnuje detekci a synchronizaci předtočení vpřed a vzad, a to umožňuje driveru A89307KETSR-J pracovat v širokém rozsahu konfigurací motoru a zátěže.

Algoritmus Non-Reverse Startup zvyšuje výkon při spouštění. Motor se po zapnutí spustí ve správném směru bez vibrací nebo chvění. Funkce Soft-On-Soft-Off postupně zvyšuje proud do motoru po obdržení příkazu „on“ a postupně snižuje proud motoru po příkazu „off“. Tím se výrazně snižuje hluk (obrázek 4 ).

Obrázek 4: Průběhy proudu A89307KETSR-J pro soft on (nahoře) a soft off (dole) mají za následek hladký chod motoru a snížený hluk. (Zdroj obrázku: Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J obsahuje rozhraní I2C pro nastavení jmenovitého proudu, napětí, rychlosti, odporu a profilu spouštění. Pomocí I2C lze také posílat příkazy on/off, příkazy pro řízení rychlosti, vyčítat poruchové signály a také vyčíst aktuální rychlost motoru.

Vývojová deska pro bezsenzorové řízení FOC

K dispozici je vývojová deska APEK89307KET-01-T-DK a k němu související software (obrázek 5). Tato deska obsahuje A89307KETSR-J s přístupem ke všem vstupním a výstupním pinům a dále nabízí kompletní třífázový výkonový stupeň pro BLDC motor. Parametry řízení a vlastnostech motoru lze provést pomocí jednoduchého grafického uživatelského rozhraní a nahrát je do EEPROM paměti. A89307KETSR-J má minimální požadavky na množství součástek, a tak se celé řízení vejde do krytu motoru.

Obrázek 5: Vývojová deska APEK89307KET-01-T-DK eval obsahuje A89307KETSR-J (U1, levá strana desky ve středu a šest výkonových MOSFETů (pravá strana) pro BLDC motor. (Zdroj obrázku: Allegro MicroSystems)

Senzory pro ADAS systémy

Snímání proudu: ACS72981KLRATR-150B3 poskytuje přesné snímání střídavého nebo stejnosměrného proudu. Tento vysoce přesný lineární proudový snímač na principu Hallova jevu má šířku pásma 250 kHz a používá se jako zpětná vazba při řízení motoru, řízení měniče DC-DC a pro detekci zátěže. Jedná se o integrovaný obvod, který splňuje standard AEC-Q100 a vyznačuje se tím, že má dobu odezvy menší než 2 µs. Tato vlastnost se využívá pro rychlou detekci nadproudu čili jako bezpečnostní funkce.

3D snímání polohy: 3D snímač A31315LOLATR-XY-S-SE-10 od Allegro MicroSystems je integrovaný obvod pro bezkontaktní lineární a rotační 3D magnetické snímání polohy. Využívá se pro detekci polohy škrticí klapky, ventilu, válce a převodovky. Tento senzor je schopen měřit rotační pohyb v horizontální a vertikální rovině a lineární pohyb ze strany na stranu nebo zepředu dozadu (obrázek 6).

Obrázek 6: 3D snímač polohy A31315LOLATR-XY-S-SE-10 může měřit rotační pohyb v horizontální a vertikální rovině, lineární pohyb ze strany na stranu nebo zepředu dozadu. (Zdroj obrázku: Allegro MicroSystems)

Snímač A31315LOLATR-XY-S-SE-10 poskytuje naměřená data pomocí analogového výstupu, PWM nebo SAE J2716 (SENT- single edge nibble přenosu). Snímač splňuje standard ISO 26262 ASIL B (jednoduchá matrice, v balení SOIC-8) a ASIL D (redundantní duální matrice, v balení TSSOP-14).

Rychlost a směr:  ATS19520LSNBTN-RSWHPYU je odolný vůči vibracím. Používá se jako snímač rychlosti a směru převodovky (obrázek 7).

Obrázek 7: Varianta „F“ ATS19520 měří rotaci vpřed, když zub ozubeného kola přechází z pinu 1 na pin 3 (nahoře) a zpětné otáčení, když zub ozubeného kola přechází z pinu 3 na pin 1 (dole). Varianta „R“ měří rotaci v opačných směrech. (Zdroj obrázku: Allegro MicroSystems)

Senzor, který vyhojuje ISO 26262 ASIL B má integrovanou diagnostiku a je vhodný pro použití přímo v elektropohonech. Pouzdro SIP se třemi piny obsahuje magnet pro měření rychlosti a směr rotujících železných dílů a integrovaný kondenzátor je tam pro zajištění elektromagnetické kompatibility.

Závěr

Elektrická vozidla obsahují mnoho přídavných motorů pro zvýšení bezpečnosti a komfortu posádky. Pro efektivní, účinné a přesné řízení je vhodné používat bezsenzorové FOC řízení. Pro získání přesné polohy rotoru, převodovky, otáček a úroveň proudu se používají speciální integrované senzory. Kompaktní, přesné a energeticky účinné senzory splňují požadavky pokročilých asistenčních systémů řidiče (ADAS) a požadavky na funkční bezpečnost podle normy ISO 26262.

Další informace

 

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.

Hodnocení článku: