Zwiększenie sprawności w sterownikach silników

Rys. 1. Bloki peryferyjne działające niezależnie od rdzenia w mikrokontrolerach firmy Microchip

Sprawność konwersji energii zawsze ma znaczenie, a w przypadku silników elektrycznych konwersja odbywa się dwukrotnie: w pierwszej kolejności podczas wytwarzania energii elektrycznej do napędu silnika, a następnie podczas przekształcania energii elektrycznej na ruch.

Nic dziwnego, że niska sprawność silników elektrycznych stanowi ważny priorytet dla konsumentów, przemysłu, a nawet rządów - w ostatnich dekadach potrzeba tworzenia produktów o wyższej sprawności, szczególnie produktów związanych z energią, doprowadziła do odpowiednich ustaleń legislacyjnych na terenie UE. Nawet pomijając legislację, jasne jest, że sprawność zaczyna się już na etapie projektowania, a w przypadku silników DC od wyboru odpowiedniego silnika.

Silniki

Rys. 2. Sterownik silnika ON Semi STK5C4U332J-E

Najczęściej stosowanym obecnie typem silnika DC jest nadal model szczotkowy, chociaż w wyniku rozwoju aktualnych zastosowań znacznie wzrasta liczba modeli bezszczotkowych BLDC oraz krokowych.

Prawdopodobnie najpopularniejszą konstrukcją dla prądu przemiennego jest silnik indukcyjny, a jego możliwym zamiennikiem jest silnik synchroniczny z magnesem stałym (PMSM). Sprawność silników indukcyjnych AC jest w znacznym stopniu związana ze stosowaną korekcją współczynnika mocy (PFC), która może znacznie poprawić parametry w typowych zastosowaniach, takich jak urządzenia HVAC oraz sprzęt gospodarstwa domowego i urządzenia przemysłowe.

W przypadku zastosowań o stałej prędkości wirowania sterowanie silnikiem indukcyjnym AC jest stosunkowo proste, bo obroty są funkcją częstotliwości napięcia zasilania. W przypadku zastosowań o zmiennej prędkości lub zmiennym momencie obrotowym lepiej może sprawdzić się silnik PMSM, który charakteryzuje się też wyższą sprawnością.

Cyfrowe sterowanie sygnałami

Rys. 3. Zestaw aplikacyjny sterowania silnikiem BLDC Infineon 300 W

Nowoczesne mikrokontrolery mają odpowiednią wydajność i moc obliczeniową wymaganą do sterowania silników AC i DC o wysokiej sprawności. Wiele jednostek ma funkcje sprzętowe i programowe ułatwiające przetwarzanie sygnałów cyfrowych, co umożliwia stosowanie złożonych algorytmów sterowania działających w czasie rzeczywistym i wykorzystujących bezpośrednie lub obliczone dane o pozycji.

Jest to bardzo ważne, ponieważ w coraz większej liczbie zastosowań projektanci starają się wyeliminować konieczność stosowania czujników przekazujących dane o pozycji wirnika poprzez analizę siły przeciwelektromotorycznej, co pozwala ograniczyć koszty i złożoność układów, a dodatkowo zwiększyć ich względną sprawność.

Są też mikrokontrolery zawierające specjalistyczne bloki peryferyjne przeznaczone do sterowania silnikami, do korekcji współczynnika mocy i generowania sygnałów PWM. Takie jednostki określa się terminem kontroler sygnałów cyfrowych (DSC) i jest on połączeniem mikrokontrolera z procesorem sygnałowym (DSP). Przykładem może być tutaj PIC32MM0064GPL, który przeznaczony jest do pracy w ekonomicznych układach sterowania silnikami.

Jest oparty na rdzeniu MIPS32 micro-Aptiv UC, zawiera działające niezależne od rdzenia układy peryferyjne oraz bloki MCCP (Multiple Capture/Compare/PWM), o funkcjonalności zoptymalizowanej pod kątem sterowania silnikami. Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy modułu MCCP zastosowanego w układzie PIC32MM0064GPL.

Sterowniki specjalizowane

Rys. 4. Zestaw rozwojowy silnika STMicro Nucleo

W silnikach BLDC sterownik jest znacznie bardziej złożony, gdyż musi on realizować funkcję elektronicznego komutatora, a poprzez kluczowanie zasilaniem uzwojeń PWM regulować obroty wirowania. Rozwiązanie to komplikuje się jeszcze bardziej w przypadku silników wielofazowych, które dzięki zwiększeniu liczby faz (i związanych z tym liczby uzwojeń) w poszczególnych przypadkach zapewniają bardziej płynny ruch obrotowy.

Kontrolery takich silników zawierają poza samym sterownikiem PWM także drivery tranzystorów mocy zasilających uzwojenia. Dobrym przykładem jest tutaj STK5C4U332J-E ON Semiconductor do silników 3-fazowych typu PMSM, BLDC oraz asynchronicznych silników AC. Jego schemat blokowy został przedstawiony na rysunku 2.

Elementy mocy

Istotny wpływ na sprawność układu napędowego może mieć wybór odpowiednich tranzystorów MOSFET do sterowania silnikiem. W obwodach sterowania silników zwykle narzuca to stosowanie tranzystorów MOSFET z kanałem N, które mają niższą rezystancję R_DS(ON) niż z kanałem P. Niemniej należy pamiętać, że przy dużych mocach wyjściowych i wysokich częstotliwościach kluczowania MOSFET-y wymagają dużej mocy sterującej wymaganej do szybkiego przeładowywania pojemności bramka-źródło.

Driver musi zapewnić duży prąd wyjściowy a tranzystor powiniem mieć możliwie jak najmniejszy wymagany ładunek bramki. Przykładem takich komponentów może być seria MOSFET-ów Strong-IRFET firmy Infineon, która została zoptymalizowana pod kątem niskiej rezystancji R_DS(ON) oraz wysokiej wydajności prądowej.

Zestawy rozwojowe

Tworzenie aplikacji do sterowania silnikami to poważne wyzwanie inżynierskie, stąd na rynku jest wiele zestawów rozwojowych ułatwiających rozpoczęcie pracy. Przykładem może być zestaw aplikacyjny sterowania silnikiem BLDC 300 W firmy Infineon, płytka rozszerzająca sterownika do 3-fazowego silnika BLDC przeznaczona dla układów z rodziny STM32 Nucleo firmy STMicroelectronics, a nawet nakładka TinkerKit do obsługi silnika Arduino.

Dla projektantów systemów mechatronicznych dostępny jest z kolei zestaw demonstracyjny PICDEM firmy Microchip, który stanowi rozbudowane środowisko projektowe obejmujące wbudowany silnik krokowy oraz silnik BLDC.

Simon Duggleby
RS Components
pl.rs-online.com