Renesas Electronics Corporation
Avtor: Joseph Png, vodja poslovnega razvoja MCU/MPU, RenesasElectronics
Industrija 4.0 zainteresiranim stranem omogoča optimizacijo objektov in povečanje produktivnosti s pomočjo medsebojno povezane industrijske opreme in izboljšanega računalništva.
Predstavlja odlično priložnost za pomoč zainteresiranim stranem pri uporabi konvergentne tehnologije za ustvarjanje trajnostne, v človeka usmerjene prihodnosti, v kateri motorji pomembno prispevajo v vseh panogah. Slika 1 prikazuje postopek prepoznavanja in izvajanja industrije 4.0, kjer internet stvari (IIoT) omogoča povezovanje naprav, s čimer se ustvari virtualni dvojček podatkov iz realnega sveta. To upravljavcem olajša vizualizacijo in analizo procesov, kar jim omogoča sprejemanje odločitev za čim bolj učinkovito avtonomno izvajanje nalog.
Indukcijski motorji (IM) imajo ključno vlogo v industrijskih panogah kot glavni delovni konj za ohranjanje učinkovitega gibanja. Zaradi dokazane zanesljivosti, vsestranskosti in ekonomskih prednosti so najprimernejša izbira za industrijske aplikacije. V preteklosti so se IM uporabljali predvsem za aplikacije z eno delovno točko, ki so delovale z nazivnim navorom in hitrostjo. Vendar je napredek pri krmiljenju motorjev razširil njihovo uporabnost v širokem razponu navorov in hitrosti, zaradi česar so zelo prilagodljivi različnim potrebam industrije. Danes so skoraj vse rešitve za gibanje prešle s pnevmatskega ali ročnega upravljanja na motorizirane sisteme.
Ključne zahteve za krmiljenje motorjev v različnih panogah vključujejo:
- Ohranjanje stabilnega delovanja v širokem razponu obremenitev.
- Zagotavljanje hitrega in natančnega odziva.
- Podpora različnim senzorjem povratne informacije o položaju, kot so enkoderji, rezolverji, Hallovi senzorji itd.
- Obvladovanje električnega šuma in motenj v povratnih signalih (tok, napetost, temperatura).
- Doseganje visoke učinkovitosti.
- Izpolnjevanje najvišjih standardov zanesljivosti in funkcionalne varnosti.
- Krmilnik mora biti kompakten in lahek.
- Podpira različne industrijske komunikacijske protokole, kot so UART, I2C, CAN itd.
- Indukcijski motor deluje po načelu elektromagnetne indukcije. Vrteče se magnetno polje, ki ga ustvarja vzbujanje statorja, povzroča elektromagnetno silo (EMF) v rotorju. Posledično skozi rotor tečejo tokovi, ki ustvarjajo navor in omogočajo vrtenje. Zato je natančen nadzor vzbujanja statorja ključnega pomena za učinkovito krmiljenje indukcijskega motorja.
Krmiljenje hitrosti indukcijskih motorjev se običajno deli na dve glavni kategoriji:
Skalarni nadzor: večina obstoječih pogonskih sistemov s spremenljivo hitrostjo so nizko zmogljivi pogoni, ki nadzorujejo višino frekvence statorske napetosti ali toka. Krmiljenje se doseže z vzdrževanjem konstantnega magnetnega polja v motorju. Najpogosteje uporabljena metoda skalarnega krmiljenja je krmiljenje s konstantno napetostjo/herc (V/f), pri katerem se velikost statorske napetosti prilagaja sorazmerno s frekvenco, s čimer se ohranja konstanten statorski tok v motorju. Čeprav so metode skalarnega krmiljenja razmeroma enostavne za izvajanje, niso primerne za aplikacije, ki vključujejo prehodne pojave na strani bremena. V nadaljevanju so prikazane tipične značilnosti motorja, ki jih je mogoče doseči z V/f krmiljenjem.
Vektorsko krmiljenje: V nasprotju s skalarnim krmiljenjem vektorsko krmiljenje IM temelji na shemah krmiljenja, usmerjenega v polje (FOC). Ta metoda omogoča krmiljenje faze in velikosti vektorskih veličin motorja. Pogoni z vektorskim krmiljenjem veljajo za visoko zmogljive pogone z nadzorom nad trenutnim navorom in magnetnim poljem motorja tako v ustaljenem stanju kot v prehodnih pogojih. Čeprav je vektorsko krmiljenje računsko zahtevno, je boljše od skalarnega krmiljenja, zlasti v dinamičnih pogojih.
Izvajanje vektorskega krmiljenja vključuje ugotavljanje rotorskega fluksa iz statorske napetosti ali tokov z uporabo senzorjev fluksa, kar zahteva natančno zaznavanje in hitro računanje.
V sodobnih aplikacijah morajo motorji delovati v širokem območju delovanja in v dinamičnih pogojih, zato so za učinkovito izpolnjevanje teh zahtev potrebne vektorske krmilne sheme. Glede na zahteve po zaznavanju in izračunavanju je skrbna izbira ustreznih mikrokontrolerjev (MCU) ključnega pomena za razvoj zanesljive rešitve za krmiljenje indukcijskih motorjev.
Slika 4 prikazuje tipičen pogon z indukcijskim motorjem in njegove glavne sestavne dele. Pogoni z indukcijskim motorjem prejemajo energijo iz trifaznega izmeničnega vhodnega napajanja, ki se prek usmernika pretvori v enosmerno napetost. Za zmanjšanje valovanja napetosti so na to izhodno enosmerno napetost nameščeni DC link kondenzatorji. Enosmerna napetost se nato dovede v inverter, ki jo na podlagi stikalnih signalov, ki jih prejme MCU, pretvori nazaj v izmenično napetost za indukcijski motor. MCU, ki je glava pogona, ima ključno vlogo pri določanju zmogljivosti in učinkovitosti pogona z indukcijskim motorjem. Za aplikacije pogonov IM sta bili seriji MCU Renesas RA-T in RX-T skrbno zasnovani s posebnimi funkcijami, ki pomagajo pri razvoju visokozmogljivih pogonskih sistemov. V nadaljevanju si oglejmo nekaj ključnih lastnosti teh MCU-jev.
Ustvarjanje PWM: visokofrekvenčno generiranje PWM je ključnega pomena za doseganje nižjega THD v tokovnih nihanjih in nemoteno krmiljenje katerega koli motorja. MCU-ja RA-T in RX-T lahko podpirata do 200 MHz frekvenco 3-faznega komplementarnega generiranja PWM. Zaradi teh visokofrekvenčnih PWM signalov sta idealna za pretvornike z naprednimi močnostnimi stikali na osnovi GaN in SiC, ki lahko delujejo pri zelo visokih stikalnih frekvencah.
Trigonometrične funkcije: vsako napredno krmiljenje, kot je vektorsko krmiljenje ali drugo FOC krmiljenje, zahteva izračun navora in magnetnega pretoka v realnem času, kar vključuje implementacijo številnih trigonometričnih funkcij. MCU-ji Renesas ponujajo namenske aritmetične enote za trigonometrične funkcije (TFU), ki močno skrajšajo računski čas in povečajo natančnost izračuna. Druge operacije s plavajočo vejico, ki so potrebne za aplikacije za krmiljenje motorjev, se lahko izvajajo pri hitrosti procesiranja 200 MHz.
Nadzor s povratno informacijo: RA-T in RX-T MCU imata vgrajena 12/16-bitna A/D pretvornika. Ti ADC lahko hkrati vzorčijo 3 tokove za natančen nadzor toka in določanje stanja preklopa. Za branje povratnih informacij z enkoderjev namenski načini faznega štetja zagotavljajo zmožnost branja vhoda enkoderja do 32-bitne ločljivosti.
Komunikacijski vmesnik
Motorni pogoni igrajo ključno vlogo v avtomatizacijski in predelovalni industriji, saj so sestavni deli večjih nadzornih sistemov in omogočajo komunikacijo z glavnimi krmilniki in perifernimi napravami. Zato je nujno, da so MCU-ji združljivi z industrijskimi standardnimi komunikacijskimi protokoli. Renesasove MCU-je je mogoče brez težav integrirati v večje sisteme z uporabo komunikacijskih vmesnikov, kot so SCI, CAN, I2C, RSPI, USB, in razširjenih industrijskih protokolov, kot sta Ethercat in Ethernet-IP.
Renesas ponuja popolno razvojno okolje za hiter in zanesljiv razvoj izdelkov. Razvojno okolje zagotavlja namenske rešitve za vse pomembne faze razvoja programske in strojne opreme ter tehnično podporo, ki jo zagotavlja Renesasova ekipa.
V zadnjem času smo bili priča pospešenemu tehnološkemu razvoju brez primere, predvsem zaradi napredka na področju informacijskih tehnologij in digitalnega računalništva. Ta razvoj ni le postopen napredek, temveč pomeni začetek nove tehnološke revolucije, znane kot industrija 4.0 (IR 4.0). V središču te revolucije so tehnologije umetne inteligence, strojnega učenja in podatkovne analitike, ki spreminjajo pravila igre.
Če povzamemo: prihodnost je brezhibna integracija kibernetsko-fizičnega sveta. Glede na pomen krmiljenja motorjev za industrijske aplikacije morajo nove rešitve dopolnjevati ta prizadevanja, zmogljivosti MCU-jev pa morajo imeti ključno vlogo pri doseganju tega cilja. Družini MCU RX-T in RA-T podjetja Renesas sta bili razviti z namenskimi funkcijami za krmiljenje motorjev skupaj z možnostmi varne in hitre podatkovne komunikacije, ki izpolnjujejo zahteve standarda IR 4.0 in sta tako idealna izbira za robusten industrijski sistem za krmiljenje motorjev.
Fotografije, slike: Renesas
https://www.renesas.com
