Электродвигатели и системы управления ими

В статье рассматриваются различные типы драйверов от компании Texas Instruments (TI) для управления основными типами электродвигателей постоянного тока. Также в статье рассматриваются конструктивные особенности и алгоритмы управления электродвигателями постоянного тока.

Электродвигатель, как тип элект­ромеханического привода, исполь­зуется очень широко, буквально во всех сферах жизни современного общества В офисной и домашней технике, в системах мониторинга и управления зданий и объектов по­всеместно используются электродви­гатели. которые являются одной из основных составляющих любого про­изводства. Электромобили и робо­ты — вот сферы применения где эле­ктродвигателям уготовано впечатля­ющее будущее.

Развитие технологий приводит к тому что традиционные двигатели совершенствуются и на­ходят все новые области применения. Робототехника и со­временные высокоточные станки и немыслимы без электро­двигателей с интеллектуальными системами управления.

Различные типы электродвигателей и их особенности.

Первый электродвигатель, преобразователь электричес­кой энергии во вращательное движение, был создан рус­ским ученым Якоби в 1834 году. В дальнейшем он был се­рьезно усовершенствован, и появилось множество его новых вариантов, но использованные при его создании принципы электромагнетизма по-прежнему являются основой всех мо­дификаций современных электродвигателей.

Как известно, проводник с проходящим по нему током (рис.1) создает вокруг себя магнитное поле, интенсивность (магнитная индукция) которого пропорциональна количеству витков, в случае использования катушки (М), и величине про­ходящего по ней тока (I):

В = К • N • I,

где:

I — сипа тока;

В — вектор магнитной индукции;

N — число витков;

К — магнитная постоянная.

При изменении направления протекания тока изменяет­ся и направление магнитного поля проводника. На поме­щенный во внешнее магнитное поле проводник с током дей­ствует сила Лоренца, вызывающая его вращательное пере­мещение.

Для определения направления вращения используется правила правой руки для проводника с током в магнитном поле (рис.2). При этом, сила (F), действующая на проводник в магнитном поле, равна произведению длины проводника (L), сипы тока (I) в проводнике на вектор магнитной индук­ции поля (В), т е. Р = I. • I • В.

Коллекторные электродвигатели

Коллекторные двигатели постоянного тока (для их обозна­чения компании Т1 использует аббревиатуру BDC) получили широкое распространение. Такой двигатель содержит ста­тор. состоящий из постоянных магнитов, в магнитном попе которого вращается многосекционный ротор с катушками, ко­торые попарно и попеременно подключаются через коммутируемые коллекторные ламели на оси ротора (рис.3).

Для выбора пары активируемых катушек используется закон Лорен­ца в соответствии с правилом бу­равчика. Т.е., источник тока всегда подключен к катушкам, силовые ли­нии магнитного поля которых сме­щены на угол, близкий к 90°, отно­сительно магнитного поля статора. Такие электродвигатели позволяют легко регулировать скорость враще­ния и отличаются невысокой стои­мостью.

В различном электроинструмен­те получил широкое распространение вариант двухобмоточного электродвигателя подобного ти­па, но со статорной обмоткой вместо постоянного магнита. Достоинство таких двигателей — это большой пусковой мо­мент и то, что они могут работать не только на постоянном, но и на переменном токе.

Однако, такая конструкция имеет серьезный недостаток, а именно износ щеточно-коллекторного узла в процессе экс­плуатации. К тому же, из-за новообразования, при комму­тации отдельных обмоток ротора, отмечается повышенный уровень электромагнитных помех, и само по себе новооб­разование не позволяет использовать такие двигатели во взрывоопасных средах.

Достоинства коллекторных двигателей:

• простая система управления;
• малая стоимость;
• двухобмоточные коллекторные двигатели, обладают вы­соким крутящим моментом и способны работать как на постоянном так и на переменном токе.

Недостатки коллекторных двигателей:

• щетки требуют периодического обслуживания, что понижает надежность двигателя;
• в процессе коммутации возникают электрические искры и электромагнитные помехи;
• затруднен отвод тепла от перегревающегося ротора.

Бесколлекторные электродвигатели.

Менее распространенными среди двигателей постоянного тока являются модели с бесщеточной конструкцией (BLDC, по классификации TI), использующие ротор с постоянными магнитами, которые вращаются между электромагнитами статора (рис.4).

В таких двигателях ток коммутируется электронным способом и переключение обмоток электромагнитов статора заставляет магнитное поле ротора следовать за его полем.

Для контроля за текущим положением ротора использу­ются энкодеры или датчик Холла, либо применяется техно­логия с измерением напряжения противо-ЭДС на обмотках без использования, в этом случае, отдельного датчика поло­жения ротора (SensorLess).

Поскольку коммутация тока обмоток статора выполняет­ся с помощью электронных ключей (вентилей), то бесколлекторные двигатели BLDC часто называют «вентильными». При этом, очередность подключения пары обмоток двигате­ля происходит в зависимости от текущего положения рото­ра. При работе двигателей типа BLDC, контроллер коммути­рует обмотки статора так. чтобы вектор магнитного поля ста­тора всегда был сдвинут на угол, близкий к +90° или -90^: относительно вектора магнитного по­ля ротора. Таким образом форми­руется вращающееся магнитное поле, которое заставляет переме­щаться вслед за ним ротор с посто­янными магнитами.

При использовании трехфазно­го сигнала управления подключен­ными к источнику тока всегда ока­зываются только две пары обмоток, а одна — отключена. Таким образом происходит чередование фаз при вращении электродвигателя (рис.5).

Такие двигатели, без датчиков положения ротора, отличаются вы­сокой технологичностью процесса изготовления и низкой стоимостью, к тому же, их конструкция упроща­ет герметизацию внешних подклю­чаемых выводов.

Часто, в качестве датчиков скорости и положения ротора в BLDC используются дат­чики Холла, которые отличаются небольшой стоимостью, но также и довольно невысо­ким разрешением.

Более высокое разрешение обеспечива­ют вращающиеся трансформаторы (резольве­ры). Они отличаются высокой стоимостью и требуют использования ЦАП, так как выход­ной сигнал у них синусоидальный Очень вы­соким разрешением, но пониженной надеж­ностью. обладают оптические датчики Выход­ные сигналы датчиков разного типа, при вра­щении ротора двигателя, показаны на рис.6.

Преимущества двигателей BLDC

• отсутствие щеток, обеспечивающее по­вышенную надежность, снижение за­трат на обслуживание,
• линейность тока/крутящего момента,
• высокая эффективность,
• упрощенный отвод тепла.

Недостатки двигателей BLDC

• более сложная система управления с обратной связью по положению ротора,
• пульсации крутящего момента

Шаговые электродвигатели

Шаговые двигатели широко используются в систе­мах автоматики и управления. Они представляют собой еще один тип бесколлекторных двигателей постоянного тока.

В шаговом двигателе имеется статор, на котором размещены обмотки возбуждения, и ротор, выполненный из магнитных материа­лов. Благодаря наличию магнитного ротора шагового двигателя позволяют обеспечить больший крутящий момент и жесткую фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

В процессе работы ротор шагового двигателя перемещается шагами под управлением подаваемых на обмотки статора импульсов пи­тания. Шаговые двигатели удобны для использования в приводах машин и механизмов работающих в режиме старт/стоп. При этом диапазон перемещения ротора задается определенной после­довательностью электрических импульсов.

Такие двигатели отличаются высокой точностью углового перемещения, не требуют датчиков и цепей обратной связи.

Угол поворота ротора шагового двигателя зави­сит от числа поданных импульсов управления. Величина шага зависит от конструктивных особенностей дви­гателя, схемы подключения обмоток и последовательности подаваемых на них управляющих импульсов.

Шаговые двигатели делятся на биполярные и униполярные, в зависимости от конфигурации схемы подключения обмоток.

Биполярный двигатель имеет в каждой из двух фаз единую обмот­ку для обоих полюсов статора, ко­торая для изменения направления магнитного поля переполюсовывается драйвером. Т е биполярный двигатель имеет две обмотки и, со­ответственно, четыре вывода. Для управления ним требуется мостовой драйвер или полумостовая схема с двухполярным питанием. При биполярном уп­равлении одновременно работают две обмотки, что позво­ляет получить крутящий момент примерно на 40% больше. Последовательность сигналов управления при вращении би­полярного шагового двигателя показана на рис.7.

Униполярный двигатель в каждой фазе использует одну обмотку со средним выводом и позволяет использовать более простую схему управления с одним ключом на каж­дую из четырех полуобмоток. Содержащие 4 обмотки шагового двигателя могут использоваться как в биполярной, так и в униполяр­ной конфигурации.

Когда ток протекает по одной из катушек, ротор стре­мится изменить положение так, чтобы противоположные по­люса ротора и статора установились друг против друга. Та­ким образом, для непрерывного вращения ротора катушки попеременно переключают.

Практически используются разные способы подачи пита­ния на четыре обмотки статора. Обычно применяют попар­ное подключение с полношаговым или полушаговым режи­мом работы.

В попношаговом режиме ротор с двумя полюсами, вращаясь в пе­реключаемом магнитном поле двух пар катушек, может занимать че­тыре положения (рис.8).

Для достижения удвоенной точ­ности позиционирования и получе­ния восьми позиций используется полушаговый режим работы (рис.9). Чтобы это обеспечить добавляется промежуточный шаг с одновремен­ной запиткой всех четырех катушек.

Режим микрошага использует­ся для получения ещё большей точ­ности позиционирования.

Этот режим обеспечивается по­дачей на обмотки шагового двигателя вместо импульсов управления непрерывного сигнала, напоминающего по форме ступенчатую синусоиду.

Таким образом, полный шаг шагового двигателя делится на маленькие ми­крошаги, а его вращение становится более плавным. Имен­но режим микрошага позволяет получить наиболее точное по­зиционирование. К тому же. в этом режиме значительно снижается присущая шаговым двигателям вибрация корпуса.

Достоинства шаговых двигателей:

• высокая точность позиционирования;
• хороший удерживающий момент;
• широкий диапазон скоростей вращения;
• невысокая стоимость благодаря отсутствию схем кон­троля скорости вращения и позиционирования;
• простой интерфейс управления с цифровыми контролле­рами;
• очень высокая надежность.

Недостатки шаговых двигателей:

• достаточно сложная схема управления; потребление энергии не уменьшается даже при работе без нагрузки;
• из-за отсутствия обратной связи возможна потеря кон­троля положения; невысокая удельная мощность;
• ШД присуще явление резонанса;
• затруднена работа на очень высоких скоростях вращения.

Работу в режиме микрошага иллюстрирует рис.10.

Стандартные решения для управления электродвигателями

Традиционная прецизионная систе­ма управления электродвигателем по­стоянного тока включает в себя мик­роконтроллер для обработки данных и блок управления питанием обмоток дви­гателя (драйвер). Драйвер содержит ло­гическую схему для преобразования ко­дированных посылок в цифровые управ­ляющие сигналы. Из этих сигналов в блоке Gate Driver формируются анало­говые сигналы для управления силовыми ключами выполненных на полевых транзисторах (FET), которые могут входить в состав драйвера или размещаться в отдельном блоке. В состав драйвера также входят схемы защиты силовых цепей и цепи обратной связи для контроля работы двигателя.

Варианты функциональных схем для интегрированного и предварительного драйверов показаны на рис.11. Каждая из таких схем имеет свои преимущества и особенности. Пред­варительный  драйвер  (Pre-Driver, рис.11, а) имеет значитель­но облеченный тепловой режим, что позволяет выбирать внешние силовые ключи в соответствии с мощностью под­ключаемого к устройству двигателя.

Полнофункциональный интегрированный драйвер  (рис.11, б) позволяет создавать более компактные системы управления, минимизирует внешние соединения, но значительно услож­няет обеспечение отвода тепла и борьбу с перегревом отдельных элементов устройства.

Например, у предварительного драйвера от компании ТІ типа DRV8301 максимальная рабочая температура отдельных элементов на плате не превышает 37°С, а у интегрированного драйвера типа DRV8312 этот показатель может достигать 100°С.

Мост типа «Н» — это одна из наиболее распространен­ных схем для коммутации обмоток электродвигателей. Та­кое название схемы связано с конфигурацией подключения, которая похожа на букву «Н».

Такая электронная схема позволяет легко изменять на­правление тока в нагрузке и, следовательно, направление вращения ротора коллекторного электродвигателя.

Напряжение, прикладываемое к обмоткам через тран­зисторы моста, может быть как постоянным, так и мо­дулированным с помощью ШИМ. «Н» мост необходим, в первую очередь, для изменения направления вращение двигателя (реверса) путем изменения полярности пита­ния двигателя (рис.12), но он также позволяет тормо­зить двигатель, коротко замыкая выводы обмоток (рис. 13).

Самой важной характеристикой силовых элементов моста (как правило, это полевые транзисторы с изолиро­ванным затвором), является величина сопротивления от­крытого канала между истоком и стоком транзистора R_dson. Значение R_dson многом определяет тепло­вые характеристики блока управления электродвигателем и энергетические потери. С увеличением температуры R_dson растет, т.е. ток и напряжение на обмотках элект­родвигателя будут уменьшаться.

Для уменьшения пульсаций крутящего момента и обес­печения более плавного вращения ротора двигателя ис­пользуются управляющие сигналы ШИМ с частотой бо­лее 20 кГц, чтобы избежать акустического шума. Одна­ко, с увеличением частоты растут потери на транзисто­рах моста в процессе коммутации.

Поскольку обмотки электродвигателя представляют собой комплексную нагрузку со значительной индуктив­ной составляющей, величина тока в них не соответству­ет форме подаваемого напряжения ШИМ. Т.е. после по­ступления импульса управления ток обмотки нарастает постепенно, а в паузах он плавно спадает из-за возник­новения в обмотках противо-ЭДС. Скорость нарастания / спада тока в обмотке, амплитуда и частота пульсаций влияют на рабочие характеристи­ки двигателя: пульсации крутяще­го момента, шум, мощность и т.д.

Три состояния моста: рабочее, быстрого торможения (Fast Decay) и медленного торможения (Slow Decay) показаны на рис.13.

Для обеспечения ускоренного затухания тока в обмотках элект­родвигателей вызванного эффек­том противо-ЭДС используют дио­ды в обратном включении, шунти­рующие переходы «сток-исток» транзисторов (рис.13, б). Также закорачивают обмотки через пере­ходы «сток-исток» двух транзисторов, одновременно включенных в разных плечах моста (рис.13, в).

Наиболее эффективным считается комбинированный ре­жим (Mixed Decay). В этом случае в паузе между рабочи­ми импульсами сначала работают диоды, шунтирующие сток-исток транзисторов, а затем включаются транзисторы в ниж­них плечах моста.

Драйверы для управления электродвигателями

Компания TI предлагает широкий ассортимент различ­ных драйверов для управления электродвигателями постоянного тока. При использовании минимума внешних ком­понент, эти драйверы позволяют создавать компактные ре­шения для управления двигателями с рабочим напряжени­ем до 60 В, отличаются повышенной надежностью, обеспе­чивают быстрое и простое проектирование систем привода электродвигателями.

Благодаря тому, что в драйверы встроены интеллектуаль­ные функции, требуется только минимальная поддержка внеш­него управляющего микроконтроллера (MCU), и они обеспе­чивают расширенные коммутационные возможности для об­моток, поддерживают внешние датчики и цифровые контуры управления.

В состав защитных функций драйверов входит:

• защита от превышения тока и короткого замыкания;
• ограничение напряжения питания;
• защита от понижения напряжения;
• защита от превышения максимальной рабочей температуры.

В предложениях TI драйве­ры для двигателей постоянного тока разделены на 3 категории:

• шаговые двигатели;
• коллекторные двигатели;
• бесколлекторные двигатели.

Кроме того, есть отдельные драйверы, предназначенные для использования с двигателями разных типов.

Драйверы для шаговых двигателей

Классификация драйверов TI для управления шаговых двигателей приведена на рис.14. Такие драйверы вы­пускаются как со встроенными силовыми ключами на основе FET, так и в виде предваритель­ных драйверов, предоставляю­щих пользователю подбор необ­ходимых силовых ключей. В мо­дельном ряду компании TI бо­лее 35 драйверов для ШД.

В драйверах для шаговых двигателей исполь­зуются наиболее современные решений для управления пере­мещением и точным позицио­нированием с использованием микрошаговых схем управле­ния, обеспечивающих электро­двигателей плавным перемеще­нием в широком диапазоне на­пряжения и тока.

Некоторые драйверы, в ко­торых имеется только один уп­равляющий контроллер, позво­ляют управлять сразу двумя двигателями, имея для этого че­тыре встроенных моста на ос­нове FET. На рис.15 показано использование драйвера типа DRV8834, который можно под­ключить для управления к двум обмоткам шагового двигателя или использовать эти же вы­воды для управления двумя обычными электродвигателями постоянного тока.

Чтобы обеспечить очень плавное перемещения ротора, в драйверах для ШД используется настраиваемый механизм сглаживания импульсов тока (режимы Slow, Fast, Mixed Decay).

Используется 2 варианта расчета микрошага:

• с использованием внешнего опорного сигнала;
• система встроенная в драйвер.
• Драйверы типов DRV8812, DRV8813, DRV8828, DRV8829, DRV8841, DRV8842 и DRV8843 обеспечивают микрошаговое вращение с использованием получаемого от внешнего кон­троллера опорного напряжения (V_ref). Уровень дробления ос­новного шага может достигать величины 1/128 или 1/256.
• Драйверы типов DRV881, DRV8818, DRV8821, DRV8824 и DRV8825 не требуют внешнего контроллера для микрошагового перемещения. В них шаг перемещения и алгоритм коммута­ции обмоток рассчитываются схемой, встроенной в драйвер.

Драйверы типов DRV8803, DRV8805 и DRV8806 предназначены для управления ШД с униполярным подклю­чением обмоток.

Драйверы для коллекторных электродвигателей (BOC)

Специальное семейство драйверов DRV8х предназначе­но для управления коллекторными электродвигателями по­стоянного тока. Классификация представителей этого семей­ства показана на рис.16. Эти драйверы обеспечивают защи­ту двигателя от: короткого замыкания, превышения напряже­ния и тока, перегрева.

С помощью одного драйвера можно управлять одним или несколькими двигателями с рабо­чим напряжением 1.8…60 В. Сре­ди драйверов этого семейства есть драйверы как с интегриро­ванными силовыми ключами, так и драйверы требующие исполь­зования внешних ключей.

В целом драйверы данного се­мейства требуют минимум внеш­них элементов обеспечивают ком­пактность решений, сокращают время разработки и позволяют быстрее выпустить новые продук­ты на рынок.

Чтобы минимизировать потреб­ление энергии в режиме простоя и обеспечивает ускоренную акти­визацию при запуске двигателя в этих драйверах используется спящий режим (Sleep).

Для выбора направления вращения и включения клю­чей выходного моста могут использоваться внешние сиг­налы PHASE/ENABLE. Также для управления скоро­стью вращения могут использоваться внешние сигналы ШИМ.

Драйвер типа DRV8823 содержит четыре выходных моста и управляю­щий интерфейс SPI. Поэтому его мож­но использовать для управления дву­мя ШД, или одним ШД и двумя BDC, или же четырьмя BDC.

Функциональная схема драйвера DRV8837 управляющего одним коллек­торным двигателем показана на рис.17.

Драйверы для бесколлекторных электродвигателей (BLDC)

Драйверы ТI для BLDC, могут включать интегрированный силовой мост или использовать внешние сило­вые транзисторы. При этом схема формирования 3-фаз­ных сигналов управления также может быть внешней или встроенной.

Семейство драйверов для управления BLDC вклю­чает модели как с различным крутящим моментом, так и с разными принципами управления. Драйверы пред­назначены для использования в промышленном обору­довании, автомобильных системах и другой технике.

Драйверы обеспечивают защиту от превышения тока, напряжения и тем­пературы.

Классификация некоторых из 3-фазных драйверов TI для BLDC приведе­на на рис.18. Модельный ряд драй­веров этого семейства постоянно по­полняется.

В драйверах для BLDC контроль положения ротора производится либо с использованием схемы управления с определением позиции ротора по ве­личине противо-ЭДС (Back Electromotive Force, BEMF), либо с использованием внешних датчиков разных типов.

Управление частотой и направле­нием вращение двигателя может про­изводится с использованием ШИМ, ана­логовых сигналов или через стандарт­ные цифровые интерфейсы.

Для хранения настраиваемых па­раметров используется внутренняя энергонезависимая память.

Функциональная схема интеллек­туального драйвера для BLDC типа DRV10983 со встроенными силовыми ключами на полевых транзисторах, с сопротивлением открытого канала всего лишь 250 мОм приведена на рис.19. Этот драйвер может работать в широком диапазоне температур от -40°С до +125°С и в диапазоне ра­бочих напряжений 8…28 В драйвер может обеспечивать номинальный ток 2 А (пиковый ток 3 А).

Драйвер не требует внешнего дат­чика для контроля положения рото­ра, но может использовать внешний резистор для контроля потребляемой двигателем мощности. Достоинство драйвера — это малая потребляемая мощность, ток потребления в дежур­ном режиме составляет всего 3 мА. В энергосберегающей модели DRV10983Z этот показатель доведен до уровня 180 мкА. Через интерфейс I²С обеспечивается диагностика и на­стройка, доступ к регистрам управ­ления работой логической схемы и хранящимся в памяти EEPROM ра­бочим профилям драйвера.

Драйвер имеет широкий набор за­щитных функций:

• остановку двигателя в случае превышения тока и понижения напряжения;
• ограничение входного напряжения;
• защита по превышению тока работает без использова­ния внешнего резистора.

Используются специальные регистры для настройки ме­тодов использования защиты двигателя.

Автор: Алексей Зотов, г. Курск
Источник: Электрик №3,№4/2017