צעדים ראשונים עם בקרה מוכוונת שדה ללא-חיישן של מנועי BLDC עם Infineon

מנועים חשמליים נמצאים בכל מקום, בבתים, במקומות העבודה וברכבים שלנו. קחו לדוגמא מכונית מודרנית טיפוסית, בה ניתן למצוא בממוצע כ- 35 מנועים בכל רחבי הרכב. גם מנועי DC סטנדרטיים וגם מנועי DC ללא-מברשות (BDLC) משמשים עבור יישומים החל ממשאבות דלק ועד למרימי חלונות (איור 1).

איור 1‏. יישומים טיפוסיים עבור מנועי DC‏ ו- DC ללא-מברשות (BLDC‏). (מקור התמונה: Infineon)

עם הגידול ברכבים חשמליים והיברידיים, המגמה היא למספרים גבוהים יותר של מנועים בכל רכב. מלבד בכלי-רכב, מנועי DC ו- BLDC נמצאים בשימוש נרחב ביישומי אוטומציה, בקרה ורובוטיקה תעשייתיים רבים.

מנועי BLDC משמשים בדרך כלל ביישומים תובעניים יותר בגלל יתרונות הביצועים שלהם על פני מנועי DC עם-מברשות. מנועי BLDC מעניקים נצילות גבוהה יותר, אורך חיים ארוך יותר ומומנט גבוה יותר ביחס למשקל לעומת מנועי DC. החסרונות של מנועי BLDC כוללים את העלות הגבוהה יותר שלהם ואת הדרישה למעגלי בקר נוספים.

בנימה אישית, שידרגתי לאחרונה את המקדח ומברגה הולמים מוזן-הסוללה שלי מטכנולוגיית מנוע DC עם-מברשות למנוע DC‏ ללא-מברשות. השיפור במומנט ובחיי הסוללה היה יוצא מן הכלל ושווה את העלות הנוספת.

מנועי BLDC

מנועי BLDC הם וריאציה של מנוע DC סטנדרטי מסורתי. ההבדל הבסיסי הוא שמנוע BLDC מחייב לבצע את הקומוטציה באמצעים אלקטרוניים ולא במברשות מכניות. הרוטור של מנוע BLDC מורכב ממגנטים קבועים, והסטאטור מלופף עם קבוצה מתאימה של קטבים. מעגל בקרה משמש לשפעל את הליפופים וליצור שדה מסתובב. תנועה ומומנט נוצרים כאשר מגנטי הרוטור מנסים להתיישר עם שדה הסטאטור המסתובב.

בקרה מוכוונת שדה (FOC) ללא-חיישן

בקרה מוכוונת שדה ללא חיישן (FOC) היא אחת מהשיטות המשמשות לבקרת המהירות והמומנט של מנועי BLDC. בקרה מוכוונת שדה (הידועה גם בשם בקרת וקטור) היא טכניקה המשמשת ליצירת אפנון סינוסואידלי בן 3 פאזות שלאחר מכן ניתן לבקר את התדר ואת האמפליטודה. חישובים משמשים להפיכת האותות התלת-פאזיים לשתי-פאזות שקל יותר לבקר וליישם אותן במעגל בקרת המנוע. בקרה ללא-חיישן חוסכת את חיישני המיקום ובמקום זאת מודדת את הכוח האלקטרומניע (EMF) לאחור כדי לקבוע את מיקום הרוטור.

מימוש FOC ללא-חיישן במיקרו-בקר

מימוש FOC ללא-חיישן דורש ביצוע מדידת אותות וחישובים מתמטיים. מיקרו-בקר עם הביצועים הדרושים ומערך רכיבים היקפים הם המתאימים עבור מימוש פונקציונליות זו. ה- TLE9879QXA40 מבית Infineon הוא SoC‏ של דוחף מנועים תלת-פאזיים בשבב-יחיד המשלב ליבת Cortex®-M3‏®Arm‏ (איור 2‏).

איור 2‏. דיאגרמת בלוקים של יישום TLE9879x (מקור התמונה: Infineon)

היא כוללת שישה דוחפי NFET משולבים במלואם כדי לדחוף מנועים תלת-פאזיים דרך שישה רכיבי NFET להספק חיצוניים, Charge Pump המאפשר פעולה במתח נמוך, וזרם ניתן-לתכנות לצד בקרת שיפוע הזרם עבור התנהגות EMC ממוטבת. מערך הרכיבים ההיקפים שלו כולל חיישן זרם, ממיר ADC עם קירוב-עוקב (Successive Approximation) המסונכרן עם יחידת הקליטה וההשוואה עבור בקרת PWM, וקוצבי-זמן Bit‏-16‏. משולב גם מקמ"ש LIN כדי לאפשר תקשורת להתקן לצד מספר כניסות/יציאות לשימוש-כללי. הוא כולל מייצב מתח ליניארי על-השבב עבור הספקה לעומסים חיצוניים.

ה- TLE9879QXA40 מבית Infineon הוא פתרון טוב עבור מימוש בקרה מוכוונת שדה של מנועי BLDC. יש לו את הביצועים ומערך המאפיינים למימוש דוחף מנוע BLDC עם ביצועים עיליים ועם יחס עלות-תועלת מיטבי במינימום של מקום על הלוח. דף היישום המעמיק "בקרה מוכוונת שדה ללא-חיישן עם SoC‏ משובץ להספק" מפרט את התאוריה מאחורי FOC וכיצד לממש את האלגוריתם.

צעדים ראשונים

לוח ההערכות בעלות נמוכה BLDC_SHIELD_TLE9879 מבית Infineon הוא דרך קלה להתחיל עם FOC ללא-חיישן. הוא מבוסס על ה- TLE9879QXA40 ומתוכנן עבור דחיפת מנועי BLDC בשילוב עם לוח-בסיס תואם Arduino. בשילוב עם Arduino Uno ומנוע BLDC תואם, אתם יכולים להפעיל ולסובב את המנוע בתוך פחות משעה (איור 3).

איור 3‏. ה- BLDC_SHIELD_TLE9879 מורכב על לוח-בסיס Arduino Uno. (מקור התמונה: Infineon)

סכמות, ספריית Arduino ותיעוד מלא עבור ה- BLDC_SHIELD_TLE9879 זמינים בכתובת https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. בזמן שחקרתי בלוג זה, ביליתי זמן בעבודה עם ה- Uno ולוח Shield‏ כדי ללמוד בעצמי על דחיפת מנועי BLDC. שלבי הגדרת-התצורה, קוד הבדיקה ומקורות למסמכים כלולים בפרויקט דחיפת מנוע BLDC עם לוח Shield‏ TLE9879Qx מבית Infineon של דוחף מנוע תלת-פאזי המתפרסם ב- TechForum של DigiKey.

פיתוח יישומים

לאלו המעונינים להתעמק יותר בתכנון ופיתוח מבוסס TLE9879Qx‏, חברת Infineon מספקת משאבים נוספים. כנקודת התחלה, קוד המקור עבור הקושחה שבזיכרון Flash‏ שעל לוח Shield‏ למנוע BLDC‏ זמין כקובצי פרויקט Keil uVision‏. קובצי הפרויקט כלולים בהורדת התוכנה "לוח Shield‏ למנוע BLDC‏ עבור Arduino עם TLE9879QXA40‏" מבית Infineon בקישור BLDC_SHIELD_TLE9879 בדף פרויקט לוח Shield‏. בנוסף, מלבד לוח Shield‏ למנוע BLDC, תכן הייחוס של המשאבה REF_WATERPUMP100W‏ ותכן הייחוס של המאוורר REF_ENGCOOLFAN1KW‏ זמינים אצל DigiKey‏.

סיכום

לוח ההערכה BLDC_SHIELD_TLE9879 מבית Infineon מספק דרך מהירה וזולה להתחיל להשתמש ב- FOC ללא-חיישן לדחיפת מנועי BLDC. הלוח הוא גם משאב טוב עבור משתמשים מתקדמים יותר המעוניינים להעריך את ה- TLE9879QXA40 ולהתחיל להשתמש בקוד המקור המסופק.

ייחוסים חיצוניים

1 - Infineon. "מדריך למנועים"

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-motorcontrol_handbook-AdditionalTechnicalInformation-v01_00-EN.pdf