Rutronik: Интегрални контролери за различни типове електродвигатели

28.06.2018   |   Начало»Експертно

Редактор
Пепа Петрунова

Редактор
Пепа Петрунова

Ралф Хикл, Rutronik Elektronische Bauelemente

Освен за задвижване на допълнителни агрегати като помпи и вентилатори, колекторните и безколекторните постояннотокови електромотори и маломощните стъпкови двигатели намират все повече приложения в съвременните автомобили. Всички те могат да бъдат управлявани от едночипови контролери с висока степен на интеграция.

Различни случаи на приложение – различни задвижвания
Все повече помощни и сервозадвижвания в автомобилите се отделят от основния мотор и се задвижват с електродвигатели по причини свързани с ефективността и за намаляване на емисиите CO₂. Освен това все повече функции за безопасност и комфорт се реализират с електрическо задвижване. В зависимост от случая на приложение различните типове двигатели предлагат различни предимства. Следва кратък преглед:

- Постояннотоковите (DC) двигатели с колектор могат да бъдат управлявани много лесно и осигуряват въртящ момент, който при постоянно поле на статора е пропорционален на тока на котвата. Или иначе казано, от тока на котвата лесно може да се определи товарният момент. Едновременно с това, оборотите на първо приближение са пропорционални на напрежението на котвата. DC двигателите се управляват и регулират чрез тази проста закономерност. За работа в една посока на въртене като силово стъпало е достатъчен управляван чрез PWM транзистор, при необходимост от промяна на посоката на въртене - H-мост. С много малко усилие за свързване и изчисление могат да се реализират задвижвания за преместване на седалката или огледалото, за помпата на чистачките и подобни приложения със сходни кратки периоди на включване. Контактът на намотките на котвата с колектора и (графитните) четки е свързан обаче с износване, при което се създава електрически проводим прах от фини частици. Който е държал в ръце стар постояннотоков двигател от прахосмукачка, знае за какво става въпрос. Освен това механичната комутация създава електромагнитни смущения, срещу които трябва да бъдат взети съответни мерки.

- Постояннотоковите безколекторни (BLDC) двигатели са далеч по-подходящи за продължителна употреба, тъй като при тях няма свързано с износване електромеханично комутиране на тока чрез четки и колектор. По тази причина те се препоръчват за помпи, вентилатори и други агрегати с по-голяма продължителност на включване. Стандартно в намотки на BLDC двигателите се създава въртящо магнитно поле, което пък създава въртящ момент в ротора от постоянни магнити. Управлението е по-трудно, отколкото при обикновените DC двигатели, защото управляващата схема трябва да създава няколко (най-много три) променливи напрежения, които могат да се регулират по честота и напрежение и да поддържат определено фазово разположение едно спрямо друго. За да работи BLDC двигателят тихо и без вибрации, трябва да има фазови токове с възможно най-близка до синусообразната форма. Това се постига например чрез фазови напрежения с модулиране на ширината на импулса със синусообразна основна хармонична съставна. В този случай се говори и за синусово комутиране. Ако двигателят се управлява с правоъгълна основна хармонична съставна, се говори за блоково комутиране. BLDC двигателите спадат към типа на синхронните машини: Оборотите се определят от честотата на фазовите токове и броя на полюсите на двигателя. За определяне и регулиране на въртящия момент при динамично натоварване днес често се използва полево ориентирано регулиране (FOC). Това е математически модел, който осигурява информация за изчислен ток на котвата и поток през статора аналогично на DC двигателя. Математическият модел се нуждае от данни за позицията на ротора, фазовите токове и неголеми изчислителни ресурси. Хардуерното крайно стъпало на инвертора с шестте си комутиращи транзистора за един трифазен BLDC двигател “добавя в сметката” доста повече, отколкото H-моста за DC двигателя. По тази причина реализирането на хардуера, както и определянето на параметрите за регулиране, са по-трудни, отколкото при подобен DC двигател. В дългосрочен план предимствата на BLDC двигателите, например по-малкото износване и свързаният с него по-продължителен експлоатационен живот, по-малкото тегло, респективно по-малките размери на двигателя при по-висока ефективност, ще вземат превес на пазара и класическите колекторни постояннотокови двигатели ще бъдат изтласкан в нишови приложения.

- Стъпковите двигатели принадлежат към типа синхронни машини с най-малко две фази, които се управляват с помощта на ШИМ (PWM) през полумостове. Броят на полюсите е голям, което дава възможност едно завъртане на ротора да бъде разделено на много стъпки. Стъпковото завъртане може да бъде определено с помощта на референтна точка на ъгъла на ротора и по този начин се определя позицията на товара. Възможни области на приложение в автомобила са например регулирането на височината на фаровете, завъртането на фаровете при завой и позиционното управление на различни клапи. За двуполюсно управление на двуфазен стъпков двигател са необходими два H-моста.

Управляващият специализиран микроконтролер
Micronas HVC4223F е едночипово решение за всички гореспоменати типове маломощни електродвигатели при сума на обратните токове от 1A. Този високоинтегриран модул съдържа в компактния (6 x 6 mm) QFN корпус 32-битов ARM^® Cortex^®-M3; микроконтролер с 32 KB Flash, 2 KB SRAM, Low Dropout регулатор на напрежението за директно свързване към 12 V акумулатор, LIN-2.x трансивър, Watchdog таймер и изходни транзистори за директно свързване на всички описани по-горе типове електродвигатели. Благодарение на високата плътност на интеграция електрониката изисква по-малко място и поради това може да се инсталира директно в електродвигателя.

Изчислителната мощност на ядрото на процесора позволява използването на комплексни регулиращи алгоритми, като полево ориентирано управление на BLDC двигатели с пространствено-векторна модулация (Space Vector Modulation, SVM), блоково комутиране (Six-Step Modulation) със и без сензори, както и различни методи на управление на стъпкови двигатели.

Интегрираният LIN трансивър има допълнителен извод за функцията за автоматично адресиране, наречена Micronas easyLin^®. Възможността за автоматична идентификация на разнообразни по характер приложения с помощта на HVC4223F позволява лесното изграждане на LIN клъстери. Те се състоят от множество идентични LIN възли, които всички са свързани към същата LIN шина и се идентифицират по своите LIN адреси. Като цяло HVC4223F дава възможност за поетапна миграция от класическите колекторни DC към модерните BLDC двигатели. Така, в много области на приложение, благодарение на повишената гъвкавост и производителност, се създават интелигентни изпълнителни механизми, които спомагат за намаляване на емисиите CO₂, респективно добавят функции за комфорт.

Силовото стъпало
Интегрираните изходни транзистори са комутирани в три H-моста или два 6-импулсни моста. Заедно със съответен ШИМ (PWM) таймер се постига голяма гъвкавост, което позволява свързването и експлоатацията на различни типове двигатели. HVC4223F може да бъде използван в следните задвижвания със следните конфигурации: независима работа на два или три DC двигателя, работа на BLDC или PMSM двигател или работа с един двуполюсен стъпков двигател.

Заключение
При необходимост от универсални двигателни контролери за малки задвижващи мощности до 25 W, трябва да се има предвид HVC4223F. Стандартното процесорно ядро и добре обмислената периферия го правят "хитро" едночипово решение за регулиране на спомагателни задвижвания в автомобилите и осигуряват възможност за поетапна миграция от класическите DC двигатели към модерните BLDC двигатели. В много области на приложение, благодарение на гъвкавостта и производителност, се създават интелигентни изпълнителни устройства, които намаляват въглеродните емисиите, респективно добавят функции за комфорт.

Възможните приложения включват: задвижване на огледалата; регулиране на височината на фаровете; завъртането на фаровете при завой; клапани за отработените газове; задвижване на щорите на радиатора; климатизация на седалките; вентилатори и помпи; управление на клапи и вентили на климатичната система; прибиращи се интериорни елементи.

Ключови думи: Rutronik   Micronas   Micronas HVC4223F   едночипови контролери   автомобилни електроинсталации