Verwendung eines kostengünstigen Mikrocontrollers zur Steuerung eines bürstenlosen Einphasen-Gleichstrommotors mit einer Wicklung
In einer Motoranwendung mit geringer Leistung, bei der die Kosten wichtiger sind als die Komplexität und der Drehmomentbedarf geringer ist, ist ein einphasiger bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) eine gute Alternative zu einem dreiphasigen Motor.
Dieser Motortyp hat aufgrund seiner einfachen Konstruktion niedrige Kosten und ist leicht auszuführen. Außerdem benötigen Sie nur einen einzigen Positionssensor und ein paar Schalter, um die Motorwicklung zu steuern und mit Strom zu versorgen. Daher kann die Kombination zwischen Motor und Steuerelektronik einwandfrei funktionieren.
Um die Rentabilität aufrechtzuerhalten, wird eine kostengünstige Motorsteuerung benötigt. Die hier beschriebene Steuerschaltung kann zwei Rückkopplungsschleifen nutzen. Die erste, die innere Schleife, ist für die Kommutierungssteuerung verantwortlich, während die zweite, die vorherige Schleife, für die Geschwindigkeitssteuerung verantwortlich ist. Die Motordrehzahl wird durch eine externe Analogspannung referenziert und bei Überstrom und Übertemperatur kann eine Fehlererkennung aktiviert werden.
Abb. 1 zeigt den einphasigen Controller auf Basis des 8-Bit-Mikrocontrollers PIC16F1613 von Microchip, der aufgrund seiner geringen Pinzahl und der integrierten Peripherie ausgewählt wurde, die Schalter steuern, die Motordrehzahl messen, die Rotorposition vorhersagen und eine Fehlererkennung implementieren kann.
Diese Anwendung verwendet die folgenden Peripheriegeräte: Complementary Waveform Generator (CWG); Signalmesstimer (Signal Measurement Timer, SMT); A/D-Wandler (ADC); D/A-Wandler (DAC); Erfassungsvergleichs-PWM (Erfassungsvergleichs-PWM, CCP); Feste Spannungsreferenz (FVR); Timer; Komparator; und Temperaturanzeige. Diese Peripheriegeräte sind intern durch Firmware verbunden, wodurch die Anzahl der erforderlichen externen Pins reduziert wird.
Die Vollbrückenschaltung, die die Motorwicklung speist, wird durch den CWG-Ausgang gesteuert. Ein Hallsensor wird verwendet, um die Position des Rotors zu bestimmen. Der Strom durch die Motorwicklung wird zum Schutz vor Überstrom in eine Spannung über dem Messwiderstand Rshunt übersetzt.
Die Drehzahl kann über einen externen Analogeingang bezogen werden. Fig. 2 bietet das Motorsteuerungsdiagramm; Für diese Anwendung beträgt die Nennspannung des Motors 5 V und die Nenndrehzahl 2400 U/min. Die Versorgungsspannung des Motorcontrollers beträgt 9V.
Der Drehzahlsollwert kann ein beliebiger Analogeingang sein. Das A/D-Wandlermodul des Mikrocontrollers hat eine Auflösung von 10 Bit und bis zu acht Kanäle, sodass es für verschiedene Arten von analogen Eingängen geeignet ist. Es wird verwendet, um den Drehzahlsollwert und das anfängliche Tastverhältnis der PWM zu steuern, die verwendet wird, um die Motordrehzahl von der Drehzahlsollwertquelle zu initialisieren.
Das anfängliche Tastverhältnis kann durch den Proportional-Integral-(PI)-Regler erhöht oder verringert werden und der neue Tastverhältniswert in den CCP geladen werden, dessen PWM-Ausgang als anfängliche Quelle des CWG verwendet wird, um die Modulation der Schalter zu steuern auf der Niederpotentialseite des Vollbrückentreibers und damit die Drehzahl des Motors.
innere Schleife
Die interne Rückkopplungsschleife ist für die Schaltsteuerung verantwortlich. Der Ausgang des CWG, der die Erregung der Statorwicklung steuert, hängt vom Zustand des Ausgangs des Hall-Sensors ab, der vom Komparator mit einem FVR verglichen wird. Die Komparatorhysterese wird aktiviert, um das Sensorausgangsrauschen zu ignorieren.
Der Komparatorausgang oszilliert zwischen Vorwärts- und Rückwärtsmodus der Vollbrücke, um eine Drehung im oder gegen den Uhrzeigersinn zu erzeugen.
Der Ausgang des CWG speist den Eingang der Vollbrückenleistungsschalter.
Um einen elektrischen Zyklus zu erzeugen, muss eine Vorwärts-Rückwärts-Kombination ausgeführt werden. Eine mechanische Umdrehung des Motors erfordert zwei elektrische Zyklen, und daher müssen zwei Vorwärts-Rückwärts-Kombinationen ausgeführt werden, um eine einzelne Drehung des Motors im Uhrzeigersinn zu vervollständigen.
Vollbrückenschaltung
Die Vollbrückenschaltung in Abb. 3 besteht hauptsächlich aus zwei p-Kanal-MOSFETs als High-Side-Schalter und zwei n-Kanal-MOSFETs als Low-Side-Schalter. Der Hauptvorteil des p-Kanal-Transistors ist die Einfachheit der Gate-Ansteuertechnik in der Schalterstellung auf der Hochpotentialseite, wodurch die Kosten der Gate-Ansteuerschaltung reduziert werden.
Obwohl die Schalter auf der Hoch- und Niederspannungsseite gleichzeitig leiten können – Querschluss – sollte diese Art des Schaltens vermieden werden, da es sonst zu einer Stromauslösung kommt, die Komponenten der Steuerung beschädigen könnte. Um dies zu vermeiden, kann unter Verwendung der CWG-Zählregister eine Totzone implementiert werden.
Dies liefert nicht überlappende Ausgangssignale, die gleichzeitig die Leitung auf der Seite mit hohem und niedrigem Potential stoppen.
Idealerweise sollten die n-Kanal- und p-Kanal-MOSFETs für eine optimale Schaltleistung den gleichen Einschaltwiderstand (RDSon) und die gleiche Gesamtladung (QG) haben.
Obwohl es schön wäre, ein komplementäres MOSFET-Paar zu wählen, das diesen Parametern entspricht, ist dies aufgrund ihrer unterschiedlichen Konstruktion eigentlich unmöglich. Die Chipgröße des p-Kanal-Geräts muss zwei- bis dreimal so groß sein wie die des n-Kanal-Geräts, um RDSon aufzunehmen. Aber je größer die Chipgröße, desto größer ist die Wirkung von QG. Daher ist es bei der Auswahl von MOSFETs wichtig zu entscheiden, ob RDSon oder QG die Schaltleistung stärker beeinflussen, und entsprechend zu wählen.
Fehlererkennung
Das Überschreiten der maximalen Drehmomentlast, die der Motor zulässt, kann dazu führen, dass der Motor blockiert und die Wicklung den maximalen Strom zieht. Daher sollte zum Schutz des Motors eine Fehlererkennung bei Überstrom und Motorstillstand implementiert werden.
Um eine Überstromerkennung zu implementieren, wird Rshunt zu der Steuerschaltung hinzugefügt, die eine Spannung bereitstellt, die dem durch die Motorwicklung fließenden Strom entspricht. Der Spannungsabfall am Widerstand ändert sich linear zum Motorstrom. Diese Spannung speist den invertierenden Eingang des Komparators und wird mit der Referenzspannung basierend auf dem Produkt aus dem Rshunt-Widerstand und dem maximal zulässigen Motorstoppstrom verglichen.
Die Referenzspannung kann vom FVR geliefert und vom D/A-Wandler weiter eingeschränkt werden. Dies ermöglicht die Verwendung einer sehr niedrigen Referenzspannung, die einen niedrigen Widerstand beibehält und daher die Verlustleistung in Rshunt reduziert. Wenn die Spannung in Rshunt die Referenz überschreitet, aktiviert der Komparatorausgang die automatische Abschaltfunktion des CWG, dessen Ausgang inaktiv bleibt, während der Fehler auftritt.
Übertemperatur kann durch die eingebaute Temperaturanzeige des Geräts erkannt werden, die Temperaturen von -40 bis +85 °C messen kann. Die interne Schaltung des Anzeigers erzeugt eine variable Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur und ihre Spannung wird mit Hilfe des A/D-Wandlers in eine digitale umgewandelt. Um eine genauere Temperaturanzeige zu erhalten, kann eine Einpunktkalibrierung implementiert werden.
äußere Schleife
Die in Fig. 2 gezeigte äußere Schleife steuert die Drehzahl des Motors unter verschiedenen Bedingungen, wie z. B. Änderungen der Lastanforderung, Störungen und Temperaturdrift. Die Geschwindigkeit wird vom SMT gemessen, einem 24-Bit-Counter-Timer mit Takt- und Gatterlogik, der konfiguriert werden kann, um verschiedene Parameter des digitalen Signals zu messen, wie z. B. Impulsbreite, Frequenz, Tastverhältnis und Zeitunterschied zwischen den Flanken zweier Eingangssignale.
Die Messung der Motorausgangsfrequenz kann während der gesamten SMT-Periode und des Arbeitszyklus-Erfassungsmodus durchgeführt werden. In diesem Modus kann das Tastverhältnis oder die Periode des GTS-Signals relativ zum GTS-Takt erfasst werden. Der SMT zählt die Anzahl der SMT-Takte, die in einer Periode der Motorumdrehung vorhanden sind, und speichert das Ergebnis in dem erfassten Periodenregister. Dieses Register ermöglicht es, die tatsächliche Frequenz des Motors zu erhalten. Wenn der Geschwindigkeitssollwert mit der tatsächlichen Geschwindigkeit verglichen wird, wird ein positiver oder negativer Fehler erzeugt, je nachdem, ob die tatsächliche Geschwindigkeit höher oder niedriger als der eingestellte Sollwert ist.
Dieser Fehler wird in den PI-Controller eingegeben, der ein Firmware-Algorithmus ist, der einen Wert berechnet, der die Geschwindigkeitsvariation kompensiert. Dieser Offset-Wert wird zum anfänglichen PWM-Tastverhältnis addiert oder davon subtrahiert, um einen neuen Wert zu erzeugen.
Fazit
Die Einbindung eines effizienten und flexiblen Mikrocontrollers kann sich sehr günstig auf kostensensible Motorsteuerungsanwendungen auswirken. Die Geräteeffizienz kann anhand des Umfangs integrierter Peripheriegeräte gemessen werden, um die Steuerungsaufgabe zusammen mit der Anzahl der Chips und des Speichers sowie der Gehäusegröße zu optimieren.
Auch Benutzerfreundlichkeit und Markteinführungszeit sind wichtig, insbesondere wenn verschiedene Versionen des Designs benötigt werden.
In diesem Artikel wurde erläutert, wie ein kostengünstiger Mikrocontroller diese Anforderungen erfüllen und es dem Controller ermöglichen kann, die gewünschte Drehzahlreferenz einzustellen, die Rotorposition vorherzusagen, einen Steueralgorithmus zu implementieren, die tatsächliche Motordrehzahl zu messen und Sensoren hinzuzufügen.
