Публикации

Cirus Logic (Apex)

Контроллеры управления бесколлекторными двигателями компании APEX Microtechnology (2004)

В настоящее время существует актуальность использования электродвигателей в промышленности различных отраслей, где становится задача автоматизации управления электроприводом. В данной статье будет рассмотрен пример построения системы управления бесколлекторными электродвигателями постоянного тока с использованием специализированных контроллеров компании APEX Microtechnology.


1. Введение

Электроприводы с цифровым микропроцессорным управлением применяются не только в станкостроении, роботизированных отраслях, но и в бытовой технике, медицинской технике, автомобилестроении. Причина широкого использования электроприводов объясняется многими факторами. Во-первых, применение алгоритмов, запрограммированных на конкретные операции, позволяет значительно повысить производительность конечных устройств. Во-вторых, гибкость, достигаемая посредством изменения программы управления либо сменой датчиков. В-третьих, качество управления объектом улучшается, т.к. современные контроллеры позволяют реализовывать такие алгоритмы управления, как фаззи-логика, скользящие режимы. Точность и диапазон регулирования приводом повышается.
Развитие цифрового регулируемого электропривода обязано появлению силовой полупроводниковой техники. Появление контроллеров для управления электроприводами позволило создавать преобразователи частоты для асинхронных приводов, приводов с вентильными и вентильно-индукторными двигателями. Кроме того, использование контроллеров позволяет значительно экономить затраты на электроэнергию.
Как вариант реализации управления электроприводом компания APEX Microtechnology предлагает использовать контроллеры серии BCXX, возможность применения которых в целях управления бесколлекторными электродвигателями постоянного тока (БДПТ) будет рассматриваться в данной статье.
Компания APEX Microtechnology представляет уникальные решения для управления 3-х фазными БДПТ. Компанией выпускаются три изделия данной категории (табл.1). Семейство устройств BC — контроллеров управления БДПТ — обеспечивает полностью интегрированное решение 2-х и 4-х квадрантного управления. Мощности конечных устройств на базе данного контроллера (при их компактном размере) могут достигать 8,5 кВт.

Таблица 1                                  

Наименование

Питание двигателя

Выходной ток пост.

Мощность двигателя max

Питание

контроллера

Частота ШИМ

BC05

10-200V

5A

950W

10.8V до 16V

50KHz

            BC10

10V-100V

10A

950W

10.8V до 16V

50KHz

BC20

50V-500V

20A

4500W

10.8V до 16V

20KHz


2. Описание контроллера

Контроллер управления БДПТ APEX BCXX (XX — постоянный выходной ток (А) ) обеспечивает необходимые функции контроля 3-х фазными ДПТ в замкнутых или разомкнутых системах (рис.1). Контроллеры серии BC обладают 3-х фазной мостовой схемой с 2-х или 4-х квадрантной системой управления широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и выбираемой коммутацией 60° или 120°. BCXX способны управлять двигателями, мощностью до 4,5 кВт.

APEX - Контроллер управления БДПТ BCXX

рис.1

Контроллеры обеспечивают управление двигателем, генерацию сигнала ШИМ, управление коммутацией, усиление рассогласования и контроль токового считывания обмотки двигателя.

Контроллер может генерировать 4-х квадрантное управление ШИМ для приложений, обеспечивающих продолжительный переход через нулевую скорость электродвигателя или 2-квадрантное управление ШИМ, которое, из-за его экономичности, более подходит для реализации однонаправленного вращения. Однако в данном режиме существует возможность изменения направления движения ротора путем использования входа, обеспечивающего реверс. Таким образом, возможна реализация работы со сложными алгоритмами замедления даже при использовании 2-х квадрантного управления.

3. 2-х и 4-х квадрантное управление ШИМ

BCXX может быть сконфигурирован, используя входную логику, и действовать как контроллер, реализующий как 2-х квадрантное, так и 4-х квадрантное управление сигналом ШИМ. При 2-х квадрантном управлении происходит захват одной фазы двигателя и сигнал ШИМ запитывает положительной полярностью одну фазовую обмотку двигателя. При 4-х квадрантном управлении ШИМ, коммутируется две фазы двигателя. 4-х квадрантное управление сигналами ШИМ имеет более широкое применение, по сравнению с 2-х квадрантным, в таких случаях как: позиционное управление, фазовая синхронизация, скоростное управление, управление по сложному алгоритму.

4. Схемы защиты

Контроллер имеет четыре схемы защиты, необходимые для его надежной работы при различного рода нежелательных ситуациях:

     - схема обнаружения пикового значения тока, которая запрограммирована на значение датчика тока, размещенного между ДМОП-источниками и обратным выходом высокого напряжения.

     - схема защиты от перегрева, функции которой заключаются в прерывании работы контроллера при перегреве и возобновлении ее только после достаточного охлаждения до рабочей температуры.

     - схема защиты от сверхтоков, прекращающая работу контроллера при превышении тока силового источника напряжения примерно в 1,5 раза пикового значения тока.

обрыв цепи при обесточивании контроллера.

5. Пример схемной реализации на основе контроллера BC20

Ранее было оговорено, что в зависимости от вида управления ШИМ могут быть реализованы различные схемы управления электродвигателем. Ниже приводится пример использования контроллера при реализации скоростного управления электродвигателем в замкнутой системе, сигналы ШИМ которого используют 4-х квадрантный режим управления.

Рассмотрим подробнее работу схемы (рис.2).

Номинальное рабочее напряжение микросхемы, подаваемое на вход Vcc, составляет 15В. На вход OE должен быть подан логически активный сигнал для разрешения работы контроллера. В начале статьи оговаривалось, что скоростной режим управления двигателем рационально реализовывать при 4-х квадрантном режиме управления, чтобы обеспечивать возможность остановки ротора двигателя. Поэтому, на вход 2Q, который указывает режим управления сигналами ШИМ, подается логически пассивный сигнал, т.е. реализовывается 4-х квадрантный режим. Вход управления реверсом REV при 4-х квадрантном режиме остается пассивным. Угол коммутации фаз двигателя задается логически активным сигналом, подаваемым на вход 120. В данном случае шаг ротора при каждой коммутации будет равен 120 эл. град. Выход FAULT микросхемы показывает о нарушении работы схемы подключенным к нему световым индикатором.

Схемная реализация на основе контроллера BC20

рис.2

Сигналы с датчиков Холла, установленных на двигателе, подаются на входы HS1-HS3 контроллера. За изменением уровня сигнала датчиков Холла следит выход SSC. Важно правильно подключить датчики Холла с выводами микросхемы, иначе ротор двигателя может либо двигаться в обратном направлении, либо сильно колебаться, либо вообще не двигаться. На вход REF_IN подается аналоговый управляющий сигнал, а на вход FB подается сигнал с тахогенератора. С выхода MOTOR_I на вход TORQ подается аналоговое напряжение, пропорциональное току двигателя. Тем самым эти выводы, соединенные между собой через резистор, образуют замкнутый контур тока. Резистор стабилизирует коэффициент передачи. С выходов OUT1-OUT3 происходит управление фазовыми обмотками двигателя. S1-S3 — входы/выходы, необходимые для замыкания рабочего контура двигателя и отслеживания значения тока для защиты контроллера от сверхтоков.

Для работы схем защиты используется вход HVRTN. Питание двигателя осуществляется через вход HV.

6. Преимущества гибридного исполнения

Контроллеры серии BCXX выполнены по гибридной технологии, которая позволяет относительно быстро создавать электронные устройства, выполняющие достаточно сложные функции. С использованием гибридной технологии созданы и другие продукты, такие как ШИМ–усилители и линейные операционные усилители.

Контроллер серии BCXX

рис.3.

Использование уникальных технологий способствует созданию качественных продуктов. Гибридная технология сборки значительно увеличивает рассеиваемую мощность устройств, при их компактном размере. Например, контроллер BC20 с габаритными размерами 112x51x12 мм (рис. 3) обладает внутренней рассеиваемой мощностью 480 Вт, что позволяет ему управлять двигателями мощностью до 4,5 кВт. Технологии производства компании APEX повышает надежность создаваемых устройств, которые могут работать в жестких условиях окружающей среды. Гибридная технология сборки устройств значительно повысила диапазон рабочих температур (-40С – +85С).

7. Заключение

Изделия на базе контроллера управления бесколлекторным электродвигателем постоянного тока BCXX могут применяться в самом широком спектре высокопроизводительного промышленного автоматизированного оборудования, такого как автоматические производственные линии, удаленные системы управления, роботы — манипуляторы и другие прецизионные устройства с электроприводом.

Также хотелось бы добавить, что компоненты компании APEX являются высокофункциональными устройствами, обладают уникальными техническими характеристиками, разработаны для применений в жестких условиях внешней среды. Многие из компонентов APEX дают возможность найти решение там, где другие варианты либо дорогостоящи и экономически нецелесообразны, либо вообще невозможны.

Компания APEX Microtechnology предлагает решения, упрощающие проектирование устройств и одновременно повышающие их надежность. Использование контроллеров компании APEX существенно облегчает реализацию системы управления электроприводом и позволяет значительно снизить количество компонентов в схеме, и тем самым сократить время, затрачиваемое на разработку и тестирование.

В статье использовались материалы:
1. Apex Microtehnology ‘PWM amplifiers, power amplifiers, motion control’, Volume 11. Power integrated circuit data book.
2. www.apexmicrotech.com
3. www.apexmicrotech.ru (русскоязычный сайт)