Интеллектуальные контроллеры расширяют диапазон приложений для электродвигателей

Первое, что обращает на себя внимание при рассмотрении современных контроллеров электродвигателей, это то, что схема управления всегда определяется типом управляемого двигателя. Однако между двигателями габарита 10X и еще больших размеров и двигателями, разработанными всего лишь несколько лет назад, существует огромная разница. К тому же, современные электродвигатели стали менее дорогими и более интеллектуальными.
Все это сопровождается растущими требованиями к контроллерам электродвигателей во многих областях. Управление электродвигателями является комплексной задачей, при решении которой разработчики должны не только понимать весь комплекс операций, но и уметь применять современные аппаратные средства и программные алгоритмы. Поэтому неудивительно, что к разработке контроллеров электродвигателей в последнее время подключились поставщики FPGA и IP-решений.
При использовании шаговых электродвигателей разработчикам приходится усложнять алгоритмы управления для повышения эффективности. Для этого необходимо определять граничные условия для всей электромеханической системы и принимать во внимание такие переменные как температура, механические разрушения, ускорение, скорость, напряжение питания, вибрации и т.д.
В настоящее время широкое распространение получили приводы для электродвигателей переменного и постоянного тока, включая универсальные двигатели переменного и постоянного тока, высокочастотные бесщеточные и щеточные универсальные двигатели с ШИМ, индукционные, частотно-регулируемые (VFD), а также шаговые электродвигатели.
Интеллектуальные интегральные схемы (ИС) управления двигателями расширяют возможности регулирования работы многофазных двигателей, наиболее распространенных бесщеточных двигателей постоянного тока и трехфазных индукционных двигателей. МК и DSP позволяют осуществлять сравнительно недорогое векторное управление (ВУ), которое является серьезным математическим методом, повышающим эффективность управления бесщеточными индукционными двигателями постоянного и переменного тока. Это позволяет также уменьшать размеры двигателей, стоимость и потребление мощности, что достигается за счет непосредственного измерения поля внутри двигателя.
Другим способом оперативного управления является косвенный метод ВУ. В этом случае конфигурация поля двигателя измеряется не напрямую, а рассчитывается по математической модели электродвигателя. Упор здесь делается на повышение эффективности управления электродвигателем, для чего и применяется интеллектуальное регулирование, позволяющее экономить электроэнергию. Это особый случай применения VFD-схем. Такие схемы оптимизируют ускорение и замедление электродвигателя и выключают его, когда он не используется.
VFD является системой управления скоростью вращения электрического двигателя переменного тока за счет регулирования частоты напряжения, подаваемого на электродвигатель (см. рис. 1). VFD также называют приводом с регулируемой частотой (AFD), приводом с переменной скоростью (VSD), приводом переменного тока, микроприводом или инверторным приводом. Поскольку напряжение меняется одновременно с частотой, такие приводы называют иногда регуляторами переменного тока с переменным напряжением и переменной частотой (VVVF).

Рис. 1. Применение частотно-регулируемых приводов (VFD) в схемах управления электродвигателем

VFD позволяют экономить электроэнергию. Например, когда двигатель пытается остановить инерционную нагрузку, он может работать как генератор, динамически преобразующий кинетическую энергию в полезное тепло при помощи мощных тормозных резисторов. Поэтому многие современные двигатели оборудованы VFD-приводами.

Texas Instruments была одной из первых компаний, предложивших новую линейку макетных платформ DRV8412-C2-KIT для приводов щеточных шаговых электродвигателей постоянного тока. Данная платформа обеспечивает все программные и аппаратные средства, необходимые для управления бесщеточными шаговыми электродвигателями постоянного тока, работающими номинально при 6 А и в пиковом режиме при 12 А и 50 В. Такие системы предназначены для медицинских насосов, устройств открывания дверей, систем освещения, станков в текстильной индустрии и приложений робототехники.
Данная платформа включает привод двигателя DRV8412, MCU модуль реального времени C-200 Piccolo, быстродействующий графический интерфейс пользователя (GUI), полный исходный текст программы, интегрированную среду разработки (IDE) Code Composer Studio, а также двигатель.
Microchip Technology Inc. анонсировала недавно две оценочные платы, одну — для управления высоковольтными двигателями (dsPICDEM MCHV), а другую — для управления шаговыми двигателями (dsPICDEM MCSM). Обе снабжены подробными указаниями по применению и программами FOC с открытым исходным кодом, и на их основе с помощью цифровых сигнальных контроллеров управления электродвигателями семейства dsPIC33 MicrochipTechnology можно довольно быстро реализовывать новые приложения. В состав платы dsPICDEM MCHV включена также система управления корректором коэффициента мощности.
Компания Performance Motion Devices производит специализированные процессоры Magellan motion серии 58000 для управления электроприводом. Эти МК отслеживают 64 переменных, характеризующих движение, что позволяет создавать высокоэффективные приложения по управлению двигателями. Они способны захватывать и сохранять в аппаратных буферах сигналы реального времени восьми разных функциональных групп, таких как генерация траектории перемещения, обратная связь кодировщика, сервоуправление, коммутация, выходы двигателя, входы общего назначения, статусные сигналы и сигналы системного таймера.
Приводы электродвигателей разработаны для широкого спектра типов шаговых двигателей. Например, в семействе драйверов для микрошаговых электродвигателей серии BD638xxEV компании Rohm Semiconductor можно выбрать несколько режимов работы: от полношагового режима до режима с микрошагами, равными 1/16 от полного шага, при выходном токе при полном шаге 1,0 или 2,0 А и 2,5 А при микрошагах, равных 1/8 от полного шага. Такие приводы выпускаются в ультратонких корпусах HTSSOP-B28. Они имеют уникальную опцию защиты от подачи ложного напряжения, что предупреждает выход двигателей из строя, а также имеют встроенную защиту по току, напряжению и от перегрева.
Компания Galil Motion Control, одна из первых в разработке систем управления перемещением, представила недавно серию плат и корпусов контроллеров движения DMC-41×3 для Ethernet-приложений. Новые контроллеры компании Galil серии Econo имеют много улучшений по сравнению с преды­дущими сериями, включая возможность работы с 100-Base-T Et Ethernet и портом USB 2.0. Они характеризуются большим быстродействием, большей программной памятью, а также аналоговыми входами и оптически изолированными входами/выходами.
В презентации этой продукции сказано, что по сравнению с более ранней версией DMC-21×3, новый контроллер DMC41x3 лучше работает на более высоких скоростях, может принимать сигналы по входам кодировщика с частотой до 15 МГц, а его время отклика по контуру регулирования не превышает 62 мкс. Память контроллера для пользовательских программ и массивов увеличена вдвое.
DMC-41×3 может работать в автономном режиме или быть подключенным к персональному компьютеру через Ethernet 10/100-Base-T или USB. Имеется также дополнительный порт RS-232. Контроллер выпускается в одном из восьми выходных форматов, каждый из которых пользователь может конфигурировать для работы с серво- или шаговыми электродвигателями.
DMC-41×3 может подключаться к внешним приводам, подстраиваться под любые диапазоны напряжения питания, работать с многоосевыми (500 Вт/ось) сервоприводами компании Galil или с микрошаговыми приводами на 60 В, 3 А. 4-осевые модели имеют 16 оптически изолированных стандартных входов/выходов, а 5–8- осевые модели — 32 входа/выхода. В дополнение к оптически изолированным входам/выходам в контроллере имеются 8 аналоговых входов и отдельный вход для каждой оси.
DMC-41×3 выпускается в корпусах 8,1×7,25×1,5-дюймов для 1–4-осевых моделей и 11,5×7,25×1,5 дюймов для 5–8-осевых моделей.

Небольшие OEM-компании при разработке систем управления электродвигателями все большее внимание уделяют FPGA, которые позволяют объединять универсальные ШИМ-блоки, интерфейсы преобразователей и специфические предварительно сконфигурированные блоки управления двигателем. Во встроенном в FPGA контроллере имеются соответствующие программные драйверы.
Основным достоинством FPGA является возможность применения IP по управлению двигателями, например, компании Alizem. Эта компания предлагает полный комплект IP по управлению и диагностике двигателей, разработанный для высокоэффективных и безопасных домашних приложений.
Altera при разработке системы управления двигателем для домашних устройств Cyclone III FPGA (см. рис. 2) высоко оценила IP-продукт, созданный компанией Alizem. Все созданные кампанией Alizem IP-продукты для управления электродвигателями спроектированы по ее собственному алгоритму. Полный привод синхронного электродвигателя с постоянным магнитом, включающий ШИМ и цепи регулирования тока, реализованный на базе недорогого Altera Cyclone III FPGA, состоит примерно из 500 логических элементов.
Actel (в настоящее время вошедшая в состав Microsemi) использует для управления двигателями собственные интеллектуальные FPGA для смешанных сигналов — SmartFusion (см. рис. 3). Компания утверждает, что они являются единственными устройствами, объединяющими FPGA, процессор ARM Cortex-M3 и программируемые аналоговые функции. Actel предлагает изготавливать изделия по техническим условиям заказчика с защитой IP и при этом простые в эксплуатации.

Рис. 2. Cyclone III FPGA Altera, используемый совместно с IP-продуктом Alizem

Рис. 3. Интеллектуальные FPGA смешанных сигналов SmartFusion кампании Actel

Другой поставщик FPGA, компания Xilinx, использует свои FPGA для разработки, как она считает, самых совершенных FPGA-систем управления электродвигателями. Планируется, что Targeted Design Platform будет соответствовать этому утверждению.

Ключевые компоненты систем управления двигателями также улучшают свои технические характеристики. Рассмотрим для примера 12-разрядный чип магнитного энкодера Renishaw. Этот чип реализован по технологии кодировщика OnAxis, но отличается от него большей функциональностью и меньшей стоимостью. Кодировщик оснащен UVW-выходами с 16 полюсами (8 пар полюсов), выходами тахогенератора и потенциометра, а также выходами синусоидальных сигналов. Его разрешение составляет 12 разрядов (4096 шагов за оборот) с программируемым положением нуля. Кодировщик работает в диапазоне напряжений 3,3…5  В, а при работе от аккумуляторов может использоваться опция режима ожидания. Он может поставляться как уже запрограммированным, так и со встроенным чипом EEPROM для хранения программ пользователя. Кодировщик может работать со скоростью до 60 тыс. оборотов в минуту в температурном диапазоне –40…125°C.
Компания Rohm Semiconductor применила SiC-технологию для организации серийного выпуска первых модулей на базе SiC MOSFET с вертикальным затвором и барьерами Шоттки, используемыми для управления двигателями автомобилей. Устройства, рассчитанные на работу при 600 В и 450 А, характеризуются эффективностью на 50% большей, чем аналогичные кремниевые модули и могут работать при температуре до 200°C.