Řídící jednotky mohou být menší tím, že se použije nová generace vysoce integrovaných výkonových zesilovačů (gate driverů), což je nejdůležitější prvek řídicího systému motoru. Pokud elektroniku pro řízení motoru stlačíme do malých rozměrů, bude docházet k tepelným problémům a samozřejmě k problémům s elektromagnetickým rušením (EMI).
Návrh lepších elektromotorů
Digitálně řízený motor BLDC je populární, protože použivá elektronickou komutaci, která poskytuje vyšší účinnost než běžné motory stejnosměrného proudu (motory s komutovanými kartáči). Dosahují o 20% až 30% větší účinnosti než motory pracující se stejnou rychlostí a zatížením. Tím motory BLCD mohou být menší, lehčí a tišší. Další výhody motorů BLDC je vyšší rychlost v závislosti na točivém momentu, dynamičtější odezva, bezhlučný provoz a vyšší rozsahy otáček. Motory pracují při vyšších napětích a frekvencích, a tak pracuje stejně jako větší konvenční motor.
Klíčem k úspěchu motoru BLDC je elektronický spínaný zdroj napájení a řídicí obvody motoru, které pomocí třífázového napětí produkuje rotující magnetické pole, které roztáčí rotor motoru. Vzhledem k tomu, že se magnetické pole a rotor otáčejí stejnou frekvencí, je motor označován jako "synchronní". Snímače na principu Hallovyho efektu přenášejí relativní polohy statoru a rotoru tak, že regulátor je schopen přepínat magnetické pole ve správném okamžiku. K dispozici jsou také "bezsenzorové" technologie, které monitorují zpětnou elektromotorickou sílu (EMF) pro stanovení polohy statoru a rotoru.
Nejběžnější konfigurace pro postupné přivádění proudu k třífázovému motoru BLDC obsahuje tři páry výkonových MOSFET tranzistorů uspořádaných do můstku. Každý pár působí jako střídač, který převádí stejnosměrné napětí z napájecího zdroje do střídavého napětí potřebného k pohonu vinutí motoru (obr. 1). U vysokonapěťových aplikací se typicky používají izolační bipolární tranzistory IGBT místo MOSFET.
Obrázek 1: Digitální třífázové ovládání motoru BLDC typicky používá tři páry MOSFET tranzistorů, kde každý pár poskytuje střídavé napětí pro jedno vinutí motoru. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Pár tranzistorů se skládá z dolního tranzistoru (Source připojený k zemi) a horního tranzistoru (Source je plovoucí mezi zemí a vysokým napětím). V typickém uspořádání jsou brány(Gate) MOSFET řízeny pomocí pulzně šířkové modulace (PWM), která efektivně převádí vstupní DC napětí na modulované řídící napětí. Měla by být použita frekvence PWM nejméně o řád vyšší než předpokládaná maximální rychlost otáčení motoru. Každá dvojice MOSFET tranzistorů řídí magnetické pole pro jednu fázi motoru. Další informace o ovládání BLDC naleznete v článku "Jak napájet a řídit střídavé DC motory - How to Power and Control Brushless DC Motors."
Řídící systém elektromotoru
Kompletní řídicí systém motoru obsahuje napájecí zdroj, hostitelský mikrokontrolér, budiče pro brány(Gate) a MOSFET v polovičním můstku (obr. 2). Mikrokontrolér nastavuje pracovní cyklus PWM a stará se o ovládání s otevřenou smyčkou. V konstrukcích s nízkým napětím jsou budiče a MOSFET můstek někdy integrovány do jednoho pouzdra. Pro jednotky s vysokým výkonem jsou však budiče a MOSFET můstek odděleny. Tím lépe se provádí chlazení a umožní to použití různých technologií pro budiče a můstek. Toto rozdělení má také pozitivní vliv na elektromagnetickou kompatibilitu EMI.
Obrázek 2: Schéma ovládání elektrického motoru BLDC založené na mikrokontroléru TI MSP 430. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
MOSFET můstek může být tvořen buď diskrétními součástkami nebo integrovanými čipy. Klíčovou výhodou dolního a horního MOSFET tranzistoru v jednom pouzdře je to, že umožňuje přirozené tepelné vyrovnání mezi vrchní a spodní části MOSFETu, a to i v případě, že MOSFETy mají odlišný výkon. Ač se jedná o integrovaný nebo diskrétní řešení, každý pár tranzistorů vyžaduje nezávislý budič pro ovládání spínání a proudu měniče.
Je také možné navrhnout obvody budiče pomocí diskrétních součástek. Výhodou tohoto řešení je to, že umožňuje přesně vyladit driver tak, aby odpovídal charakteristikám MOSFETu a optimalizoval výkon. Nevýhody jsou požadavky na vysokou úroveň zkušeností s konstrukcí motoru a prostor potřebný pro součástky diskrétního řešení. Modulární řešení řízení motoru nabízí alternativu a na trhu je široká škála integrovaných driverů(budičů).
Výhody modulárního řešení driverů:
- Vysoká úroveň integrace, která minimalizuje prostor v zařízení
- Vysoký proud měniče vede ke snížení ztrát při přepínání a ke zvýšení účinnosti
- Vysoké napětí měniče MOSFET zajišťuje minimální vnitřní odpor ("RDS (ON)")
- Vysoká úroveň ochrany proti nadproudu, přepětí a přehřátí umožňující spolehlivý provoz systému v nejhorších případech
Integrovaný třífázový driver DRV8323x od Texas Instruments snižuje množství okolních komponent, náklady a složitost systému a současně splňuje požadavky pro řízení BLCD motorů.
Řada DRV8323x je dodávána ve třech variantách. Každá obsahuje tři nezávislé drivery, které jsou schopné řídit dolní a horní MOSFET tranzistor. Drivery obsahují nábojovou pumpu pro generování vysokého hradlového napětí (podpora 100% střídy PWM – dosažení maximálního výkonu) pro horní tranzistory a lineární regulátor pro napájení dolních tranzistorů.
Drivery od Texas Instruments obsahují citlivé zesilovače, které mohou být nakonfigurovány tak, aby v případě potřeby zvyšovaly napětí dolních MOSFET tranzistorů. Mohou je napájet až 1 ampérem a zvládnou až 2 ampérový špičkový hradlový proud. Pracují z jednoho napájecího zdroje s širokým rozsahem vstupního napájení (6V do 60V).
Verze DRV8323R má v sobě integrovány tři obousměrné zesilovače proudu a pro sledování úrovně proudu přes každý MOSFET můstek shunt odpor. Nastavení zesílení zesilovače lze provést pomocí SPI nebo hardwarového rozhraní. Mikroprocesor je připojen k EN_GATE pinu DRV8323R, aby mohl zapnout nebo vypnout výstupy driveru. Zařízení DRV8323R také obsahuje 600 mA regulátor buzení, který lze použít k napájení externího kontroléru (obr. 3).
Obrázek 3: Vysoce výkonný driver DRI8323R od TI, snižuje počet komponent, snižuje náklady a složitost a šetří místo. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Drivery zahrnují širokou škálu ochranných prvků, včetně podpěťového blokování napájecího zdroje, blokování podpětí nábojové pumpy, nadproudového monitorování, detekce zkratu na gate tranzistoru a vypnutí při nadměrné teplotě. Každý DRV832x je v pouzdře, který měří pouze 5 x 5 až 7 x 7 mm. To ušetří prostor, který by jinak vyžadoval více než 24 diskrétních komponent.
Návrh s integrovanými drivery
TI nabízí referenční návrh s TIDA-01485. Jedná se o integrovaný výkonový stupeň s účinností 99% a výkonem 1 kW pro třífázový 36voltový BLCD motor. Je vhodný pro elektrické nářadí, které pracují z 10-článkové Li-ion baterie. Referenční návrh ukazuje, jak použití driveru DRV8323R, šetří prostor v konstrukci řízení motoru. Tvoří základ nejmenší řídicí jednotky na této výkonové úrovni.
Referenční návrh implementuje řízení založené na senzorech. (Viz článek knihovny "Proč a jak sinusově řídit trojfázový střídavý stejnosměrný motor" - Why and How to Sinusoidally Control Three-Phase Brushless DC Motor).
Hlavní prvky referenčního návrhu jsou mikrokontrolér MSP430F5132, driver DRV8323R a tři 60 voltové výkonové bloky MOSFET CSD88599 v zapojení jako poloviční můstek (obr. 4).
Obrázek 4: TIDA-01485 je referenční návrh výkonového stupně s výkonem 1 kW pro třífázový, 36voltový motor BLDC, který lze napájet deseti-článkovou Li-ion baterií. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Driver je sice vysoce integrované modulární řešení, které eliminuje mnohé složitosti diskrétního řešení, ale stále je zapotřebí mnoho zkušeností, aby se vytvořil plně funkční systém řízení. Referenční návrh slouží k tomu, abychom si vyzkoušely prototyp a snadněji navrhli komplexní řešení.
Například driver potřebuje pro správné fungování několik blokovacích kondenzátorů. Na referenční konstrukci je použit blokovací kondenzátor o velikosti 1 μF - C13 na napájecí napětí dolního MOSFETu (DVDD) z lineárního regulátoru napětí DRV8323R (obrázek 5). Tento kondenzátor musí být umístěn co nejblíže driveru, aby se minimalizovala impedance smyčky. Druhý blokovací kondenzátor s hodnotou 4,7 μF (C10) je připojen na vstupní napájení PVDD z 36 voltové baterie.
Obrázek 5: Aplikační zapojení driveru DRV8323R. Délky cest by měly být minimalizovány, aby se omezilo EMI. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Dioda D6 pomáhá izolovat napájecí zdroj v případě, že se napětí baterie sníží. Tato dioda je důležitá, protože její přítomnost umožňuje PVDD blokovacímu kondenzátoru (C10) udržovat vstupní napětí konstantní. Konstantní napětí zabraňuje driveru přechodu do nežádoucího stavu tzv. „podpěťový zámek - undervolatage lockout“. Kondenzátory C11 a C12 jsou klíčovými součástkami, jelikož umožňují provoz nábojové pumpy. Měli by být umístěny co nejblíže driveru.
Lze obecně doporučit, aby délky smyčky pro drivery horního a dolního tranzistoru byli co nejmenší, aby se snížila EMI. Smyčka horního tranzistoru začíná u pinu GH_X DRV8323 do napájecího MOSFETu a vrátí se přes SH_X. Smyčka dolního tranzistoru začíná GL_X DRV8323 do napájecího MOSFETu a vrací se přes GND.
Důležitost časování spínání
Volba typu tranzistoru MOSFET je klíčem k výkonu a účinnosti motoru BLDC. Protože žádné dvě rodiny tranzistorů MOSFET nejsou přesně stejné, volba bude záviset na požadavcích na spínacím času. I mírně špatné časování může způsobit problémy jako je výrazný pokles účinnosti, zvýšené EMI nebo dokonce selhání motoru.
Například nesprávné časování způsobí to, že jak horní, tak dolní tranzistor se zapnou současně, což vede ke katastrofickému zkratu. Jiné problémy s časováním způsobují přechodové stavy vyvolané parazitní kapacitou, které mohou poškodit MOSFET tranzistor.
Texas Instruments označuje svůj DRV8323 driver jako "inteligentní", protože poskytujei kontrolu nad časováním a zpětnou vazbou, aby se problémy uvedené výše odstranily. Driver obsahuje interní stavový automat, který chrání před zkratem.
Driver DRV8323 obsahuje také nastavitelnou topologii push-pull pro horní a dolní tranzistory, což zabrání problémům s rozptýlenými kapacitami. Drivery umožňují změnu proudu (IDRIVE) a čas (tDRIVE) pro jemné doladění celého systému (obr. 6).
Obr. 6: Napěťové a proudové signály VGHx a VGLx v jednom můstku MOSFET pro třífázový motor BLDC. IDRIVE a tDRIVE jsou důležité pro správný chod a účinnost motoru; IHOLD se používá k udržení brány(gate) v požadovaném stavu a ISTRONG brání tomu, aby Gate-to-Source kapacita tranzistoru na dolním tranzistoru vyvolalo nechtěné zapnutí. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
IDRIVE a tDRIVE by měly být hned na začátku návrhu vybrány na základě charakteristik externího MOSFETu, jako je například gate-to-drain charge a požadovaného času náběžné nebo sestupné hrany. Pokud je IDRIVE příliš malý, náběžná a sestupná hrana MOSFETu bude delší, což způsobí vysoké ztráty během spínání. Doba náběžné as sestupné hrany také určuje (do určité míry) energii a dobu trvání zotavení diody MOSFETu a to může negativně ovlivnit účinnost.
Při změně stavu driveru IDRIVE působí na dobu trvání tDRIVE. Ta musí být dostatečně dlouhá pro úplné nabití nebo vybití vstupních kapacit. Zásadním pravidlem je zvolit tDRIVE tak, aby byl přibližně dvakrát tak dlouhý jako časy náběžné nebo sestupné spínací hrany tranzistoru MOSFET. Po uplynutí doby trvání tDRIVE se používá pevný přidržovací proud IHOLD pro udržení brány(gate v požadovaném stavu. Pokud je horní tranzistor tlačen do plného otevření, dolní MOSFET je tlačen do úplného uzavření, aby se zabránilo tomu, že vstupní a výstupní kapacita tranzistoru způsobí zapnutí. Pevná doba trvání tDRIVE zajišťuje, že při poruchách, jako je zkrat v bráně (gate) MOSFETu. Tím se omezuje přenášená energie a zabraňuje se poškození pinů tranzistoru.
Závěr
Modulární pohony motoru šetří prostor tím, že nepotřebují desítky diskrétních komponent. Přináší výhody nové generace kompaktních, digitálně řízených motorů BLDC s velkým výkonem. Tyto "inteligentní" drivery obsahují technologie, které usnadňují obtížný vývoj. Dále umožňuje nastavení časování a zároveň snižují účinky parazitních kapacit a snižují EMI. Přesto je stále zapotřebí detailně se věnovat výběru napájecího obvodu a blokovacích kondenzátorů. Jak je vidět, hlavní distributoři driverů poskytují referenční návrhy, na kterých mohou vývojáři založit své prototypy.
Článek vyšel v originále "https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2018/dec/save-space-in-motor-control-designs-highly-integrated-gate-drivers" na webu DigiKey.com,
