Microchip componenten en BLDC-motorbesturing

Elektrische motoren zijn overal – in de wasmachine, droger, koelkast, auto, ventilatoren, pompen, airconditioner enz. – en maken ons leven gemakkelijker. Daarom is het belangrijk dat ze zo efficiënt mogelijk werken. De hoeveelheid energie die een aandrijving verbruikt, is in aanzienlijke mate afhankelijk van de controller die de werking van het uitvoerende element regelt. Dankzij efficiënte componenten van Microchip is het mogelijk om zo'n ergonomisch systeem te realiseren. Hieronder wordt beschreven hoe zo'n circuit wordt geconstrueerd, evenals de specificatie van merkcomponenten die worden gebruikt voor de uitvoering ervan.

BLDC-motoren en hun toepassingen

Borstelloze DC-motoren (BLDC, van het Engelse Brushless Direct Current) worden steeds vaker gekozen door ontwerpers en ingenieurs voor aandrijvingen. Dit komt door verschillende redenen: ze kenmerken zich door hoge betrouwbaarheid, efficiëntie en een gunstige vermogens-gewichtsverhouding. Zoals de naam al aangeeft, worden er geen borstels gebruikt – in plaats daarvan zijn er permanente magneten in de rotor geplaatst en bevinden de wikkelingen zich in de stator. Stromen (met de gewenste frequentie) wekken een elektromagnetisch veld op en veroorzaken afstoting en aantrekking van de magneten, waardoor de as van de aandrijving in beweging komt en de snelheid ervan wordt geregeld. Deze commutatie vereist het gebruik van een geschikte controller, en voor de constructie ervan kan een reeks Microchip-producten worden gebruikt die zorgen voor langdurige, nauwkeurige en efficiënte werking van het hele apparaat.
 

Microchip heeft het voordeel dat het een breed scala aan halfgeleiders en analoge schakelingen produceert, waardoor alle belangrijke elementen van de controller uit hun aanbod kunnen worden samengesteld. Deze omvatten microcontrollers, analoge schakelingen (operationele versterkers), FPGA's, vermogenscomponenten (bijv. transistors). Uit het via TME beschikbare aanbod van Microchip kunnen bijvoorbeeld dsPIC®, PIC® en AVR® microcontrollers worden geselecteerd met geïntegreerde motorbesturingsfunctionaliteit: PWM-generator, A/C-converter (ADC) en populaire communicatie-interfaces (SPI, CAN, UART). Het is ook vermeldenswaard dat de fabrikant ook gespecialiseerde software en ontwikkeltools (MPLAB® X IDE), ontwikkelingskits en de Motor Control Library beschikbaar stelt, ontworpen voor snel ontwerp en testen van besturingscircuits. Deze bevatten geavanceerde algoritmen die methoden zoals FOC (Field Oriented Control) ondersteunen en besturingsprogramma's met behulp van trapezium- en sinusvormige signalen (voor BLDC-, PMSM-, ACIM- en stappenmotoren).

Werking en toepassingen

De werking van BLDC-motoren is al besproken (aangezien dit de focus van dit artikel is). De belangrijkste eigenschap van dergelijke producten zijn drie (of meer) statorwikkelingen die worden gevoed door driefasige stroom geleverd door een omvormer. De rotor met permanente magneten wordt gedraaid door het wisselende magnetische veld dat door de statorwikkelingen wordt opgewekt – waardoor, door de frequentie van de signalen te veranderen, de snelheid van de rotor wordt gecontroleerd. Maar de frequentie zal ook afhangen van de huidige positie ervan. Deze laatste wordt bepaald door ingebouwde Hall-sensoren in de motor. Alternatief wordt een besturingsalgoritme (bijv. FOC) gebruikt, dat tot doel heeft stroom op te wekken in de fasen met een optimale periode (op basis van gegevens over de rotatiesnelheid van de as).
 

Omdat BLDC-motoren minder afhankelijk zijn van mechanische onderdelen (borstels) dan klassieke motoren, hebben ze een lager risico op storingen. Een andere belangrijke eigenschap is het lagere energieverlies (d.w.z. betere efficiëntie). Bovendien maken ze nauwkeurige snelheidsregeling mogelijk, wat een belangrijke eigenschap is in toepassingen zoals industriële machines, robots, drones of ventilatoren. Een laatste, maar niet minder belangrijke voordeel is de compacte constructie en relatief lage massa.

Vanwege deze gunstige kenmerken worden BLDC-motoren, naast de genoemde toepassingen, ook gebruikt in elektrisch gereedschap (bijv. schroevendraaiers), de automobielindustrie (ABS-systemen, gasklepregeling), elektrische voertuigen (grasmaaiers, scooters, fietsen, auto's, boten), actuatoren in robotica en industriële automatisering.

De groeiende populariteit van voertuigen uit de micromobiliteitssector, zoals elektrische scooters of e-bikes, heeft ook bijgedragen aan de uitbreiding van het aanbod van BLDC-motoren en efficiënte controllers ervoor. Samen maken ze een hoge brandstofefficiëntie (energie-efficiëntie) mogelijk in een tijd van toenemende ecologische bewustwording van samenlevingen. Aangezien de wereldwijde markt verschuift naar elektrificatie van transport, kan worden verwacht dat bedrijven die geavanceerde controllers produceren niet snel een verminderde vraag naar hun oplossingen zullen ervaren.

Constructie van de BLDC-controlmodule

Hieronder wordt een voorbeeldproject van een compacte controller voor BLDC-motoren gepresenteerd. Dit is een referentiekring van Microchip die de basisoplossingen illustreert die in dergelijke modules worden aangetroffen, evenals de functies die de componenten van de fabrikant daarin vervullen. Het doel van de controller is het voeden en regelen van de werking van BLDC/PMSM-motoren met een piekvermogen van tot 3 kW en fase-stromen tot 300A. De voedingsspanning kan hier van 18V tot 85V DC zijn, wat het mogelijk maakt om energie te halen uit verschillende typische bronnen, waaronder een pakket lithium-ioncellen (tot 20 stuks, d.w.z. een 20S-batterij).

Het blokdiagram van de controller ziet er als volgt uit:
 

dsPIC-microcontrollers

Het hart van de gepresenteerde digitale besturingskring (DSC, Digital Signal Controller) is de dsPIC33CK256MP505-microcontroller die werkt met een efficiëntie van 100MIPS (miljoen instructies per seconde). Deze schakeling bevat onder andere drie interne operationele versterkers die in dit geval worden gebruikt voor stroommeting (linkeronderhoek van het schema). Bovendien ondersteunt de dsPIC-familie een CAN-transceiver, die in combinatie met de ATA6561-schakeling (later besproken) native communicatie met de CAN-Bus-bus mogelijk maakt.

De enkelkernige digitale signaalcontrollers van de dsPIC33CK-familie zijn ontworpen voor toepassingen die realtime gegevensverwerking vereisen, en dus voornamelijk in besturings- en beschermingscircuits, zoals beschreven in de onderstaande video:
 
De hoogpresterende schakelingen zijn uitgerust met uitgebreide registers, wat resulteert in verminderde interrupt-latentie. Bovendien hebben ze een reeks geïntegreerde randapparatuur, evenals nieuwe instructies die native DSP-bewerkingen (Digital Signal Processing) ondersteunen. Ook is de snelheid van het uitvoeren van code verbeterd, waardoor de microcontroller complexe besturingslussen in realtime kan uitvoeren.

Deze schakelingen zijn uitsluitend beschikbaar in SMD-formaten: TQFP48 en UQFN48. Voor prototypedoeleinden heeft Microchip de DM330017-3-startkit voorbereid. Belangrijk is dat deze microcontrollers een brede temperatuurtolerantie hebben (zelfs van -40°C tot 145°C), waardoor ze kunnen worden gebruikt in zware omgevingsomstandigheden die vaak voorkomen in motorbesturingscircuits. Al deze producten zijn beschikbaar in de TME-catalogus.

CAN-bus transceiver

De CAN-interface (Controller Area Network) maakt communicatie tussen systeemcomponenten mogelijk via een tweedraads bus. In het beschreven circuit is deze verbinding gerealiseerd met behulp van een snelle transceiver in de vorm van de ATA6561 geïntegreerde schakeling.
 

De ATA6561-familie zijn CAN-transceivers die verbinding bieden tussen de microcontroller en de fysieke bus. Deze componenten zijn ontworpen voor snelle (tot 5Mb/s) transmissie, noodzakelijk bijvoorbeeld in automobieltoepassingen. Ze bieden de mogelijkheid om differentiële signalen te verzenden en ontvangen van/naar de microcontroller die de CAN-interface ondersteunt (directe verbinding). Ze worden gekenmerkt door hoge elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en weerstand tegen elektrostatische ontladingen (ESD). Bovendien gedragen ze zich passief in geval van stroomuitval, waardoor er geen storingen in de bus ontstaan. In combinatie met gespecialiseerde beveiligingsfuncties (fail safe), maken deze eigenschappen de ATA6561-schakelingen een uitstekende keuze voor alle soorten CAN-netwerken, vooral in systemen die lage stroomverbruik en de mogelijkheid tot wekking van de component door een externe instructie via de interface vereisen.

Omvormer

Een cruciaal element bij het besturen van BLDC-motoren is de driefasige omvormer, die grote stromen levert aan het uitvoerende element volgens de laagspanningssignalen die van de microcontroller worden ontvangen (centrale deel van het blokdiagram). Hier is een dergelijk circuit gerealiseerd met behulp van zes hoogpresterende MOSFET-transistors met een zeer lage (max. 1,7 mΩ) weerstand in de aan-toestand (parameter RDS(ON), d.w.z. Drain-Source Resistance when On), wat het mogelijk maakt om hoge fase-stromen te verwerken zonder overmatige geleidingsverliezen (en oververhitting van de schakeling). De werking van de transistors wordt gecontroleerd door MIC4104-drivers.
 

MIC4104 zijn snelle, synchrone drivers voor MOSFET-transistors. Ze leveren stroom tot 2A (max. bronstroom -3A). Ze worden ook gekenmerkt door zeer korte inschakeltijden (24ns) en uitschakeltijden (6ns), d.w.z. de daling van het stuursignaal. Deze schakelingen zijn gerealiseerd in de vorm van een halfbrug (zogenaamde H-brug).

De MIC4104-schakeling is gerealiseerd volgens TTL-parameters, d.w.z. de logische drempels zijn <0,8V DC voor logische "0" en >2,0V voor "1". De snelle en energiezuinige schakeling van de schakelaar zorgt voor schone signaalovergangen aan de uitgang. De MIC4104 is ontworpen om ongevoelig te zijn voor voedingsstoringen en snelle spanningsveranderingen. De bescherming tegen te lage spanning is zowel aan de lage als hoge kant geïmplementeerd. De MIC4104 heeft ook een breed voedingsspanningsbereik (van 5,5V tot 16V DC). De lage spanning maakt langere werking in batterijgevoede apparaten mogelijk. De gate-stuurspanning wordt door de schakeling ingesteld op het niveau van de VDD-lijn, waardoor het energieverlies wordt geminimaliseerd.

Alternatief kan hier een nieuwere schakeling worden gebruikt die gespecialiseerd is voor toepassingen met BLDC-motoren, bijvoorbeeld uit de ATA6847-familie (tijdelijk zijn deze producten beschikbaar bij TME op speciale bestelling). Deze schakelingen worden onder andere gekenmerkt door een breder werkspanningsbereik (3…48V DC).

Transistors

De transistors die in de omvormer worden gebruikt, zijn MOSFET-componenten: AOTL66912. Dit zijn componenten in SMD-behuizingen. Het gate-stuurcircuit controleert de stijgsnelheid van de spanning, waardoor regelmatige, oscillatievrije schakeling op de voedingslijnen wordt gegarandeerd (spanningen tot 85V en piekstromen tot 150A, piek).

Temperatuurmonitoring

Om optimale temperatuur van de componenten te garanderen, vereist het gepresenteerde controllercircuit het gebruik van een koellichaam dat warmte van de transistors afvoert. De temperatuur van het koellichaam moet continu worden gecontroleerd met behulp van de ingebouwde MCP9700A-temperatuursensor. De schakeling zet temperatuur om in een analoge spanning (ingebouwde thermistor). Deze goedkope en energiezuinige sensor kenmerkt zich door nauwkeurigheid van ±2°C in het bereik van 0°C tot +70°C bij een typisch stroomverbruik van slechts 6µA. In tegenstelling tot resistieve sensoren, zoals klassieke thermistors, vereist de lineaire MCP9700A-schakeling geen extra componenten, wat het ontwerp vereenvoudigt en de kosten verlaagt.

De werking van de MCP9700A-sensor in een circuit dat is ontworpen voor continue temperatuurmonitoring wordt gepresenteerd in de volgende video:
 
De uitgangspin van de sensor (V_OUT) kan direct worden aangesloten op de ingang van een analoog-naar-digitaal converter (ADC) van de microcontroller. De temperatuurschaal van de MCP9700A is zodanig gekalibreerd dat het een resolutie van 1°C/bit biedt bij een 8-bits A/C-converter en een referentiespanning van 2,5V of 5V. Voor een 12-bits converter met een referentiespanning van 4,096V wordt een resolutie van 0,1°C/bit bereikt. De schakeling biedt een economische oplossing voor toepassingen waarin relatieve temperatuurverandering moet worden gemeten.

Het is vermeldenswaard dat de MCP9700A een compacte schakeling is, beschikbaar in zowel de klassieke TO92-behuizing als in SMD-versies: SC70 en SOT23. Het volledige temperatuurbereik dat door de sensor wordt gemeten, loopt van -40°C tot 125°C.

Voedingscircuit

Het is belangrijk op te merken dat in het gepresenteerde circuit de componenten werken met drie verschillende voedingsspanningen. Voor de gate-drivers is dit 12V DC, voor de microcontroller (DSC-controller) 3,3V DC, terwijl de Hall-sensor die in de voorbeeldmotor is geïnstalleerd 5V DC vereist. Bovendien: om het toepassingsbereik van de module uit te breiden en aan te passen aan de typische voedingsmethoden die in verschillende soorten elektrische apparaten worden aangetroffen, is aangenomen dat het bereik van toegestane ingangsspanningen hier van 12V tot 28V zal zijn. Om een dergelijk voedingscircuit te realiseren, zijn twee soorten spanningsregelaars gebruikt: MCP16331 and MCP1754.

MCP16331-converter (12V DC-lijn)

De MCP16331 is een geïntegreerde DC/DC-converter van het step-down type met hoge efficiëntie (tot 96%). Microchip produceert deze in populaire 6-pins (SOT23) en 8-pins (2x3mm, TDFN) behuizingen. Hij kan werken met ingangsspanningen tot 50V en werkt op een vaste frequentie. De schakeling is uitgerust met een aantal belangrijke functies: een schakelaar aan de hoge kant (high-side switch), piekstroomregeling (peak current mode), interne compensatie, stroombegrenzing, thermische bescherming. Voor deze geïntegreerde voeding zijn slechts enkele externe componenten nodig, zoals een weerstandsverdeling die wordt gebruikt om de uitgangsspanning in te stellen. De MCP16331 kan tot 500mA leveren en reguleert de uitgangsspanning in het bereik van 2V tot 24V DC.

De indrukwekkende efficiëntie van de converter is te danken aan het gebruik van een stroombegrensde, snelle N-type MOSFET-transistor met zeer lage weerstand. De hoge schakelfrequentie maakt het gebruik van kleine filtercomponenten mogelijk, wat resulteert in compacte afmetingen van de gehele schakeling. De geïntegreerde Peak Current Mode-architectuur zorgt voor nauwkeurige regeling van de uitgangsspanning, zelfs tijdens plotselinge veranderingen op de ingangslijn of aan de belastingzijde.

De EN-ingang (enable) wordt gebruikt om de schakeling in en uit te schakelen. In de uitgeschakelde toestand verbruikt hij slechts enkele microampères stroom, wat gunstig is in toepassingen die energiebeheer, belastingverdeling en vooral batterijgevoede apparaten vereisen. De EN-pin is intern verbonden met de voedingslijn, dus het gebruik van deze pin is niet vereist (hij zal in een vaste toestand zijn, waardoor de converter wordt ingeschakeld).

MCP1754-regulator (3,3V en 5V DC-lijnen)

MCP1754/MCP1754S is een familie van low-dropout (LDO) spanningsregelaars met lage verliezen, vervaardigd met CMOS-technologie. Deze schakelingen kunnen stroom tot 150mA leveren, terwijl ze slechts 56μA ruststroom verbruiken (typisch). Ze zijn daarom bijzonder nuttig in draagbare toepassingen, waar lage vermogensverliezen belangrijk zijn. Het ingangsspanningsbereik ligt tussen 3,6V en 16V DC, wat deze componenten ideaal maakt voor: apparaten die worden gevoed door 4 tot 6 batterijcellen (bijv. AA, AAA etc.); mobiele toepassingen met een voeding van ongeveer 12V DC, apparaten die worden gevoed door één tot drie Li-Ion cellen.

Samenvatting

Dankzij kleine afmetingen, lage kosten en hoge efficiëntie kan het gepresenteerde project van een compacte BLDC-motorcontroller de basis vormen voor vele oplossingen. En hoewel het circuit op veel plaatsen kan worden aangepast, zal het zelfs in deze vorm uitstekend presteren in moderne toepassingen in de zogenaamde e-mobiliteitssector, d.w.z. elektrische scooters of fietsen. Bovendien kan het ook worden gebruikt voor het voeden van BLDC-motoren in krachtige drones en onbemande luchtvaartuigen (UAV).

Tot slot benadrukken we nogmaals dat alle Microchip-componenten die nodig zijn voor de uitvoering van het circuit beschikbaar zijn in de TME-catalogus en direct vanuit onze magazijnen worden geleverd.

De besproken Microchip-componenten
 

De tekst is opgesteld door Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
https://www.tme.eu/nl/news/about-product/page/65038/microchip-componenten-en-bdlc-motorbesturing/