Elektronika za pobudu aktuatora u mehatronskom sistemu

U ovom radu prezentovana je izrada elektronike za upravljanje motorom jednosmerne struje bez četkica (nadalje BLDC motor) kao i energetskog dela elektronike za pobudu namotaja motora. Iskorišćeni su signali senzora koji se standardno ugrađuju i koriste kod BLDC motora . Inkrementalni enkoder kao davač brzine i relativnog položaja i Holovi (Hall) senzori kao davači apsolutne pozicije vratila na osnovu kojih se vrši elektronska komutacija u kolu statora.

 

 

  Korišćeno integrisano kolo drajvera trofaznog mosta je savremeno i pruža dobre mogućnosti u pogledu zaštite mosta i motora od preopterećenja i kratkog spoja. Upotrebom programabilnog logičkog kola ostvarena je hardverska komutacija na osnovu signala Holovih senzora koja je pouzdanija i jednostavnija od softverske. Pred opisa kola dati su i rezultati eksperimenta regulacije brzine i položaja vratila motora.

 

Uvod

 

  Najveći problem koji se javlja kod održavanja konvencionalnih motora jednosmerne struje je varničenje na četkicama. Kod BLDC motora, varničenje na četkicama izbegnuto je premeštanjem komutacije u kolu statora i postavljanjem stalnog magneta u rotor. Kod savramenih BLDC motora, za ostvarivanje komutacije, koriste se poluprovodnicki prekidači. Kao rotor koristi se stalan magnet tako da polaritet rotorskog dela zavisi samo od položaja samog rotora, dok se polaritet statora, koji se sastoji od jedan, dva ili tri faznog namota, se menja elektronskim putem. Za sinhronizam obrtaja polja statora i vratila motora koriste se dodatni senzori (najčešće Holovi senzori). Položaj vratila određuje koja faza (faze) je u tom trenutku uključena. Na ovaj način je mahanička komutacija četkicama zamenjena električnom. U radu je korišćen Maxonov trofazni BLDC motor sa unutrašnjim rotorom.

 

 

Opis sistema

 
  Hierarhijski gledano uređaj se može podeliti na dva dela. Prvi je upravljački deo, a drugi je izvršni, što je prikazano na slici 1.

Slika 1. Blok šema uređaja

 

  Upravljački deo realizovan je mikrokontrolerom i programabilnim logičkim kolom. Mikrokontroler obavlja funkcije komunikacije sa nadređenim sistemima i upravljanjem BLDC motorom preko programabilnog logičkog kola (nadalje PLD) i izvršnog dela u zatvorenoj ili otvorenoj povratnoj sprezi po brzini ili poziciji. Izvršni deo pedstavlja elektronski drajver za pobudu BLDC motora. Pobuda motora je PWM tipa. Pored ovoga, izvršni deo obezbeđuje ograničenje struje motora na unapred definisanu vrednost. Izlazni stepen je u konfiguraciji trofaznog mosta, koja obezbeđuje obrtanje vratila motora u oba smera. Prekidačke komponente trofaznog mosta su n kanalni mosfetovi, a pobuda mosfetova vrši se namenskim integrisanim kolom. Ovo kolo obezbeđuje pobudu za mosfetove u gornjem delu grana trofaznog mosta tehnikom butstrepovanja.

 

 

 Teorija rada drajvera BLDC motora

  Da bi se odredila pozicija rotora, potrebna su tri Holova senzora. Ovi senzori su postavljeni 120^o jedan od drugog. Kad se severni pol rotora nalazi ispod senzora, on na svom izlazu preko pull up otpornika da visoku vrednost (5V). S obzirom da ima tri takva senzora, jednim trobitnim kodom se određuje pozicija rotora, i na osnovu toga koji prekidački fetovi da budu uključeni. Za motor sa kojim se raditi u okviru ovog rada, komutacija pomoću Holovih senzora je data u Maxonovom katalogu (Slika 2). Priključenje napona napajanja se ne vrši direktno, nego preko naponom kontrolisanih poluprovodnickih prekidača. Kao takvi prekidači, u ovom radu se koriste n kanalni mosfetovi BUZ11. Šest mosfetova je tako vezano da zajedno čine trofazni most. Na most se može prikljuciti motor u konfiguraciji zvezda ili u konfiguraciji trougao (Slika 3). U ovom radu motor ce biti vezan u konfiguraciji zvezda.

 

 

            Slika 2. Dijagram priključenja napona na određene                            Slika 3. Priključenje motora na trofazni most u
                  faze u zavisnosti od stanja tri Holova senzora                                                   konfiguraciji zvezda i trougao

 

  U trofaznom mostu uvek su dve grane aktivne, dok je  jedna neaktivna. Koje dve grane su aktivne, a koja neaktivna može se pro;itati sa dijagrama komutacije (Slika 2). Ako se uzme primer sa dijagrama da su Holovi senzori H1 i H3 na visokom nivou, a H2 na niskom, na faze A i B treba priključiti napajanje  U_A−B > 0 . To znači da je grana 3 isključena (tj. da su Q5 i Q6 isključeni), a grane 1 i 2 su aktivne. U grani 1 i 2 mosfetovi Q3 i Q2 su uključeni, a Q1 i Q4 isključeni. To znači da će struja teći od tačke A ka B i rotor će se pomeriti za 60^o . Promeniće se stanje na Holovim senzorima. Npr. ako ce H1 biti na visokom, a H2 i H3 na niskom, na faze A i C treba priključiti napon  U_C−A < 0 . I tako se proces nastavlja. Ako je želja da se rotor pomeri u drugom smeru, samo napone sa dijagrama komutacije (Slika 2) treba koristiti inverzno. To znači da ako npr. H1 i H3 na visokom, a H2 na niskom na faze A i B treba priključiti napajanje  U_A−B< 0 . Smer struje bi bio uvek suprotan, pa i obrtanje vratila bi imalo suprotan smer. Međutim, ako bi sve ostalo ovako, tj. da je na faze u određenim trenucima priključen maksimalni napon napajanja, i kod konfiguracije zvezda i trougao motor bi se obrtao maksimalnom brzinom. Ali to nije dovoljno. Treba omogućiti upravljanje brzine. To može da se postigne tako što se varira napon napajanja motora. U ovom slučaju variranje napajanja se vrši promenom faktora ispune PWM signala.

  PWM signalom upravljani izlazni stepen. PWM signal se karakteriše svojom frekvencijom i faktorom ispune. U okviru ovog rada frekvencija je visoka 50 kHz-a. Faktorom ispune se podešava brzina i smer obrtanja vratila. Upravljanje PWM signalom može biti unipolarno ili bipolarno. U ovom radu je korišćeno bipolarno upravljanje. Kod bipolarnog upravljanja na dve grane, na oba prekidača su priključeni PWM signali. Npr. ako se uzme primer da na namotaje A i B treba priključiti napajanje  U_A−B > 0 , to znači da na gejtove mosfetova Q1 i Q4 treba priključiti PWM , a na Q2 i Q3 komplement PWM -a ( PWM ), ako je faktor ispune PWM signala veći od 50%. Kada je na gejtu prekidača visoki nivo, on se otvori i priključi napajanje na datu fazu.

 

  U ovom primeru to znači da kada je PWM visok onda  U_A−B > 0 i vratilo motora će se pomeriti u jednom smeru. U drugom koraku periode, PWM ce biti visok, onda U_A−B < 0  i vratilo motora će se pomerati u drugi smer. S obzirom da je frekvencija ovih signala visoka (50kHz), na vratilu motora će se osećati zbir ova dva pomeraja. Na osnovu ove teorije, pomoću dijagrama komutacije (Slika 2) može da se napravi tablica komutacije (Tabela 1).

Tabela 1. Tablica komutacije kod bipolarnog upravljanja

 

Međutim, mikrokontroleri, naročito jeftiniji i opšte namene, nemaju šest hardversko podržanih PWM izlaza, a softversko generisanje PWM signala je veoma zahtevan zadatak za mikrokontroler. Stoga smo se opredelili da elektronsku komutaciju izvršimo hardverski.

 

  Kolo za upravljanje trofaznim mostom. Između PLD-a i trofaznog mosta se nalazi specijalni trofazni most drajver IRS2330. IRS2330 je visokonaponski, brzi mosfet drajver sa tri nezavisna visoka i niska izlaza. Ovo kolo ima dve strane. Jedna je niskonaponska (logička) strana, dok je druga visokonaponska (izvršna) strana. Ako je npr. na izlaz H_in _ A prenošen sigal PWM, onda je ovaj signal ujedno i priključen na ¬HIN1 ulaz kola IRS2330. Na izlazu  V_HO1 će se pojaviti invertovani signal PWM -a, ali drugačije amplitude. Ovaj signal uključuje ili iskljucuje mosfet Q1, koji kada je uključen, priključuje 24V na fazu A, redno (u slučaju zvezda vezivanja) sa fazom B ili C.

Slika 4. Jednostavno nacrtana šema priključenja ulaza i izlaza na kolo IRS2330

 

  Donji i gornji mosfetovi ne mogu biti istovremeno uključeni. Ta zaštita je ugrađena u čip IRS2330. Na izvršnoj strani kola IRS2330 nalaze se takozvani butstrep kondenzatori C1,2,3 , zajedno sa butstrep diodama D1,2,3. U normalnom režimu rada dok je donji mosfet npr. Q2 uključen, kondenzator C1 se napuni na 12V. U sledećem koraku donji mosfet se isključi, pa će se tačka Phase A u tom trenutku podići na napon napajanja motora (u ovom slučaju na vrednosti 24V). Ovaj napon preko otpornika (R18,19,20) priključen na butstrep kondenzator C1 preko koga je spojen sa tačkom B1 V . Tako na V_B1 ce se pojaviti zbir napona tačke npr. Phase A i napona kondenzatora npr. C1. S obzirom da je došlo do instrukcije da mosfet Q1 treba da se ukljucč, integrisano kolo, u ovom slučaju IRS2330 spoji tačku V_B1 na tačku V_{HO 1}  . Tako će se na gejtu mosfeta Q1 pojaviti, u ovom slučaju, napon 24V+12V=36V, što osigurava omski režim uključenja mosfeta.

 

Prekostrujna zaštita. Kada struja u trofaznom mostu pređe maksimalnu dozvoljenu vrednost, aktivira će se signal FAULT. Vrednost maksimalne dozvoljene struje u mostu se podešava pomoću otpornika RSEN, R27, R26. Mreža otpornika je vezana na pin ITRIP (Slika 5).

 

   Struja mosta tece prema masi preko otpornika RSEN. Na otporniku ce se javiti napon koji je prikljucen na pin ITRIP preko naponskog razdelnika. Kako struja raste u mostu, tako raste i napon na otporniku RSEN, a time raste i napon VITRIP na pinu ITRIP. Vrednost struje na kojoj ca napon VITRIP dostici vrednost 0.5V, se podešava sa otpornicima naponskog razdelnika. Vrednost senzorskog otpornika je fiksna i iznosi 0.2oma.

 

   U ovom radu željena maksimalna dozvoljena struja je 5A. U mrežu su stavljeni otpornici vrednosti 1k. Meutim, ako je želja da dozvoljena struja bude manja od 5A, to može da se podesi pomocu potenciometara R27. Ako je njegova vrednost na 1k, tada je maksimalna struja 5A, meutim ako je 0oma, tada je ova struja 2.5A. Znaci izmeu ove dve vrednosti može da se podešava struja.

 

Slika 5. Mreža otpornika za podešavanje zaštite od
                        prevelike struje u mostu

 

Rezultati izvršenih merenja

 

  Upravljanje BLDC motorom se vrši preko računara pomoću programa Sokomo koji serijski komunicira sa drajverom. Unete su karakteristike PID regulatora [3]. Merenja su izvršena digitalnim osciloskopom.

 

Slika 6. Napon na jednoj fazi u odnosu na masu i struja u toj fazi. Napon na CH2, struja na CH1

 

  Na CH2 (Slika 6) se vidi da kako se obrće rotor, napon nije stalno priključen i nije uvek u istom smeru priključen na namot. U vremenskom intervalu kada na namot nije priključeno napajanje, vidi se indukovana elektromotorna sila. Može se primetiti i to da se komutacija nikad ne izvrši u trenucima kada indukovani napon menja smer u namotu, nego 30^o pre i 30^o posle toga. Na CH1 (Slika 6) se vidi da ni struja nije stalno prisutna u namotu. Iz ovoga proizilazi da je motor vezan u zvezda konfiguraciju.

 

 Slika 7.  Reagovanje drajverskog kola na ulaz. Hin_A na CH2, A_H na CH1

 

  Vidi se kako reaguje izlaz na ulaz (Slika 7) kod kola IRS2330. Kada je stanje na ulazu nisko, tada treba da bude izlaz visok. Međutim postoje i neko vreme kašnjenja reagovanja kola, i posle toga proradi takozvano mrtvo vreme funkcija u kom su oba mosfeta u datoj grani isključena i provede zamajna dioda. Dužina mrtvog vremena kola je 2μs koji se tačno vidi. U tim vremenskim trenucima je napon 24V. Tek posle isteka ovog vremena integrisano kolo promeni svoj izlaz na visoki nivo. Tada je napon 36V.

Slika 8. Dostizanje date pozicije

 

  Reagovanje motora na pobudu se može posmatrati pomoću softvera SoKoMo [3] (Slika 8). Na slici se vidi kako motor dostigne datu poziciju. Pozicija se zada u softveru SokoMo po broju impulsa koji drajver dobije nazad sa enkodera BLDC motora. U ovom primeru taj vrednost je 2000 impulsa.

  Zaključak

 

  U okviru ovog rada je prikazano jedno rešenje drajvera za trofazni motor jednosmerne struje bez četkica (trofazni BLDC motor). Elektronska komutacija je uspešno izvršena pomocu programabilnog logickog kola. U zavisnosti od upisanog programa u ovo programabilno kolo, upravljanje motora PWM signalom je moguće i na unipolarni i na bipolarni način. Glavni delovi izvršnog dela su mosfetovi u trofaznom mostu, i drajversko kolo IRS2330 za trofazni most. Zaštita ovog kola od preopterećenja je dobra. Mana mu je da je mrtvo vreme je dugačak. Zbog toga frekvencija PWM signala je stavljena na 50kHz umesto 100kHz. U slučaju daljeg razvijanja ovog uređaja, ili rekonstrukcije, na ovu manu obavezno treba obratiti pažnju. Povezivanje sistema sa softverom SoKoMo je uspešno, time i PID regulacija je omogućena. Dobrom podešavanjem PID regulatora moguće je dostici dobro reagovanje motora na pobude kao prilikom dostizanju željene brzine, tako i u dostizanju želejene pozicije. Na drajver je moguće priključiti BLDC motor napona napajanja do 48V.

 

Autor:

• Čaba Morvai, Fakultet Tehničkih Nauka – Novi Sad, Katedra za elektroniku

 

Literatura:

 

[1] William H. Yeadon – Alan W. Yeadon, “Handbook of small electric motors”

[2] dr Nagy Lóránt – Gemeter Ernö, “Az automatizálás villamos gépei”, BMF KKVFK – 1189, Budapest, 2006.

[3] Damir B. Krklješ – Srđan Šerčev, “Uputstvo za softver SoKoMo”, FTN, Novi Sad, 2008.