Устройства с широкой запрещенной зоной улучшают дизайн управления двигателем

Системы управления двигателями состоят из программных и аппаратных компонентов, включая IGBT, полупроводники WBG и микроконтроллеры, которые становятся все более сложными.

Управление двигателем играет важную стратегическую роль в технологическом развитии Индустрии 4.0. Одной из ключевых проблем промышленного развития является использование энергии. Потребление электроэнергии значительно растет отчасти из-за потребности в электроэнергии промышленных электродвигателей. В результате этих растущих требований поиск эффективных решений в области управления двигателем становится приоритетом как для разработчиков, так и для производителей компонентов.

Наряду с потреблением энергии возрастает сложность конструкции из-за строгих требований к контролю, включающих многие электронные технологии, которые требуют значительных усилий. Одним из примеров является использование материалов с широкой запрещенной зоной (WBG).

С функциональной точки зрения моторный контроль состоит из нескольких уровней. Например, управление движением требует выполнения очень сложных и требовательных к вычислительным ресурсам алгоритмов управления. Управление двигателем охватывает широкий спектр приложений, от простого управления вентиляторами и насосами до более сложных задач промышленного управления, включая робототехнику и сервомеханизмы. Здесь мы рассмотрим ключевые компоненты системы управления двигателем.

Двигатели и драйверы

Двигатели постоянного тока являются наиболее распространенными, так как они дешевле и состоят из статора (фиксированная часть), то есть постоянного магнита, и подвижной части (ротора), в которой находится обмотка, подключенная к коммутатору, который подает ток. Управление скоростью двигателя достигается за счет регулирования постоянного тока. Для этой цели и в зависимости от характера применения для управления двигателем постоянного тока используются мостовые, полумостовые или понижающие преобразователи.

Двигатель переменного тока в основном состоит из трансформатора с первичной частью, подключенной к источнику переменного напряжения, и вторичной части, которая проводит наведенный вторичный ток. Электроника на базе микропроцессора, инвертор и преобразователь сигналов используются для управления скоростью этого двигателя.

Контроллер - это электронное устройство, которое действует как «мозг» в системе управления. Количество используемых контроллеров зависит от количества отдельных процессов, которые необходимо контролировать. В сложной системе может быть множество контроллеров. Каждый из этих контроллеров может отправлять команды двигателям и в то же время получать инструкции от самих исполнительных механизмов.

В роботизированных системах, используемых в промышленности, в основном используются трехфазные двигатели, работающие от переменного напряжения (AC). В качестве примера на рис. 1 показывает блок-схему электронной схемы управления, в которой выделенный микроконтроллер (MCU) генерирует сигнал PWM. В качестве альтернативы MCU решения DSP или FPGA больше подходят для реализации сложных алгоритмов цифровой фильтрации.

Рис. 1. Блок-схема управления трехфазным асинхронным двигателем с питанием от переменного тока (Источник:Texas Instruments)

Примером контроллера для двигателей постоянного тока являются модули слотового типа TMCM-1637 5-A RMS и TMCM-1638 7-A RMS с двумя полевыми контроллерами / драйверами, которые добавляют функциональные возможности кодировщика Холла и ABN для полевого управления (или векторного управления). контроль). Эти модули поддерживают однофазные двигатели постоянного тока, двухфазные биполярные шаговые двигатели и трехфазные бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) ( Рис. 2 ).

БТИЗ

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) воплощают настоящую инновацию в электронике управления мощностью. Что касается коммутационных решений, новшество связано с высокой частотой коммутации. БТИЗ представляют собой базовую функциональность устройств управления мощностью, которые хорошо подходят для решения сложных задач управления двигателями.

Последние решения позволили установить прекрасную взаимосвязь между скоростью переключения и стабильностью поведения в особо экстремальных условиях эксплуатации, например, в автомобильном секторе при использовании инверторов для привода электродвигателей. Одним из примеров является серия IGBT S на 1200 В от STMicroelectronics. Эти IGBT оптимизированы для использования на низких частотах (до 8 кГц) и характеризуются низким V _{ce (sat)} . IGBT-транзисторы серии S на 1200 В основаны на технологии полевого упора третьего поколения с траншейным затвором.

GaN и SiC

Тем не менее, материалы WBG, нитрид галлия и карбид кремния, все больше используются в системах управления двигателями в качестве замены устройств на основе кремния. В силовой электронике основные преимущества, предлагаемые материалами WBG, включают меньшие потери мощности, более высокую эффективность, более высокие частоты переключения, более компактный размер, более высокую рабочую температуру (значительно превышающую верхний предел 150 ° C, достижимый для кремния), большую надежность в сложных условиях эксплуатации. , и высокое напряжение пробоя.

Например, более высокая подвижность электронов в GaN-транзисторе с высокой подвижностью электронов (HEMT) приводит к более высокой скорости переключения, поскольку заряды, которые обычно накапливаются в соединениях, могут рассеиваться быстрее. Более быстрое время нарастания, меньшее сопротивление сток-исток в открытом состоянии (R _{DS (on)} ), а также уменьшенная емкость затвора и выходная емкость, достижимая с помощью GaN, - все это способствует его низким коммутационным потерям и способности работать на частотах коммутации до 10 раз выше, чем у кремния.

Снижение потерь мощности дает дополнительные преимущества, такие как более эффективное распределение мощности, меньшее тепловыделение и более простые системы охлаждения. Многие приложения для управления двигателем требуют, чтобы вентилятор обеспечивал принудительное воздушное охлаждение для работы в безопасных рабочих пределах устройства. Используя GaN, можно уменьшить рассеиваемую мощность и обеспечить работу без вентилятора, что особенно важно для приложений с малым весом, таких как электронные дроны.

В промышленных приложениях питания разработчики электроники могут добиться преимуществ, также используя SiC MOSFET, которые предлагают значительное повышение эффективности, меньший размер радиатора и более низкую стоимость, чем традиционные решения на основе Si, такие как IGBT. Технология SiC обеспечивает очень низкий R _{DS (on)} на единицу площади, высокие частоты переключения и незначительные потери энергии во время фазы обратного восстановления, которая происходит после выключения основного диода.

Использование устройств SiC в приложениях для управления двигателями и электропитания - настоящий прорыв благодаря таким функциям, как экономия энергии, уменьшение размеров, более высокая степень интеграции и надежность. Эти особенности делают их подходящими для секторов с высокой надежностью, таких как автомобильная и промышленная автоматизация.

В промышленных приводах особое внимание следует уделять скоростям включения и выключения. Фактически, dV / dt SiC MOSFET может достигать гораздо более высоких уровней, чем IGBT. Если не решить проблему должным образом, dV / dt с высокой коммутацией увеличивает скачки напряжения на длинных кабелях двигателя и может генерировать паразитные токи в синфазном и дифференциальном режимах, которые со временем приводят к повреждению изоляции обмоток и подшипников двигателя. Несмотря на то, что более быстрое включение / выключение повышает эффективность, типичное значение dV / dt в промышленных приводах часто устанавливается в диапазоне от 5 до 10 В / нс по соображениям надежности.

Сравнение, проведенное STMicroelectronics на двух аналогичных силовых транзисторах на 1,2 кВ - SiC MOSFET и SiC MOSFET - доказало, что устройство SiC MOSFET может гарантировать гораздо меньшие потери энергии как при включении, так и при выключении по сравнению с Si IGBT, даже при заданных условиях 5 В / нс ( Рис. 3 ).

Рис. 3. Двухуровневый трехфазный преобразователь частоты (Источник:STMicroelectronics)

Использование устройств SiC в приложениях для управления двигателями и электрической мощностью в целом является настоящим прорывом благодаря таким функциям, как экономия энергии, уменьшение размеров, возможности интеграции и надежность. Среди других возможностей теперь можно использовать оптимальную частоту коммутации в цепи инвертора для подключенного двигателя, что дает важные преимущества в конструкции двигателя.

Например, полевые МОП-транзисторы CoolSiC на основе SiC от Infineon Technologies с технологией соединения XT в SMD-корпусе D²PAK-7, оптимизированном на 1200 В, обеспечивают пассивное охлаждение в сегментах электроприводов, критичных к плотности мощности, таких как сервоприводы, тем самым поддерживая отрасль робототехники и автоматизации. при реализации необслуживаемых и безвентиляторных преобразователей двигателей ( Рис. 4 ).

В области автоматизации безвентиляторные решения открывают новые возможности для проектирования, поскольку они экономят затраты и усилия на техническое обслуживание и материалы. Решение Infineon CoolSiC Trench MOSFET с технологией межсоединений .XT предлагает привлекательные тепловые характеристики в небольшом форм-факторе, что делает его хорошо подходящим для интеграции приводов, например, в роботизированный манипулятор. Устройства CoolSiC MOSFET SMD выдерживают время короткого замыкания 3 мкс и имеют номинал от 30 мОм до 350 мОм. Это соответствует требованиям серводвигателей.

Рис. 4. Снижение потерь проводимости во всех режимах работы (Источник:Infineon Technologies)

Микроконтроллеры

Решения по управлению двигателями состоят из аппаратных и программных компонентов. Аппаратный компонент - это электронные устройства управления, такие как IGBT, SiC и GaN MOSFET, силовые диоды и т. Д., А программный компонент предназначен для управления аппаратным обеспечением, которое становится все более сложным и изощренным. Доступность вычислительных архитектур, оптимизированных для контроля и управления устройствами питания, позволяет разработчикам получать производительность, которая в противном случае была бы невозможна в области управления.

Пара примеров поступает от NXP Semiconductors и Renesas Electronics. Семейство 32-разрядных процессоров NXP MPC57xx основано на технологии Power Architecture для автомобильных и промышленных силовых агрегатов в дополнение к другим возможностям автомобильного контроля и функционального управления. Процессоры предлагают качество AEC-Q100, внутреннюю шифровальную защиту для защиты от несанкционированного доступа и поддержку функциональной безопасности ASIL-D и SIL-1 (ISO 26262 / IEC 61508). Они обеспечивают Ethernet (FEC), двухканальный FlexRay и до 6 SCI / 8 DSPI / 2 I ² C для разных протоколов связи.

Renesas предлагает 32-битные микроконтроллеры RA6T1 на базе ядра Arm Cortex-M4 для работы на частоте 120 МГц с набором периферийных устройств, оптимизированных для обеспечения высокой производительности и точного управления двигателем. Один микроконтроллер RA6T1 может одновременно управлять двумя двигателями BLDC. Кроме того, платформа Google TensorFlow Lite Micro для приложений TinyML добавляет улучшенное обнаружение сбоев в микроконтроллеры RA6T1, предлагая клиентам интеллектуальную, простую в использовании и экономичную бессенсорную моторную систему для профилактического обслуживания.

Требования к двигателям различаются в зависимости от приложения, которое может потребовать оптимизации и точной настройки для конкретного случая использования. Рынок предлагает несколько решений в виде IGBT, полупроводников WBG и микроконтроллеров для удовлетворения этих требований. Однако необходимо разработать новое оборудование, которое снимает с процессора критические задачи в реальном времени, обеспечивая при этом дополнительные возможности диагностики, профилактического обслуживания, искусственного интеллекта и систем функциональной безопасности.

>> Эта статья изначально была опубликована на нашем дочернем сайте Power Electronics News.

---

Связанное содержание:

• Сглаживание характеристик трансмиссии электромобиля с помощью полевого алгоритма управления.
• Эталонный дизайн упрощает управление двигателями промышленных роботов.
• Программное обеспечение упрощает разработку драйвера двигателя BLDC.
• Ключевые факторы при разработке электронного управления скоростью дрона.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.