Strategie pro zjednodušení třífázových řídicích a pohonných systémů motoru BLDC
Vysoce integrované polovodičové výrobky představují nejen trend spotřebitelských výrobků, ale také postupně pronikají do aplikací řízení motoru. Současně mají střídavé motory stejnosměrného proudu (BLDC) stejnou hybnost také na mnoha trzích, jako jsou automobilová a zdravotnická zařízení, a jejich podíl na trhu postupně převyšuje výkon jiných typů motorů. S rostoucí poptávkou po motorech BLDC a zralostí souvisejících motorových technologií se vývojová strategie pro řídicí systémy motoru BLDC vyvinula z diskrétních obvodů do tří různých kategorií. Tyto tři hlavní typy řešení jsou rozděleny na systémové čipy (SoC), aplikační specifické standardní produkty (ASSP) a dvoučipové řešení.
Tato tři hlavní řešení jsou stále více zvýhodňována inženýry konstrukce motorových systémů, protože snižují počet komponent potřebných pro aplikaci a snižují složitost konstrukce. Každá strategie však má své vlastní silné a slabé stránky. Tento článek bude diskutovat o těchto třech možnostech a o tom, jak mohou být obchodovány mezi integrací návrhu a flexibilitou.
Základní motorový systém se skládá ze tří hlavních modulů: napájecího zdroje, pohonu motoru a řídící jednotky. Obrázek 1 ukazuje návrh tradičního diskrétního motorového systému. Motorové systémy obvykle obsahují jednoduchý procesor RISC s integrovaným bleskem, který pohání externí MOSFET ovládáním ovladače brány. Procesor může také řídit motor přímo přes integrovaný MOSFET a regulátor napětí, který napájí procesor a ovladač.
Motorový pohon SoC integruje všechny výše uvedené moduly a je programovatelný pro širokou škálu aplikací. Navíc je ideální pro aplikace, které vyžadují prostorovou optimalizaci kvůli omezeným prostorům. Jeho nízké zpracovatelské výkony a omezený prostor vnitřní paměti však nelze aplikovat na motorové systémy, které vyžadují pokročilé ovládání. Další nevýhodou IC integrovaného ovladače motorů je omezené vývojové nástroje, jako je nedostatek prostředí pro vývoj firmwaru. To je v ostrém kontrastu se skutečností, že většina předních dodavatelů mikrokontrolérů nabízí širokou škálu snadno použitelných nástrojů.
Pohony motoru ASSP jsou určeny pro konkrétní oblast a vše je optimalizováno pro úzkou aplikaci. Zabírá velmi málo místa a nevyžaduje žádné úpravy softwaru. Navíc je ideální pro aplikace s omezeným prostorem. Obrázek 2 znázorňuje blokové schéma 10-kolíkového ovladače motoru ventilátoru DFN. Vzhledem k tomu, že pohony ASSP jsou často zaměřeny na aplikace s velkým objemem výroby, mají často vynikající poměr ceny a výkonu. To však neznamená, že motory běžící na jednotkách ASSP musí obětovat výkon. Například většina moderních pohonů motoru ASSP může pohánět motory BLDC se snímači a sinusovými algoritmy, které v minulosti vyžadovaly vysoce výkonné mikrokontroléry. Produkty ASSP však nemají programovatelnost a neupravují sílu pohonu, což omezuje jejich schopnost přizpůsobit se měnícím se požadavkům trhu.
Přestože vysoká integrace je hlavním trendem dnešní elektroniky, stále roste poptávka po řešeních s dvojitým čipem s bohatými analogovými ovladači a inteligentními analogovými mikrokontroléry. Strategie dvou čipů umožňuje konstruktérům vybrat z řady mikrokontrolérů, které podporují senzorickou komutaci nebo bezsenzorovou komutaci pomocí lichoběžníkového nebo sinusového pohonu. Při použití tohoto řešení je rozhodující volba podpůrného čipu řidiče. Ideální doprovodný čip by měl obsahovat alespoň tyto funkce:
Efektivní regulovatelný regulátor pro snížení spotřeby energie a napájení všech typů mikrokontrolérů
Moduly pro monitorování a zpracování pozadí, které zajišťují bezpečný provoz motoru a umožňují obousměrnou komunikaci mezi hostitelem a měničem
Volitelné parametry, které optimalizují výkon bez nutnosti dalšího programového úsilí
Jmenovitý výkonový pohon pro motory MOSFET nebo BLDC
Obecně, u motorů SoC a ASSP, návrháři motorových systémů používají nejen nejmenší součásti, ale mají také mírnou flexibilitu. Tato vysoce integrovaná řešení však mají různá omezení, jako je pevná funkčnost, omezená kapacita paměti a výkon. Tabulka 1 porovnává tři hlavní strategie řízení motoru BLDC popsané výše.
Ve srovnání s diskrétními návrhy, moderní řešení řízení a řízení pohonů nejen snižuje množství materiálu, ale také snižuje dobu vývoje systému, aniž by mělo dopad na stavební systémy optimalizované pro vybrané motory BLDC. Referenční návrhy hardwaru a firmwaru a knihovny od dodavatelů polovodičů mohou dramaticky zkrátit dobu vývoje a urychlit čas na trhu pro pokročilé ovládání motoru a koncepce pohonu.
