Муфты электромонтажные от производителя Fucon
РадиоЛоцман - Все об электронике

Революционная технология бессенсорного векторного управления электродвигателями компании Texas Instruments

Texas Instruments InstaSpin-FOC

Название статьи может показаться слишком громким, но компания Texas Instruments, разработав технологию InstaSPIN-FOC (field-oriented control, векторное управление или управление ориентацией поля), действительно привнесла что-то новое в область систем и приложений управления электродвигателями. Технология представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, которые поддерживают любой тип трехфазных синхронных (BLDC, SPM, IPM) или асинхронных электродвигателей, причем на запуск любого двигателя уйдет не более 5 минут. Благодаря этой технологии управление электродвигателем возможно в широком диапазоне скорости вращения и нагрузки. И самое главное, при этом вам не нужно быть экспертом в области схем и систем управления электродвигателями.

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

Метод управления ориентацией поля или векторное управление не является какой-то новой технологией, он известен довольно давно, но до последнего времени его было трудно реализовать на практике. По существу, система должна регулировать мощность двигателя в зависимости от положения ротора. Положение ротора можно определить с помощью датчиков или используя обратную связь от электронной схемы управления (бессенсорное управление). Изменяя фазы электродвигателя, можно реализовать управление скоростью вращения и крутящим моментом (Рисунок 1).

Метод векторного управления трехфазным электродвигателем может быть реализован как с применением датчиков, так и без них.
Рисунок 1. Метод векторного управления трехфазным электродвигателем может быть реализован как с применением датчиков, так и без них. В последнем случае используется обратная связь от электронного блока привода. Это, как правило, требует вычислительных мощностей.

Векторное управление с применением датчиков, как правило, проще в реализации, но требует использования дополнительных компонентов, проводных интерфейсов и схем согласования, что приводит к росту стоимости конечной системы. Кроме того, при использовании датчиков в электродвигателях и приводах надежность системы резко снижается, особенно в жестких условиях эксплуатации, где датчики могут выйти из строя или сместиться. Бессенсорное управление характеризуется более высокой надежностью, но требует значительных вычислительных мощностей, поэтому очень часто такие системы управления дополняются вычислительной техникой. Преимуществом является более низкая стоимость и высокая надежность (Рисунок 2).

Основные недостатки при реализации векторного управления трехфазным электродвигателем с применением датчиков.
Рисунок 2. Основные недостатки при реализации векторного управления трехфазным электродвигателем с применением датчиков.

Задача разработчиков систем управления электродвигателями сводится к разработке программного кода, который определяет положение ротора электродвигателя и определяет направление изменения питающего напряжения, подаваемого на двигатель, соответствующего требуемым параметрам вращения. Это звучит просто, но на самом деле это очень сложная задача, потому что механизм обратной связи, как правило, нелинейный и является функцией нагрузки и скорости вращения. Производители электродвигателей в спецификациях указывают сотни параметров, которые должны учитываться при разработке схемы управления. Огромное число переменных часто просто отпугивает разработчиков, а ведь правильное использование информации – это ключ к разработке программного кода, который будет работать во всем диапазоне скоростей, крутящих моментов и ускорений, требуемых во многих приложениях.

Программно-аппаратный комплекс InstaSPIN компании TI решает указанные проблемы сразу по двум направлениям:

  • Программный компонент в ПЗУ некоторых микроконтроллеров TI, включая цифровые сигнальные контроллеры из семейства Piccolo F2806x. Это и есть «секретный соус» компании, который предназначен для обработки параметров электродвигателя. Программный алгоритм получил название FAST (Flux, Angle, Speed, Torque – поток, угол, скорость, крутящий момент);
     
  • Программная библиотека поддержки для программного кода, который будет выполняться из Flash-памяти микроконтроллера, а также специализированное ПО для Host устройства, предназначенное для выбора конфигурации и настройки системы.

Для разработки систем управления электродвигателями компания предлагает несколько отладочных наборов: DRV8312-69M-KIT, DRV8301-69M-KIT, TMDSHVMTRINSPIN. Для разработчиков, которые ранее приобрели отладочные наборы для приложений управления электродвигателями, доступен для заказа процессорный модуль TMDSCNCD28069MISO, поддерживающий технологию InstaSPIN-FOC.

Чтобы приступить к разработке приложения разработчик должен подключить электродвигатель к системе InstaSPIN (отладочный набор + программный комплекс MotorWare). В микроконтроллер загружается специальное приложение, которое совместно с Host-приложением выполнит анализ параметров подключенного электродвигателя. По завершению автоматического определения параметров будет сгенерирован профиль, который затем будет использоваться приложением для управления электродвигателем (Рисунок 3) . Процесс анализа занимает около 5 минут, а от пользователя потребуется ввести в программе только значения максимального напряжения и тока для конкретного электродвигателя. В результате мы получаем систему, которая может управлять электродвигателем в диапазоне от статического положения до вращения с любой скоростью в пределах спецификации.

Texas Instruments: Приложение MotorWare для идентификации и управления электродвигателями по технологии InstaSPIN-FOC
Рисунок 3. Приложение для персонального компьютера InstaSPIN-FOC потребует знания лишь максимальных значений нескольких параметров электродвигателя, чтобы во время создания профиля не выходить за пределы спецификации.

После создания профиля разработчик может управлять электродвигателем с помощью логического интерфейса, исключая непосредственное взаимодействие с низкоуровневой аппаратной частью системы. Кроме того, разработчик может использовать информацию, получаемую системой от двигателя, для определения условий остановки и перегрузки, что позволяет повысить  безопасность и надежность системы. Характеристики системы и подключенного к ней электродвигателя могут быть протестированы разработчиком (Рисунок 4).

Texas Instruments: Приложение MotorWare, поддержка технологии InstaSPIN-FOC
Рисунок 4. InstaSPIN дает пользователю полное представление о работе системы и профиле электродвигателя.

Двигатель может управляться и в режиме контроля крутящего момента (Рисунок 5), который полезен для многих приложений. При измерении крутящего момента, как и других параметров, не используются какие-либо датчики: фактически крутящий момент оценивается по обратной связи от двигателя, учитывая напряжение питания и порядок его подачи на обмотки двигателя.

Texas Instruments: Приложение MotorWare, поддержка технологии InstaSPIN-FOC
Рисунок 5. В отличие от других систем управления электродвигателями, которые контролируют только скорость вращения, технология InstaSPIN поддерживает режим контроля крутящего момента.

Разработчик при желании может изменить или подкорректировать результаты работы процедуры автоматического определения параметров (Рисунок 6). Это позволяет настроить систему управления с учетом условий работы двигателя, которые могут возникнуть при эксплуатации или при решении такой важной проблемы, как механическая инерция. Дополнительно, разработчики самостоятельно могут модифицировать любое программное приложение в структуре InstaSPIN, за исключением программных компонентов в ПЗУ микроконтроллера.

Texas Instruments: Приложение MotorWare, поддержка технологии InstaSPIN-FOC
Рисунок 6. Инженеры и разработчики могут воспользоваться расширенными настройками алгоритмов и параметров InstaSPIN.

Кроме того, компания TI предлагает программное обеспечение PowerWarp, предназначенное для повышения эффективности системы. В ПО используются преимущества программного алгоритма энкодера FAST для отслеживания угла потока ротора. Этот режим работы подразумевает регулировку тока асинхронного электродвигателя, позволяет снизить энергопотребление и повысить КПД асинхронных электродвигателей при минимальных нагрузках. Это один из случаев, когда алгоритм FAST применяется для снижения потерь электродвигателя на меди, как в статоре, так и в роторе.

В последнее время разработчики перешли на применение в своих проектах бесколлекторных  электродвигателей (BLDC) ввиду простоты управления ими с помощью современных микроконтроллеров. С точки зрения управления они могут оказаться более эффективными, но все же эффективность трехфазных электродвигателей значительно выше. Для управления бесколлекторными двигателями могут применяться специализированные контроллеры, если это экономически оправдано. С технологией InstaSPIN стоимость таких систем резко снижается, а потребляемую мощность в сравнении с базовыми тиристорными регуляторами можно снизить до 80%.

Одна из причин разработки компанией TI технологии InstaSPIN – поддержка своих микроконтроллеров. Объектно-ориентированные программные API библиотеки входят в состав программного комплекса MotorWare, и в дальнейшем, помимо микроконтроллеров Piccolo, планируется поддержка и других семейств.

Представленное в статье решение может радикально изменить взгляды разработчиков, как на электродвигатели, так и в целом на системы управления ими. InstaSPIN-FOC позволяет разработчикам с различным уровнем знаний в этой области использовать более эффективные двигатели для широкого спектра приложений.

electronicdesign.com

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Self Profiling, Sensorless, FOC System Revolutionizes Motor Control

Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Действительно крутая вещь, достойная внимания.
  • понаблюдаем, хотя заявленное внушает оптимизм:)
  • А кто подскажет где-бы, желательно по-русски, подробнее ознакомиться с методой определения положения ротора без датчиков контроллером? Может в каком из TI-шных журналах на русском, номер подскажите или как вообще этот принцип звучит "по-научному", типа зависимость формы напряжения на обмотках статора от бла-бла-бла....
  • здесь готовые решения [url]http://home.versanet.de/~b-konze/[/url]