השתמשו בבקרת וקטור ללא-חיישנים עם מנועי BLDC ו- PMS‏ כדי לספק בקרת תנועה מדויקת

הצורך בבקרת תנועה מדויקת הולך וגדל ביישומים רבים כמו רובוטיקה, רחפנים, התקנים רפואיים ומערכות תעשייתיות. מנועי DC ללא-מברשות (BLDC) ומנועי AC‏ סינכרוניים עם מגנט קבוע (PMSM‏) יכולים לספק את הדיוק הנדרש בעוד הם עונים לצורך עבור נצילות גבוהה וגורם צורה קומפקטי. עם זאת, בניגוד למנועי DC עם-מברשות ומנועי אינדוקציה AC, שקל לחבר ולהפעיל אותם, מנועי BLDC‏ ו- PMSM הם מורכבים הרבה יותר.

לדוגמה, טכניקות כגון בקרת וקטור ללא-חיישנים (המכונה גם בקרה מוכוונת-שדה, או FOC), בפרט, מציעות נצילות מצוינת ביחד עם היתרון שבחיסכון של חומרת החיישן, ובכך הפחתת העלויות ושיפור האמינות. הבעיה עבור המתכננים היא שבקרת וקטור ללא-חיישנים היא מסובכת למימוש, ולכן השימוש בה יכול להאריך את זמני הפיתוח, להוסיף עלויות וייתכן גם להביא להחמצת חלונות-הזמן ליציאה לשוק.

כדי לפתור דילמה זו, המתכננים יכולים לפנות לפלטפורמות פיתוח ולוחות הערכה שבהן תוכנת בקרת וקטור ללא-חיישנים כבר אפויה היטב בתוכן, ומאפשרות למתכננים להתמקד בסוגיות תכנון המערכת ולא להיתקע בניואנסים של קידוד תוכנת הבקרה. בנוסף, סביבות פיתוח אלה כוללות את כל חומרת בקר המנוע וניהול הספקת-הכוח המשולבים בתוך מערכת שלמה, מה שמזרז את זמן היציאה לשוק.

מאמר זה מתאר בקצרה כמה מהצרכים עבור בקרת תנועה מדויקת וסוקר את ההבדלים בין מנועי DC עם-מברשות, אינדוקציה AC‏, BLDC ו- PMSM. לאחר מכן הוא מסכם את יסודות בקרת וקטור לפני הצגת מספר פלטפורמות ולוחות הערכה מבית Texas Instruments‏, Infineon Technologies‏ ו- Renesas Electronics‏, לצד הנחיות תכנון המקלות על פיתוח מערכות בקרת תנועה מדויקות.

דוגמאות של יישומי בקרת תנועה מדויקת

רחפנים הם מערכות בקרת תנועה מורכבות ובדרך כלל משתמשים בארבעה מנועים או יותר. בקרת תנועה מדויקת ומתואמת היא הכרחית כדל לאפשר לרחפן לרחף, לעלות או לרדת (איור 1‏).

איור 1: רחפנים משתמשים בדרך כלל בארבעה מנועים או יותר, בדרך כלל BLDC או PMSM, המסתובבים ב- 12,000 סיבובים לדקה (RPM‏) ומעלה, ונדחפים על ידי בקר מהירות אלקטרוני (ESC‏). דוגמה זו מציגה מודול ESC ברחפן המשתמש במנוע ללא-מברשות עם בקרה ללא-חיישנים. (מקור תמונה: Texas Instruments)

עבור ריחוף, הדחף נטו של הרוטורים המספקים לרחפנים את כוח העילוי חייב להיות מאוזן ושווה בדיוק לכוח הכבידה שמושך אותו כלפי מטה. על ידי הגדלת הדחף (המהירות) של הרוטורים במידה שווה, הרחפן יכול לטפס ישר למעלה. ולהיפך, הקטנת דחף הרוטור גורמת לרחפן לרדת. בנוסף יש את הסבסוב (סיבוב הרחפן סביב עצמו), עלרוד (הטסת הרחפן קדימה או אחורה) וגלגול (הטסת הרחפן שמאלה או ימינה).

תנועה מדויקת וחוזרת ונשנית היא אחד המאפיינים של יישומי רובוטיקה רבים. רובוט תעשייתי רב-צירי נייח צריך לספק כמויות כוח שונות בשלושת הצירים על מנת להניע אובייקטים במשקל שונה (איור 2). המנועים בתוך הרובוט מספקים מהירות ומומנט משתנים (כוח סיבובי) בנקודות מדויקות, שבהן משתמש הרובוט כדי לתאם תנועה לאורך צירים שונים עבור מהירות ומיקום מדויקים.

איור 2‏: רובוט תעשייתי רב-צירי נייח צריך לספק כמויות כוח שונות בשלושת הצירים על מנת להניע אובייקטים במשקל שונה ולתאם את פעולותיו עם רובוטים אחרים בקו הייצור. (מקור תמונה: Texas Instruments)

במקרה של רובוטים ניידים על גלגלים, ניתן להשתמש במערכת הנעה דיפרנציאלית מדויקת לבקרת הן המהירות והן כיוון התנועה. שני מנועים משמשים לספק תנועה ביחד עם גלגל (Caster) אחד או שניים לאיזון העומס. שני המנועים מונעים במהירויות שונות כדי להשיג סיבוב ושינויי כיוון, בעוד שמהירות זהה עבור שני המנועים גורמת לתנועה ישרה, קדימה או אחורה. בעוד שבקרי המנועים הם אמנם מורכבים יותר בהשוואה למערכת היגוי קונבנציונאלית, גישה זו מדויקת יותר, פשוטה יותר מכנית, ולכן אמינה יותר.

בחירת סוג המנועים

מנועי DC בסיסיים ומנועי אינדוקציה AC הם יחסית לא-יקרים ופשוטים לדחיפה. הם בשימוש נרחב במגוון רחב של יישומים, החל משואבי אבק ועד למכונות תעשייתיות, מנופים ומעליות. עם זאת, למרות שהם לא-יקרים וקלים לדחיפה, הם אינם יכולים לספק את הפעולה המדויקת הנדרשת ביישומים כגון רובוטיקה, רחפנים, התקנים רפואיים וציוד תעשייתי מדויק.

מנוע DC פשוט עם-מברשות מייצר מומנט על ידי מיתוג מכני של כיוון הזרם בתיאום עם הסיבוב באמצעות קומוטטור ומברשות. החסרונות של מנועי DC עם-מברשות כוללים את הצורך בתחזוקה עקב שחיקת המברשות ויצירת רעש חשמלי ומכני. דוחף אפנון רוחב-פולס (PWM) יכול לשמש לבקרת מהירות הסיבוב, אך בקרה מדויקת ונצילות גבוהה הם קשים להשגה עקב האופי המכני האינהרנטי של מנועי DC עם-מברשות.

מנוע BLDC חוסך את הקומוטטור והמברשות של מנועי DC עם-מברשות, ובהתאם לליפופי הסטטור הוא יכול להיות גם מנוע PMSM‏. סלילי הסטטור מלופפים טרפזואידאלית במנוע BLDC, והכוח האלקטרו-מניע האחורי (EMF) המיוצר הוא בצורת גל טרפזואידאלי, ואילו סלילי הסטטור במנוע PMSM מלופפים סינוסואידאלית ומייצרים EMF הפוך סינוסואידאלי (_bemf‏E‏) (איור 3).

איור 3: מנוע PMSM מייצר _bemf‏E סינוסואידאלי, ואילו BLDC מייצר גל _bemf‏E טרפזואידאלי. (מקור תמונה: Texas Instruments)

המומנט במנועי BLDC ו- PMSM הוא פונקציה של הזרם וה- EMF האחורי. מנועי BLDC נדחפים עם זרם גל ריבועי ואילו מנועי PMSM נדחפים עם זרם סינוסואידאלי.

מאפייני מנועי BLDC‏:

• קל יותר לבקרה עם זרמי DC גל ריבועי עם שישה-צעדים
• מייצר אדוות מומנט משמעותית
• העלות והביצועים נמוכים יותר מאשר PMSM
• ניתן למימוש באמצעות חיישני אפקט Hall או עם בקרה ללא-חיישנים

מאפייני מנועי PMSM‏:

• בקרה מורכבת יותר באמצעות PWM סינוסואידאלי תלת-פאזי
• ללא אדוות מומנט
• נצילות, מומנט ועלות גבוהים יותר לעומת BLDC
• ניתן למימוש באמצעות אנקודר צירי או עם בקרה ללא-חיישנים

מהי בקרת וקטור?

בקרת וקטור היא שיטת בקרת דוחף מנוע בתדר משתנה שבה זרמי הסטטור של מנוע חשמלי תלת-פאזי מזוהים כשני רכיבים אורתוגונליים שניתן לדמיין בעזרת וקטור. רכיב אחד מגדיר את השטף המגנטי של המנוע, והשני את המומנט. ביסוד האלגוריתם של בקרת וקטור ישנן שתי טרנספורמציות מתמטיות: טרנספורמציית Clarke‏ ההופכת מערכת תלת-פאזית למערכת דו-קואורדינטות, בעוד שטרנספורמציית Park‏ ממירה וקטוריי מערכת נייחת דו-פאזית לווקטוריי מערכת מסתובבת וההפכים שלהם.

השימוש בטרנספורמציות Clarke‏ ו- Park‏ מביא את זרמי הסטטור הניתנים לבקרה לתוך מרחב הרוטור. פעולה זו מאפשרת למערכת בקרת המנוע לקבוע את המתחים שיש לספק לסטטור כדי למקסם את המומנט תחת עומסים המשתנים דינמית.

בקרת מהירות ו/או מיקום עם ביצועים עיליים דורשת ידע מדויק בזמן-אמת על מיקום ציר הרוטור ומהירותו על מנת לסנכרן את פולסי עירור הפאזה למיקום הרוטור. מידע זה סופק בדרך כלל על ידי חיישנים כגון אנקודרים אבסולוטיים ו- Resolvers מגנטיים המחוברים לציר המנוע. לחיישנים אלו יש מספר חסרונות מערכת: אמינות נמוכה יותר, רגישות לרעש, עלות ומשקל גבוהים יותר ומורכבות גבוהה יותר. בקרת וקטור ללא-חיישנים מבטלת את הצורך בחיישני מהירות/מיקום.

מיקרו-מעבדים ומעבדי אותות דיגיטליים (DSP) עם ביצועים עיליים מאפשרים לממש תיאוריית בקרה מודרנית ויעילה במודלי מערכת מתקדמים, ומבטיחים נצילות הספק ויעילות בקרה אופטימליות עבור כל מערכת זמן-אמת למנועים. צפוי כי כתוצאה מהעוצמה החישובית הגדלה והירידה בעלויות המעבדים וה- DSP, בקרה ללא-חיישנים תחליף כמעט אוניברסלית את בקרת וקטור עם-חיישנים, כמו גם ביצועים פשוטים אך נמוכים יותר של בקרה סקאלארית עם משתנה-יחיד של וולט-להרץ (V/f‏).

מניע מנועי PMSM ו- BLDC תלת-פאזיים עבור רובוטיקה תעשייתית ולצרכנים

כדי לעקוף את המורכבות של בקרת וקטור, המתכננים יכולים להשתמש בלוחות הערכה מוכנים. לדוגמה, ה- DRV8301-69M-KIT‏ מבית Texas Instruments הוא מודול הערכת לוח-אם מבוסס controlCARD‏ DIMM100‏, שבו המתכננים יכולים להשתמש לפיתוח פיתרונות דוחפי מנועים תלת-פאזיים PMSM/BLDC (איור 4). הוא כולל את דוחף שער תלת-פאזי DRV8301 עם מגברי מצד (Shunt) זרם כפולים ומייצב Buck‏, וכן לוח מיקרו-בקר (MCU‏) TMS320F28069M‏ Piccolo מאופשר-InstaSPIN‏.

איור 4: המתכננים יכולים לפתח פתרונות דוחפי מנועים תלת-פאזיים PMSM/BLDC באמצעות ערכת מנועים DRV8301-69M-KIT הכוללת DRV8301 ולוח מיקרו-בקר (MCU‏) TMS320F28069M‏ Piccolo‏ מאופשר-InstaSPIN. (מקור תמונה: Texas Instruments)

ה- DRV8301-69M-KIT היא ערכת הערכת בקרת מנועים מבוססת טכנולוגיות InstaSPIN-FOC ו- InstaSPIN-MOTION‏ מבית Texas Instruments עבור סיבוב מנועי PMSM ו- BLDC תלת-פאזיים. באמצעות InstaSPIN, ה- DRV8301-69M-KIT מאפשרת למפתחים לזהות במהירות, לכוונן אוטומטית ולבקר מנועים תלת-פאזיים, ומספקת מערכת בקרת מנועים יציבה ופונקציונלית "מיידית".

ביחד עם טכנולוגיית InstaSPIN, ה- DRV8301-69M-KIT מספקת פלטפורמת FOC מאופשרת חיישני אנקודר או ללא-חיישנים, שהיא עם ביצועים עיליים, יחס עלות-תועלת מיטבי ויעילה מבחינת ההספק, המזרזת את הפיתוח לטובת זמן יציאה לשוק מהיר יותר. היישומים כוללים מנועים סינכרוניים תת- 60 וולט ו- 40 אמפר (A) להנעת משאבות, שערים, מעליות ומאווררים, כמו גם רובוטיקה ואוטומציה לתעשייה ולצרכנים.

מאפייני חומרת DRV8301-69M-KIT:

• לוח-בסיס של מהפך תלת-פאזי עם ממשק המתאים עבור התקני controlCARD‏ DIMM100‏
• לוח-בסיס של מודול הספקת-כוח המשולב עם מהפך תלת-פאזי DRV8301 (עם ממיר Buck‏ A‏ 1.5‏ משולב) התומך בעד 60 וולט ו- A‏ 40‏ רצוף
• כרטיסי InstaSPIN-MOTION‏ ו- InstaSPIN-MOTION‏ TMDSCNCD28069MISO‏
• היכולת לעבוד עם TMDXCNCD28054MISO‏ נתמך MotorWare‏ (נמכר בנפרד) ו- TMDSCNCD28027F‏ פלוס אמולטור חיצוני (נמכר בנפרד)

דוחפי מנועים PMSM ו- BLDC עם ביצועים עיליים ונצילות גבוהה

ה- EVAL-IMM101T‏ מבית Infineon Technologies היא ערכת התחלה עם מלוא המאפיינים הכוללת את ה- IMM101T Smart IPM‏ (מודול הספק משולב) המעניק פיתרון דוחף מנועים מוגמר משולב-במלואו למתח גבוה, שהמתכננים יכולים להשתמש בו עבור מנועי PMSM/BLDC‏ עם ביצועים עיליים (איור 5‏). ה- EVAL-IMM101T כולל גם מעגלים נחוצים אחרים הנדרשים להערכה "מתוך-הקופסה" של רכיבי IMM101T Smart IPM‏, כגון דרגת מיישר ומסנן EMI, כמו גם מקטע ניפוי באגים מבודד עם חיבור USB למחשב אישי.

איור 5: לוח ההערכה IMM101T הוא פיתרון שלם הכולל מכונת בקרת תנועה (MCE 2.0‏), דוחף שער וממיר מהפך תלת-פאזי המסוגל לדחוף מנועי PMSM ו- BLDC באמצעות FOC ללא-חיישנים. (מקור התמונה: Infineon Technologies)

ה- EVAL-IMM101T פותח כדי לתמוך במתכננים במהלך צעדיהם הראשונים בפיתוח יישומים עם ה- IMM101T Smart IPM‏. לוח ההערכה מצויד בכל קבוצות המכללים עבור FOC ללא-חיישנים. הוא כולל מחבר AC חד-פאזי, מסנן EMI, מיישר ויציאה תלת-פאזית לחיבור המנוע. דרגת ההספק כוללת גם מקור מצד (Shunt) עבור חישת זרם ומחלק מתח למדידת מתח DC Link‏.

ה- IMM101T מבית Infineon מציע אפשרויות תצורת בקרה שונות עבור מערכות דוחפי מנועי PMSM/BLDC‏ במארז הרכבה-משטחית קומפקטי של 12‏ x‏ 12 מילימטר (מ"מ), המקטין למינימום את מספר הרכיבים החיצוניים ואת שטח לוח המעגלים המודפסים (PCB‏). המארז הוא משופר-תרמית כך שיש לו ביצועים טובים עם או בלי צלעות-קירור. המארז מתאפיין במרחק Creepage‏ של 1.3 מ"מ בין פדי המתח הגבוה שהם בצד התחתון של המארז כדי להקל על הרכבה משטחית ולהגדיל את חוסן המערכת.

סדרת IMM100‏ משלבת FredFET של 500 וולט או CoolMOS MOSFET של 650 וולט. בהתאם לרכיבי ה- MOSFET להספק שבתוך המארז, סדרת IMM100 מכסה יישומים עם הספק יציאה נומינלי מ- 25 וואט (W) עד W‏ 80‏ עם מתח DC מקסימלי של 500/600 וולט. בגרסות 600 וולט, טכנולוגיית ה- Power MOS היא בדירוג של 650 וולט, בעוד שדוחף השער הוא בדירוג של 600 וולט, הקובע את מתח ה- DC המקסימלי המותר של המערכת.

מערכת הערכת בקרת מנועים 24 וולט

מתכנני דוחפי מנועי PMSM/BLDC‏ 24 וולט יכולים לפנות למערכת הערכת בקרת מנועים RTK0EM0006S01212BJ ‏ מבית Renesas עבור המיקרו-בקרים RX23T‏ (איור 6). התקני RX23T הם מיקרו-בקרים Bit‏-32‏ המתאימים עבור בקרת מהפך יחיד עם יחידת נקודה צפה (FPU) מובנית המאפשרת להשתמש בהם עבור עיבוד אלגוריתמי בקרת מהפך מורכבים. זה מסייע להפחית מאוד את מספר שעות-האדם הדרושות עבור פיתוח ותחזוקת התוכנה.

איור 6‏: מערכת ההערכה עבור בקרת מנועי 24 וולט מבית Renesas למיקרו-בקרים RX23T‏ כוללת לוח מהפך לדחיפת מנועי PMSM הכלולה בחבילת ההערכה. (מקור התמונה: Renesas Electronics)

בנוסף, הודות לליבה, הזרם הנצרך באופן-המתנה של התוכנה (עם שמירת זיכרון RAM) הוא 0.45 מיקרו-אמפר (μA) בלבד. המיקרו-בקרים RX23T פועלים בתחום של 2.7 עד 5.5 וולט, והם תואמים ביותר לקו RX62T‏ ברמת מערך הפינים והתוכנה. הערכה כוללת:

• לוח מהפך 24 וולט
• פונקציית בקרת PMSM
• פונקציית גילוי זרם של שלושה מצדים (Shunt)
• פונקציית הגנת זרם-יתר
• כרטיס מעבד עבור מיקרו-בקר RX23T
• כבל USB Mini B‏
• PMSM

סיכום

מנועי BLDC ו- PMSM יכולים לשמש עבור פיתרונות בקרת תנועה מדויקת שהם קומפקטיים ועם נצילות גבוהה. השימוש בבקרת וקטור ללא-חיישנים עם מנועי BLDC ו- PMS מוסיף את היתרון של החיסכון בחומרת חיישנים, ובכך הפחתת העלויות ושיפור האמינות. עם זאת, בקרת וקטור ללא-חיישנים ביישומים אלה יכולה להיות תהליך מורכב וגוזל-זמן.

כפי שהוצג, המתכננים יכולים לפנות לפלטפורמות פיתוח ולוחות הערכה המגיעים עם תוכנת בקרת וקטור ללא-חיישנים. בנוסף, סביבות פיתוח אלה כוללות את כל חומרת בקר המנוע וניהול הספקת-הכוח המשולבים בתוך מערכת שלמה, מה שמזרז את זמן היציאה לשוק.

המלצות לקריאה נוספת

1. בקרה מוכוונת-שדה מובילה לנצילות טובה יותר של מנועי AC‏
2. השלב האבולוציוני הבא בתכנון רחפנים