Nowa generacja sterowników silników iMOTION zapewnia więcej funkcjonalności

| Technika

Rodzina układów iMOTION firmy Infineon Technologies to zintegrowane zaawansowane rozwiązania sterowników scalonych przeznaczone do tworzenia napędów silników o zmiennej prędkości. Chipy te mają zaimplementowany wysokiej klasy algorytm sterowania silnikiem oraz opcjonalnie realizują korekcję współczynnika mocy (PFC) wraz ze wszystkimi wymaganymi funkcjami sprzętowymi niezbędnymi do tego celu.

Nowa generacja sterowników silników iMOTION zapewnia więcej funkcjonalności

Pierwsza generacja sterowników silników iMOTION pojawiła się na rynku ponad dziesięć lat temu, ale do dzisiaj napędza miliony silników w zastosowaniach, takich jak agregaty klimatyzacji budynkowej lub urządzenia gospodarstwa domowego. W takich aplikacjach sterownik silnika jest zwykle połączony w całość z inteligentnym modułem zasilania (IPM), tworząc tzw. falownik.

Od ostatnich kilku lat na rynku widoczny jest silny trend stosowania w urządzeniach elektrycznych napędów o zmiennej prędkości wirowania zamiast prostych układów regulacji bazujących na włączaniu i wyłączaniu (on/off). Ta tendencja zmian na rynku, idąca w kierunku efektywnego wykorzystania energii elektrycznej, będzie utrzymywać się przez wiele lat, bo jest napędzana na całym świecie przez coraz surowsze przepisy, a także rosnącą świadomość ekologiczną klientów.

Wzrost popytu na napędy silników o zmiennej prędkości jest widoczny nie tylko w tradycyjnych aplikacjach, jak sprężarki klimatyzacji lub silniki napędzające bęben w pralkach. Coraz więcej falowników jest obecnie integrowanych w małych silnikach, jak wentylatory lub pompy, lub tzw. małym AGD. Takie znaczące rozszerzenie zakresu możliwości aplikacyjnych w połączeniu z większymi wymaganiami prawnymi i oczekiwaniem użytkowników wymaga użycia w realizowanych projektach urządzeń sterowników silników nowej generacji o zoptymalizowanych parametrach.

Rodzina iMOTION 2.0

Parametry i funkcjonalność nowej generacji sterowników silników iMOTION jak IMC100 lub IMC300 zostały wyraźnie ukierunkowane w celu spełnienia wymagań wynikających z wyżej wymienionych trendów rynkowych. Bazują one na całkowicie nowej i zaprojektowanej od zera platformie sprzętowej. Wykorzystuje ona najnowsze osiągnięcia technologiczne w zakresie układów peryferyjnych niezbędnych do sterowania silnikami. Analogowa część sterownika wykorzystuje nowoczesny przetwornik analogowo- -cyfrowy (ADC), który ma znacznie lepszą rozdzielczość w porównaniu do poprzednika, zarówno pod względem efektywnej liczby bitów (ENOB), jak i pod względem zapewnianej rozdzielczości czasowej. Poprawiona dokładność zwiększa precyzję obliczeń w pętli sterowania, a szybsze cykle pomiarowe pomagają w osiągnięciu coraz wyższych prędkości obrotowych w silnikach trójfazowych.

 
Rys. 1. Wzrost rynku napędów o zmiennej prędkości

Ponadto ADC ma wydzielone wejścia do różnicowego wzmacniacza pomiarowego o regulowanym wzmocnieniu. Wbudowanie tego elementu do wnętrza struktury sterownika zmniejsza koszt realizacji falownika i zapewnia dobre parametry użytkowe. Z kolei zintegrowane komparatory analogowe pozwalają na szybkie wykrywanie przeciążeń, a razem z przetwornikiem umożliwiają spełnienie wymagań bezpieczeństwa funkcjonalnego UL60730-1 dla sprzętu klasy B.

W części cyfrowej sterownika iMOTION dostępne są specjalne timery sterujące silnikiem, zdolne do generowania różnych wzorców modulacji PWM zarówno z dużą szybkością, jak i wysoką dokładnością. Wraz z rozszerzeniem zakresu zastosowania nowe sterowniki obsługują nie tylko bezczujnikową kontrolę pracy silnika. Do pracy z bardzo niską prędkością wirowania oraz w przypadkach, w których wymagane jest zapewnienie dokładności ruchu obrotowego, iMOTION 2.0 są dostarczane z modułem do obsługi czujników Halla. Końcówki wejściowe sterownika pozwalają na użycie zaawansowanych cyfrowych przełączników z sensorami Halla, a także niedrogich analogowych czujnikami tego typu. Pozwala to użyć sterownika także we wrażliwych na koszty aplikacjach.

Łatwe sterowanie silnikiem

 
Rys. 2. Implementacja silnika skryptowego

Innowacje w zintegrowanym oprogramowaniu do sterowania silnikiem – Motion Control Engine (MCE) pozwalają też obsługiwać silniki trójfazowe typu PMSM/BLDC. Są one używane w coraz większej liczbie napędów o zmiennej prędkości, w dużych urządzeniach i w małym sprzęcie gospodarstwa domowego. Nowy firmware bazuje na modułowej koncepcji, w której jednostki funkcjonalne tworzą oddzielne bloki i są połączone magistralą komunikacyjną. Taka topologia oprogramowania ma wiele zalet. Poszczególne moduły mogą być dodawane do systemu bez ingerencji w istniejące, a te istniejące mogą być oddzielnie modernizowane. W efekcie nowe wersje kodu MCE pojawiają się już co pół roku. Za każdym razem oprogramowanie jest dostępne na witrynie internetowej Infineona razem z wyczerpującą dokumentacją i opisem zmian.

Elastyczność od parametrów konfiguracyjnych

Pierwsza generacja oprogramowania MCE pozwalała na skonfigurowanie prawie każdego silnika PMSM i komponentów stopnia mocy. Teraz firmware zostało dodatkowo ulepszone o korekcję współczynnika mocy (PFC). Podobnie jak było to w pierwszej generacji teraz też sterownik może przechowywać wiele zestawów parametrów dla różnych profili napędów i przełączać się między nimi autonomicznie lub w odpowiedzi na sygnał zewnętrzny.

 
Rys. 3. Zadania związane ze sterowaniem silnikiem z zaznaczeniem kluczowych dla zapewnienia bezpieczeństwa

Sterowniki silnika iMOTION są dostępne jako wersje jedno- i dwurdzeniowe. Jednordzeniowy IMC100 to najtańsza wersja, która może sterować silnikiem równolegle z PFC. Z kolei IMC300 jest wyposażony w dodatkowy "mikrokontroler dla klienta", który jest całkowicie niezależny od sterownika silnika i zapewnia elastyczność aplikacyjną. Dodatkowy MCU oparty jest na rdzeniu ARM Cortex-M0 z bogatym zestawem urządzeń peryferyjnych i wieloma interfejsami komunikacyjnymi.

 
Rys. 4. Uproszczony schemat aplikacyjny IMC100

Sterowniki nowej generacji zapewniają też dodatkowy stopień elastyczności dzięki wprowadzeniu tzw. silnika skryptowego. Działa on jako zadanie oprogramowania MCE w tle, podobnie jak jest to w małej maszynie wirtualnej. Dzięki temu dodatkową elastyczność uzyskuje się bez dodatkowych kosztów sprzętu i bez ingerencji w silnik i algorytm sterowania PFC.

Język skryptowy wykorzystuje łatwą do zrozumienia składnię podobną do języka C i obsługuje takie funkcje, jak odczyt stanu czujników, przełączanie wyjść lub komunikacja ze zdalnym hostem. Ponadto dzięki dostępowi do parametrów MCE możliwa jest modyfikacja zachowania silnika w czasie pracy, np. wdrożenie specjalnej procedury uruchamiania. Silnik skryptowy może uruchamiać dwa równoległe zadania, z których jedno ma minimalny czas cyklu 1 ms, a drugie 10 ms.

Zapewnione bezpieczeństwo funkcjonalne

 
Rys. 5. Kompletne portfolio układów scalonych niezbędnych do stworzenia falownika

W dzisiejszych realiach gospodarczych coraz więcej firm obsługuje nie tylko swój rynek lokalny, ale także eksportuje produkty do innych regionów. Oznacza to, że ich wyroby muszą spełniać lokalne przepisy w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego. Najpopularniejszy standard w tym obszarze to UL/IEC60730-1 klasa B dla urządzeń gospodarstwa domowego. Jedna z głównych różnic między sterownikami iMOTION a standardowymi (uniwersalnymi) mikrokontrolerami leży w ich funkcjonalności pozwalającej na zdefiniowanie "bloku konstrukcyjnego sterowania silnikiem" w taki sposób, aby mógł zostać certyfikowany jako funkcjonalnie bezpieczny element.

Jest to wyraźna przewaga w stosunku do standardowych mikrokontrolerów, w których dostawca MCU oferuje bibliotekę w C implementującą poszczególne funkcje bezpieczeństwa, ale to producent napędu musi je zintegrować z rzeczywistą aplikacją napędu, a następnie złożyć wniosek o certyfikację produktu z takim układem i ponieść koszty z tym związane. W przypadku serii IMC100 rozwiązania pierwszej generacji są już wymienione na stronie internetowej UL jako zaakceptowane pod kątem bezpieczeństwa, a produkty drugiej generacji będą konsekwentnie się tam pojawiać w niedługim czasie.

 
Rys. 6. Zestaw referencyjny z projektem falownika bazujący na iMOTION

Dostępność certyfikatu znacznie zmniejsza wysiłek związany z dopuszczeniem formalnym do rynku gotowego urządzenia. Klient korzystający z produktów iMOTION może polegać na tym, że sprzęt i oprogramowanie zostały sprawdzone pod kątem zgodności z odpowiednimi standardami bezpieczeństwa.

Na rysunku 3 przedstawiono obszary związane ze sterowaniem silnikami, które są istotne w zakresie bezpieczeństwa i oceniane w procesie zgodności z UL / IEC 60730-1. Nie są pokazane tam testy POST, które uruchamiają się po włączeniu silnika. Warto zauważyć, że funkcje bezpieczeństwa dla napędu silnika są konfigurowalne, jeśli nie jest wymagane zapewnienie bezpieczeństwa w danym obszarze; odpowiedzialne fragmenty kodu można po prostu wyłączyć, pozostawiając więcej miejsca w pamięci na kod sterujący silnikiem i PFC lub na zintegrowany silnik skryptowy.

Bezpieczeństwo danych

Kolejnym ważnym kryterium w sterownikach nowej generacji jest bezpieczeństwo danych (własności intelektualnej producenta). Zawartość pamięci kontrolera musi być chroniona zarówno przed modyfikacjami, jak i przed odczytem. Odnosi się to do oprogramowania do sterowania silnikiem (MCE), obszaru parametrów silnika i układu PFC oraz skryptów zawierających dostosowanie sterownika do aplikacji klienta. Infineon udostępnia oprogramowanie MCE na stronie internetowej jako zaszyfrowany obraz. Po instalacji jest on odszyfrowywany na samym sterowniku silnika za pomocą klucza zaszytego w strukturze chipu. Skrypty klientów są z kolei kompilowane w postaci zwartej reprezentacji kodu bajtowego i nie można ich odczytać z układu po ich zaprogramowaniu. Aby zabezpieczyć zestawy parametrów konfiguracyjnych, przewidziano ochronę hasłem. Integralność kodu, parametrów i skryptu jest chroniona za pomocą sum kontrolnych, które są obliczane przy każdym uruchomieniu kontrolera.

Podsumowanie

Nowa generacja sterowników silnika z rodziny iMOTION wykorzystuje potencjał producenta wynikający z ponad dziesięcioletniego doświadczenia w tym obszarze techniki i milionów urządzeń na rynku wykorzystujących to rozwiązanie. Sterowniki z rodziny iMOTION mogą być stosowane jako standardowy element projektowy realizujący wydajny napęd silnika o zmiennej prędkości. Nawet w przypadkach, w których wymagane jest zapewnienie bezpieczeństwa funkcjonalnego, wytwórca napędu nie musi zagłębiać się w szczegóły implementacji, zyskując na czasie realizacji projektu, aby osiągnąć krótsze cykle projektowe i oszczędność kosztów badań i rozwoju.

Sterowniki nowej wersji mają znacznie lepszą funkcjonalność, w tym realizują start w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego i mają ulepszoną kontrolę wirowania. Sterownik zapewnia też korekcję współczynnika mocy, obsługę czujników Halla i realizuje wykrywanie kąta początkowego wirnika. Silnik skryptowy zapewnia znaczną elastyczność działania jednostki, a certyfikacja bezpieczeństwa ogranicza nakłady badawczo-rozwojowe i czas wprowadzania na rynek.

Infineon

Zobacz również