Microchip Technology Inc
Avtorja: Mike Gomez in Mark Pallones
2017_256_20
Kako uporabljati cenovno ugoden mikrokontroler za upravljanje delovanja enosmernega enofaznega brezkrtačnega motorja.
Pri aplikacijah z motorji, ki imajo nizko porabo in kjer so običajno stroški bolj pomembni od zahtev po zahtevnosti in navoru, je enofazni brezkrtačni enosmerni motor (BLDC) dobra alternativa trifaznemu motorju.
Ta tip motorja ima zaradi preproste konstrukcije nižjo ceno, saj ga je lažje izdelati. Poleg tega zahteva samo enosmerni senzor in nekaj krmiljenih stikal za krmiljenje in napajanje navitja motorja. Zato lahko kompromis med motorno in krmilno elektroniko prinese pomembne prednosti.
Če želimo ohraniti stroškovno učinkovitost izdelka, je potreben poceni gonilnik motorja. Tukaj opisano vezje gonilnika motorja lahko izkorišča dve povratni zanki. Prva, notranja zanka, je odgovorna za krmiljenje komutacije, medtem ko druga, zunanja zanka, upravlja s hitrostjo vrtenja. Hitrost vrtenja motorja je odvisna od zunanje analogne napetosti, zaznavanje napak pa je mogoče prek javljanja prekomernega toka in prekomerne temperature.
Na sliki 1 je prikazan enofazni gonilnik, ki temelji na 8-bitnem Microchip mikrokontrolerju PIC16F1613, ki je bil izbran zaradi nizkega števila zunanjih priključkov in vgrajenih perifernih naprav, ki lahko krmilijo stikala gonilnika, izmerijo hitrost motorja, napovejo trenutni položaj rotorja in izvajajo odkrivanje napak.
Ta aplikacija uporablja naslednjo periferijo: komplementarni generator signala (CWG), časovnik za merjenje signala (SMT), analogno-digitalni pretvornik (ADC), digitalno-analogni pretvornik (DAC), CCP (capture compare PWM), nastavljeno referenčno napetost (FVR), časovnik, primerjalnik in prikazovalnik temperature. Vse naštete periferne naprave so v notranjosti povezane prek vgrajene programske opreme, zaradi česar se zmanjšajo potrebe po večjem številu zunanjih priključkov.
Vezje polnega mostiča, ki napaja navitje motorja, je krmiljeno prek CWG izhoda. Hall Senzor se uporablja za določitev položaja rotorja. Tok, ki prehaja skozi navitje motorja, se pretvori v napetost skozi merilni upor Rshunt za pretokovno zaščito. Hitrost se lahko nastavlja s spremljanjem napetosti na zunanjem analognem vhodu. Slika 2 prikazuje krmilni blok diagram gonilnika motorja; za to aplikacijo je nazivna napetost motorja 5V in nazivna hitrost 2400 vrtljajev na minuto. Napajalna napetost gonilnika motorja je 9V.
Kot referenčna napetost za hitrost se lahko uporabi vsak analogni vhod. ADC modul mikrokontrolerja ima 10-bitno ločljivost in do osem kanalov, zaradi česar je primeren za različne vrste analognih vhodov. To se uporablja za izračun referenčne napetosti za nastavitev hitrosti in začetnega obratovalnega cikla PWM, ki se uporablja za zagon hitrosti vrtenja motorja glede na vir referenčne napetosti.
Začetni delovni cikel se lahko poveča ali zmanjša zaradi rezultata proporcionalno-integralnega (PI) regulatorja, ki v CCP zapiše novo vrednost delovnega cikla, pri čemer je uporabljen isti PWM izhod, ki je uporabljen kot začetni vir CWG za nadzor modulacije spodnjih stikal polnega mostiča celotnega gonilnika in s tem tudi hitrosti motorja.
Notranja zanka
Funkcija notranje povratne zanke je nadzor komutacije. Izhod CWG, ki nadzoruje vzbujanje navitja statorja, je odvisen od stanja izhodnega Hall senzorja, ki ga primerjalnik primerja s FVR. Omogočena je tudi histereza primerjalnika, s čimer izločimo motnje na izhodu senzorja.
Izhod komparatorja preklaplja med vrtenjem naprej in nazaj s pomočjo vezave polnega mostiča, s čimer se doseže rotacija v smeri urnega kazalca ali v nasprotni smeri urnega kazalca. Izhod CWG je povezan na vhod stikal v vezju polnega mostiča.
Za en električni cikel je treba izvesti kombinacijo naprej-nazaj. En mehanski obrat motorja zahteva dva električna cikla, zato je treba opraviti dve kombinaciji naprej-nazaj, da se zaključi enojna rotacija motorja v smeri urnega kazalca.
Vezje polnega mostiča
Celotno mostno vezje na sliki 3 je v glavnem sestavljeno iz dveh P-kanalnih MOSFET tranzistorjev, ki delujeta kot stikali v v zgornjih vejah in dveh N-kanalnih MOSFET tranzistorjev, ki delujeta kot stikali v vejah na nizki strani. Glavna prednost P-kanalnega tranzistorja je v preprosti tehniki krmiljenja vrat v vezavi s preklapljanjem na visokih straneh, s čimer se zmanjšajo stroški za visokonapetostno krmiljenje vrat.
Čeprav sta stikali visoke in nizke strani lahko vklopljeni hkrati – križna prevodnost – je treba takšno preklapljanje preprečiti, saj lahko v nasprotnem primeru nastane tokovni sunek, ki bi lahko poškodoval komponente gonilnika. Da bi se temu izognili, se lahko zakasnitev mrtvega območja brez prevajanja izvede z uporabo števnih registrov CWG. To zagotavlja neprekrivajoče izhodne signale, ki hkrati prekinjajo prevajanje na visoki in nizki strani.
V idealnih razmerah naj bi N-P-kanalni MOSFETi imeli enake upornosti v stanju prevajanja (RDSon) in polnem naboju QG na vratih, s čimer bi dobili optimalno preklopno zmogljivost. Torej, kljub temu, da bi bilo dobro skrbno izbrati komplementarni par MOSFET-ov, ki ustrezata tem parametrom, v resnici to ni mogoče zaradi njihove različne konstrukcije; velikost čipa naprave P-kanalnega MOSFET-a mora biti namreč dva do trikrat večja od čipa N-kanalnega, da doseže enako RDSon zmogljivost. Pri vsem tem pa velja, da večja kot je velikost čipa, večji je učinek QG. Tako je pri izbiri para MOSFET-ov pomembna odločitev načrtovalca, kateri od obeh parametrov, RDSon ali QG, bo imel večji vpliv na preklop in izbrati ustrezen par glede na zahteve aplikacije.
Odkrivanje napak
V primeru prekoračitve največjega dopustnega navora, s katerim je obremenjen motor, obstaja možnost, da se motor ustavi, skozi navitje pa steče največji možni tok. Zato je treba za zaščito motorja uporabiti možnost zaznavanja napak zaradi prekomernega toka in zastajanja vrtenja.
Za izvajanje odkrivanja prekomernega toka se v pogonsko vezje doda Rshunt, na katerem nastane padec napetosti, ki ustreza toku, ki teče skozi navitje motorja. Padec napetosti na tem uporu se linearno spreminja glede na tok motorja. To napetost vodimo na invertirajoči vhod primerjalnika in primerjamo z referenčno napetostjo, ki temelji na produktu upornosti Rshunt in največjem dovoljenem toku skozi motor, kadar se njegovo vrtenje ustavi.
Referenčno napetost lahko zagotovi FVR, dodatno pa jo lahko zožimo z DAC. To omogoča, da lahko uporabimo tudi zelo majhno referenčno napetost, prednost pa je v tem, da ima lahko uporabljeni Rshunt nizko upornost, s čimer se zmanjša poraba moči na njem. Če padec napetosti na Rshunt presega referenco, izhod iz primerjalnika sproži funkcijo samodejnega izklopa CWG, katere izhod ostane neaktiven, vse dokler je napaka prisotna.
Previsoko temperaturo je mogoče zaznati z uporabo indikatorja temperature, ki je vgrajen v samem čipu in s katerim lahko merimo temperature med -40 in +85 ° C. Notranje vezje indikatorja proizvaja spremenljivo napetost glede na temperaturo in to napetost pretvori v digitalno obliko z ADC. Za bolj natančno merjenje temperature se lahko izvede tudi kalibracija v eni točki.
Zunanja zanka
Zunanja zanka, ki je prikazana na sliki 2, krmili hitrost motorja pri različnih pogojih, kot so spremembe glede obremenitve, pri motnjah in pri spreminjanju temperature. Hitrost se meri s SMT, ki je v osnovi lahko 24-bitni števec ali časovnik z vgrajeno logiko, ki se lahko konfigurira za merjenje različnih parametrov digitalnega signala, kot so širina impulza, frekvenca, obratovalni cikel in časovna razlika med robovi na dveh vhodnih signalih.
Merjenje izhodne frekvence motorja se lahko opravi prek SMT periode in zajemanja vzorcev delovnih ciklov. V tem načinu lahko pridobimo bodisi obratovalni ciklus ali obdobje SMT signala glede na SMT uro. SMT šteje število SMT impulzov, ki so prisotni znotraj enega obdobja rotacije motorja in rezultat shranjuje v registru zajetih obdobij. Uporaba tega registra omogoča, da ugotovimo dejansko frekvenco vrtenja motorja.
Ko se referenca hitrosti primerja z dejansko hitrostjo, bo to privedlo do neke pozitivne ali negativne napake, odvisno od tega, ali je dejanska hitrost višja ali nižja od nastavljene vrednosti. Ta napaka se prenese v vgrajen programski algoritem PI regulatorja, ki izračuna tisto vrednost, ki bi kompenzirala spremembo hitrosti. Ta izravnalna vrednost se bo dodala ali odštela od začetnega delovnega cikla PWM, in s tem ustvarila novo vrednost.
Zaključek
Pri stroškovno občutljivih aplikacijah ima lahko učinkovit in prilagodljiv mikrokontroler za krmiljenje motorja pomembno vlogo. Učinkovitost uporabljene naprave se lahko meri glede na raven integriranih perifernih naprav, s katerimi optimiziramo nalogo skupaj s številom zunanjih priključkov in vgrajenim pomnilnikom ter velikostjo ohišja. Poleg tega igra pomembno vlogo enostavnost uporabe in krajši čas, ki je potreben do začetka trženja izdelka, zlasti, če je potrebno več različic istega modela.
S tem člankom smo želeli pokazati, kako lahko tudi poceni mikrokontroler izpolnjuje te zahteve in krmilniku omogoča nastavljanje želene reference hitrosti vrtenja, napovedati položaj rotorja, implementirati krmilni algoritem, izmeriti dejansko hitrost vrtenja motorja in ponudi odkrivanje tipičnih napak v delovanju motorja.
