Code-freie Implementierung einer effizienten, sensorlosen Motorsteuerung

Best practices and lessons learnt from Running Apache NiFi at Renault (Dezember 2018).

Anonim

Von INGO SKURAS
Senior Spezialist, iMotion Produktmarketing
Infineon-Technologien
www.infineon.com

Entwickler von Motion-Control-Anwendungen stehen unter dem Druck, Leistung und Effizienz zu optimieren und gleichzeitig die Anzahl und den Platzbedarf von Komponenten auf ein absolutes Minimum zu beschränken. Die ideale Situation ist eine sensorlose Steuerung der Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMs), die in diesen Anwendungen verwendet werden, aber eine solche Steuerung ist komplex und erfordert traditionell umfangreiche Entwurfs- und Codierfähigkeiten, um die geeigneten Algorithmen zu entwickeln.

In den letzten Jahren wurden digitale IC-Technologien eingeführt, die den Codierungsaufwand für den Entwickler reduzieren. Mit der neuesten Entwicklung fortschrittlicher Halbleiter-Controller und Support-Tools ist es nun möglich, hoch entwickelte sensorlose Steuerschemata zu implementieren, ohne dass überhaupt Code programmiert werden muss.

Im Allgemeinen bieten PMSM mehrere Vorteile gegenüber anderen Motortypen. Das Fehlen eines Kommutators macht das PMSM zuverlässiger als einen Gleichstrommotor. Und durch Erzeugen des Rotormagnetflusses mit Permanentmagneten ist das PMSM effizienter als ein Wechselstrominduktionsmotor, der sowohl Magnetisierung als auch Statorstrom benötigt. Dies führt dazu, dass PMSM zu Hause, in der Industrie, in der Automobilbranche und in der Luft- und Raumfahrt Anwendung finden. Typische Haushaltsanwendungen wären Haushaltsgeräte wie Kühlschränke, Geschirrspülmaschinen oder Waschmaschinen. In der Industrie kann der PMSM in einer Vielzahl von Anwendungen gefunden werden, einschließlich Robotik, Ventilatoren, Pumpen, Hebezeugen, Elektrowerkzeugen, Textilmaschinen und Handwerkzeugen. PMSMs sind auch in Elektro- und Hybridautos zu finden, und die Kombination aus Zuverlässigkeit und Effizienz macht sie für das neueste Genre der Fahrzeugdrohnen gut geeignet.

Vorteile der sensorlosen feldorientierten Regelung (FOC)

FOC ist eine mathematische Vektorsteuerungstechnik zur Steuerung von AC- und bürstenlosen Gleichstrommotoren. Ein großer Vorteil im Vergleich zu einer alternativen offenen Steuerung ist, dass die FOC eine Messung und Steuerung des Drehmoments ermöglicht. FOC behandelt Fluss- und Drehmomentvektoren als zwei parallel laufende Schleifen. Bei Verwendung in einem Wechselstrominduktionsmotor, insbesondere bei niedrigeren Drehzahlen, kann FOC daher die Effizienz verbessern, da die Entkopplung des Magnetisierungsflusses und des Drehmoment erzeugenden Stroms eine präzisere Steuerung beider Elemente ermöglicht.

FOC ist besonders nützlich für PMSM-Systeme, da es einen effizienten Weg zur Steuerung eines Synchronmotors in einem Frequenzumrichter oder anderen Anwendungen mit sehr dynamischen Lasten bietet. Es ist auch möglich, den Sensor (typischerweise einen Codierer) zu eliminieren und eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis bereitzustellen, ohne die Systemkosten nachteilig zu erhöhen. Die Entfernung des Sensors eliminiert auch die damit verbundene Verdrahtung, das Gewicht und den Energieverbrauch, was zu einer effizienteren, kompakteren und zuverlässigeren Lösung führt.

Im Vergleich zur Wechselstrominduktion beginnen Ingenieure mit einem Permanentmagnetsystem, wie einem bürstenlosen Gleichstrommotor, mit größerer Effizienz, da kein Strom benötigt wird, um den Rotormagnetfluss zu erzeugen. Die präzise lineare Steuerung, die von der FOC bereitgestellt wird, unterstützt den Betrieb mit variabler Geschwindigkeit und die reduzierte Drehmomentwelligkeit führt zu einem leiseren Betrieb der Ventilatoren aufgrund einer ruhigeren Motorleistung.

Herausforderungen bei der Einführung von FOC-Kontrollsystemen

Mit allen zugehörigen Gleichungen ist FOC komplexer zu verstehen als Kommutierung - zumindest anfänglich. Wenn man jedoch das Geheimnis losläßt, offenbart sich ein einfacher Regelkreis und vier prinzipielle Schritte zur Implementierung eines FOC-basierten Motorsteuersystems; i) der im Motor fließende Strom wird gemessen ii) dieser wird mit dem Steuereingang (Sollstrom) verglichen iii) die Differenz wird verstärkt und als Steuerspannungssignal verwendet iv) das Steuersignal wird über einen Modulationsvorgang an den Motor angelegt .

Die größte Herausforderung bei der Implementierung von FOC besteht darin, die Kompromisse zwischen erforderlicher Systemleistung und Kosten zu bewältigen. Ein einfacher Nebenschluss in jeder Phase des Motors oder ein einzelner Nebenschluss auf dem Zwischenkreispfad kann für einen grundlegenden Motorsteuerungsantrieb ausreichen.

Die Gesamtsystemgenauigkeit ist eine Funktion der Auflösung des System-ADC (10 Bits sind typisch, obwohl 12 Bits in Hochpräzisionsanwendungen verwendet werden können) und auch die Geschwindigkeit des Regelkreises (10 kHz funktioniert für viele Anwendungen und 20 kHz wird üblicherweise verwendet) für mehr Präzision). Höhere Bitzahlen und höhere Betriebsfrequenzen erfordern jedoch eine höhere Verarbeitungsleistung, was zu höheren Kosten führt.

Plattformansatz vereinfacht die Integration

Mit dem Aufkommen von integrierten Konstruktionsplattformen haben Ingenieure jetzt einen einfachen Weg zur Implementierung eines sensorlosen FOC-Systems für jede drehzahlvariable Drehstrommotoranwendung. Alle notwendigen Steuerungsalgorithmen können in den Steuerungs-IC eingebettet sein. Ein Konfigurationsprogramm ermöglicht es Benutzern, den Motor schnell zu starten und schneller zum Anwendungstest und Hardwaredesign zu wechseln als mit herkömmlichen Entwurfsansätzen.

Ein Beispiel für diesen Ansatz ist der IRMCK099 ( Abb. 1 ), ein kostengünstiger, hochleistungsfähiger OTP-Speicher-basierter Motion-Control-IC, der in erster Linie für sensorlose Motorsteuerungsanwendungen entwickelt wurde. Im Gegensatz zu früheren Motorsteuerungs-ICs, die eine gewisse Programmierung des MCU-Elements erforderten, weist dieser IC eine Motorsteuerungsmaschine (MCE) mit Steueralgorithmen (basierend auf Standardbibliotheksblöcken) auf, die in der Firmware zusammen mit einem Hardwarebeschleuniger enthalten sind. Dieser MCE implementiert sensorlose FOCs sowohl in Innen- als auch in Oberflächen-PMSMs unter Verwendung von Einzel- oder Bein-Shunt-Strom-Feedback durch eine Kombination von Hardware- und Firmware-Elementen.

Abb. 1: Blockschaltbild - Motion Control IC IRMCK099

Der Steuer-IC enthält alle wichtigen Systemelemente in einem 5 mm x 5 mm großen 32-Pin-QFN-Gehäuse, das mit einer einzigen 3, 3-V-Versorgung betrieben wird. Ein eingebauter ADC bietet eine 12-Bit-Auflösung und eine schnelle 2 μS-Umwandlungszeit, was ihn ideal für Präzisionsanwendungen macht. Neben dem fortschrittlichen ADC ist ein interner 100-MHz-Oszillator, der eine externe Uhr überflüssig macht. Ein Sigma Delta DAC bietet einen zweikanaligen Analogausgang und alle analogen Eingänge sind werkseitig kalibriert. Zusammen mit einem 16-kB On-Board-OTP-Speicher mit CRC-Speicherprüfung verfügt das Gerät über erweiterte Kommunikations- und Schnittstellen-Subsysteme einschließlich eines 57, 6kBps UART, 8 digitaler GPIO-Ports, 6 PWM-Ausgänge und einer I 2 C-Schnittstelle. Vier registerauswählbare Steuereingänge verbessern die Flexibilität des Designs, indem sie die Motordrehzahl- und -richtungssteuerung über UART, analoge Spannung, Frequenz oder Tastverhältnis unterstützen. Dies gewährleistet vereinfachte Schnittstellen innerhalb einer Vielzahl von Anwendungen.

Die Funktion der einzelnen Shunt-Rekonstruktion ermöglicht die genaue Strommessung, die für die FOC-Steuerung erforderlich ist, mit einem einzigen externen Shunt, wodurch externe analoge und digitale Schaltungen minimiert werden. Phasenverschiebung PWM eliminiert die minimale Impulsbegrenzung, verbessert den Motorstart bei niedrigen Geschwindigkeiten und reduziert das akustische Rauschen im Betrieb.

Zu den weiteren integrierten Sicherheits- und Schutzfunktionen gehören der Rotorblockierschutz und der Drehsperrenmechanismus, um jede Drehung des Motors zu erkennen, bevor ein Steuereingang aktiviert wird.

"Kein Code" Implementierung

Im Vergleich zu MCU- oder DSP-basierten FOC-Designs ermöglicht der dedizierte IC-Ansatz die Realisierung eines Motion-Control-Designs ohne Programmierung.

Parameterberechnungen können mit einem GUI-basierten Laufwerkkonfigurations- und Design-Tool durchgeführt werden ( Abb. 2 ). Es beginnt mit einem einfachen formularbasierten Dialogfeld, in dem alle Motorparameter und Anwendungsinformationen wie Geschwindigkeit und Beschleunigung in einem leicht verständlichen, benutzerfreundlichen Format erfasst werden - je nach Bedarf mit Text und Bildern. Nach Abschluss werden die Parameter automatisch in ein Design-Tool exportiert. Dieses Tool erleichtert das Testen von Laufwerken und das Abstimmen von Parametern. Der Ingenieur kann den Motor starten und stoppen sowie die beste Leistung erzielen, indem er die Antriebsparameter unter Last optimiert, was eine sinnvolle Bearbeitung von Daten in einzelnen Steuerregistern ermöglicht. Ein leistungsfähiges parametrisches Trace-Tool ermöglicht es dem Benutzer, interne Steuervariablen zu verfolgen und zu plotten, wodurch die Laufwerksleistung schnell debuggt und verbessert wird.

Abb. 2: iMOTION bietet einen vereinfachten Entwurfsprozess für die feldorientierte Steuerung von Motoren

Abb. 3: Das iMOTION-Referenzdesign-Board ermöglicht eine einfache Migration vom Design zur Produktion

Die schnelle Entwicklung von Motorsteuerungssystemen wird durch eine Reihe von Entwicklungs- und Unterstützungswerkzeugen unterstützt, einschließlich Referenzdesignboards ( Abb. 3 ). Das RDB auf der linken Seite ist ein Motorsteuersystem, das den Steuer-IC und ein intelligentes Leistungsmodul (IPM) mit allen notwendigen Komponenten enthält, und das RDB auf der rechten Seite weist ein intelligentes μIPM auf.

Von INGO SKURAS, Senior Specialist, iMotion Produktmarketing, Infineon Technologies, www.infineon.com