เริ่มต้นใช้งานการควบคุมเชิงสนามแบบไร้เซนเซอร์ของมอเตอร์ BLDC และ Infineon

มอเตอร์ไฟฟ้ามีอยู่ทั่วไปทั้งในบ้าน ที่ทำงาน และยานพาหนะของเรา ตัวอย่างเช่น รถยนต์สมัยใหม่ทั่วไป พบว่ามีมอเตอร์ประมาณ 35 ตัวกระจายอยู่ทั่วตัวรถ ทั้งมอเตอร์ DC แบบมาตรฐานและแบบไม่มีแปรงถ่าน (BLDC) ใช้สำหรับการใช้งานตั้งแต่ปั๊มเชื้อเพลิงไปจนถึงลิฟต์หน้าต่าง (รูปที่ 1)

รูปที่ 1 การใช้งานทั่วไปสำหรับมอเตอร์กระแสตรงและกระแสตรงแบบไม่มีแปรงถ่าน (BLDC) (แหล่งรูปภาพ: Infineon)

ด้วยการเติบโตของรถยนต์ไฟฟ้าและไฮบริด แนวโน้มที่มีต่อจำนวนมอเตอร์ต่อคันจะเพิ่มขึ้นไปอีก นอกจากยานยนต์แล้ว มอเตอร์ DC และ BLDC ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมระบบอัตโนมัติ การควบคุม และการใช้งานหุ่นยนต์

โดยทั่วไปแล้ว มอเตอร์ BLDC มักใช้ในการใช้งานที่มีความต้องการสูง เนื่องจากมีข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพเหนือมอเตอร์ DC แบบมีแปรงถ่าน มอเตอร์ BLDC ให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น อายุการใช้งานยาวนานขึ้น และแรงบิดต่ออัตราส่วนน้ำหนักที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับมอเตอร์กระแสตรง ข้อเสียของ BLDC รวมถึงต้นทุนและความต้องการที่สูงขึ้นสำหรับวงจรควบคุมเพิ่มเติม

ในบันทึกส่วนตัว ฉันเพิ่งอัพเกรดสว่านที่ใช้แบตเตอรี่และตัวขับกระแทกจากเทคโนโลยีมอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงถ่าน การปรับปรุงแรงบิดและอายุการใช้งานแบตเตอรี่นั้นโดดเด่นและคุ้มกับค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม

BLDC มอเตอร์

มอเตอร์ BLDC เป็นรูปแบบหนึ่งของมอเตอร์กระแสตรงมาตรฐานทั่วไป ความแตกต่างพื้นฐานที่เป็นมอเตอร์ BLDC นั้นจำเป็นต้องมีการสับเปลี่ยนโดยวิธีการทางอิเล็กทรอนิกส์มากกว่าการใช้แปรงแบบกลไก โรเตอร์ของมอเตอร์ BLDC ประกอบด้วยแม่เหล็กถาวร และสเตเตอร์ถูกพันด้วยชุดเสาที่สอดคล้องกัน วงจรควบคุมใช้เพื่อกระตุ้นขดลวดและสร้างสนามหมุน การเคลื่อนที่และแรงบิดถูกสร้างขึ้นเมื่อแม่เหล็กโรเตอร์พยายามปรับแนวให้เข้ากับสนามสเตเตอร์ที่หมุนอยู่

การควบคุมเชิงสนามแบบไร้เซนเซอร์ (FOC)

Sensorless Field Oriented Control (FOC) เป็นหนึ่งในวิธีการควบคุมความเร็วและแรงบิดของมอเตอร์ BLDC การควบคุมเชิงสนาม (หรือที่เรียกว่าการควบคุมเวกเตอร์) เป็นเทคนิคที่ใช้ในการสร้างมอดูเลตไซน์แบบ 3 เฟส ซึ่งสามารถควบคุมความถี่และแอมพลิจูดได้ การคำนวณใช้เพื่อแปลงสัญญาณสามเฟสเป็นสองเฟสที่ง่ายต่อการควบคุมและนำไปใช้ในวงจรควบคุมมอเตอร์ การควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์จะกำจัดเซ็นเซอร์ตำแหน่งและวัดแรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับ (EMF) แทนเพื่อกำหนดตำแหน่งของโรเตอร์

การใช้ FOC แบบไร้เซ็นเซอร์ในไมโครคอนโทรลเลอร์

การใช้ FOC แบบไร้เซ็นเซอร์จำเป็นต้องมีการวัดสัญญาณและทำการคำนวณทางคณิตศาสตร์ ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีประสิทธิภาพและชุดอุปกรณ์ต่อพ่วงที่จำเป็นเหมาะสมที่จะใช้ฟังก์ชันนี้ จากInfineon TLE9879QXA40 เป็นSoC ไดรเวอร์มอเตอร์ 3 เฟสชิปตัวเดียวที่ผนวกรวมกับ Arm® Cortex®-M3 core เอาไว้(รูปที่ 2)

รูปที่ 2 TLE9879x แอพลิเคชันบล็อกไดอะแกรม (แหล่งรูปภาพ: Infineon)

ประกอบด้วยไดรเวอร์ NFET แบบครบวงจร 6 ตัวที่ปรับให้เหมาะกับการขับเคลื่อนมอเตอร์ 3 เฟสผ่าน NFET กำลังภายนอก 6 ตัว ปั๊มประจุไฟฟ้าช่วยให้ทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าต่ำ และกระแสที่ตั้งโปรแกรมได้พร้อมกับการควบคุมความชันของกระแสไฟสำหรับพฤติกรรม EMC ที่ปรับให้เหมาะสมที่สุด ชุดอุปกรณ์ต่อพ่วงประกอบด้วยเซ็นเซอร์ปัจจุบัน ADC โดยประมาณที่ต่อเนื่องกันซึ่งซิงโครไนซ์กับหน่วยจับและเปรียบเทียบสำหรับการควบคุม PWM และตัวจับเวลา 16 บิต ตัวรับส่งสัญญาณ LIN ยังถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อให้สามารถสื่อสารกับอุปกรณ์พร้อมกับ I/O วัตถุประสงค์ทั่วไปจำนวนหนึ่ง ประกอบด้วยตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นบนชิปเพื่อจ่ายโหลดภายนอก

TLE9879QXA40 ของ Infineon เป็นโซลูชันที่ดีสำหรับการควบคุมภาคสนามของมอเตอร์ BLDC มีประสิทธิภาพและชุดคุณลักษณะเพื่อใช้ไดรเวอร์มอเตอร์ BLDC ประสิทธิภาพสูงและคุ้มค่าในพื้นที่บอร์ดน้อยที่สุด บันทึกการใช้งานเชิงลึก “การควบคุมเชิงสนามแบบไร้เซนเซอร์ด้วย SoC พลังงานในตัว” รายละเอียดทฤษฎี FOC และวิธีการใช้อัลกอริทึม

เริ่มต้นใช้งาน

BLDC_SHIELD_TLE9879 จาก Infineon บอร์ดประเมินผลราคาประหยัดเป็นทางเลือกที่ง่ายในการเริ่มต้นใช้งาน FOC แบบไร้เซ็นเซอร์ มันใช้ TLE9879QXA40 และออกแบบมาเพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ BLDC ร่วมกับกระดานข้างก้นที่เข้ากันได้กับ Arduino เมื่อรวมเข้ากับ Arduino Uno และมอเตอร์ BLDC ที่เข้ากันได้ คุณสามารถหมุนมอเตอร์ได้ในเวลาไม่ถึงหนึ่งชั่วโมง (ภาพที่ 3)

รูปที่ 3 BLDC_SHIELD_TLE9879 ติดตั้งบนกระดานข้างก้น Arduino Uno (แหล่งรูปภาพ: Infineon)

แผนผัง Arduino ไลบรารีและเอกสารประกอบฉบับสมบูรณ์สำหรับ BLDC_SHIELD_TLE9879 มีที่ https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield ในขณะที่ค้นคว้าบล็อกนี้ ฉันใช้เวลาทำงานกับ Uno และ shield เพื่อทำความคุ้นเคยกับการขับมอเตอร์ BLDC ขั้นตอนการกำหนดค่า รหัสทดสอบ และการอ้างอิงเอกสารรวมอยู่ในโปรเจ็คการขับขี่ BLDC มอเตอร์ด้วย TLE9879Qx 3-Phase ชิลด์ขับมอเตอร์ จาก Infineonซึ่งโพสต์บน TechForumจาก DigiKey

การพัฒนาโปรแกรมประยุกต์

สำหรับผู้ที่สนใจเจาะลึกลงไปในการออกแบบและการพัฒนาที่อิง TLE9879Qx Infineon จัดหาแหล่งข้อมูลเพิ่มเติม เป็นจุดเริ่มต้น ซอร์สโค้ดสำหรับเฟิร์มแวร์ที่แฟลชบนโล่ BLDC นั้นมีให้ใช้งานเป็นไฟล์โปรเจ็กต์ Keil uVision ไฟล์โครงการจะรวมอยู่ในการดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ “BLDC ชีลด์สำหรับ Arduino ด้วย TLE9879QXA40” จาก Infineon ที่ลิงค์ BLDC_SHIELD_TLE9879 ในหน้าโครงการชีลด์ นอกจาก BLDC ชีลด์แล้วยังมี REF_WATERPUMP100W การออกแบบปั๊มอ้างอิง และ REF_ENGCOOLFAN1KW การออกแบบพัดลมอ้างอิงให้คุณจาก DigiKey อีกด้วย

บทสรุป

บอร์ดประเมินผล BLDC_SHIELD_TLE9879 ของ Infineon เป็นวิธีที่รวดเร็วและต้นทุนต่ำในการเริ่มต้นโดยใช้ FOC แบบไร้เซ็นเซอร์ในการขับเคลื่อนมอเตอร์ BLDC บอร์ดยังเป็นแหล่งข้อมูลที่ดีสำหรับผู้ใช้ขั้นสูงที่สนใจในการประเมิน TLE9879QXA40 และเริ่มต้นด้วยซอร์สโค้ดที่ให้มา

ข้อมูลอ้างอิงภายนอก

1 – Infineon “คู่มือยานยนต์”

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-motorcontrol_handbook-AdditionalTechnicalInformation-v01_00-EN.pdf