- Три основні топології двигуна
- Для управління двигуном необхідна як потужність, так і стратегія
- Подібності та відмінності інтегральних схем для керування двигуном
- робимо вибір
- висновок
- Про компанію ST Microelectronics
Наша сеть партнеров Banwar
Який тип малопотужного двигуна постійного струму вибрати з трьох існуючих? Це визначається поставленим завданням, але, незалежно від вибору, у STMicroelectronics знайдеться мікросхема драйвера для будь-якого з них.
Діапазон застосувань малопотужних двигунів постійного струму (DC) розширився в результаті багатьох факторів. По-перше, двигуни стали більш ефективними і потужними завдяки новим магнітним матеріалами. По-друге, у зв'язку з використанням інтелектуальних мікросхем з інтегрованими польовими транзисторами (FET) управління двигунами стало легшим. По-третє, незважаючи на те, що в більшості додатків інтернету речей (IoT) лише реєструються ті чи інші стану, а потреби в русі не виникає, зростання різноманітності додатків IoT привів до необхідності малогабаритних двигунів.
Що таке малопотужний двигун постійного струму? Офіційного визначення або стандарту немає, але універсальне розуміння в індустрії таке: двигун із середньоквадратичним значенням (RMS) значенням струму приводу до 1 А і піковим значенням струму 2 А вважається малопотужним пристроєм. Ці цифри можуть здатися досить великими в порівнянні зі споживанням відповідної електронікою мілліамперних струмів. Однак багато хто з вищевказаних двигунів використовуються в додатках з малим коефіцієнтом заповнення, чиї сукупні потреби в енергії досить скромні, навіть якщо власні вимоги додатків до максимальної потужності набагато більше, ніж необхідно їх електронної складової.
Області застосування малопотужних двигунів різноманітні: від електроніки для розваг - до стандартної продукції і виробів для відповідального застосування. Ось кілька сфер, де вони використовуються:
- бездротові системи Smart HVAC;
- регулювання і тонка настройка виробничих процесів;
- наукове приладобудування;
- ігри та розваги;
- роботизовані приводи;
- медичне обладнання, наприклад - для позиціонування зондів, для контролю потоку рідини і для лабораторної діагностики.
Три основні топології двигуна
Три часто використовувані конфігурації малопотужних DC-двигунів - колекторні, безколекторні (BLDC) і крокові. Кожен з них працює завдяки взаємодії між струмами в котушках (або обмотках) і постійними магнітами (в більшості конструкцій), що призводить до тяжінню / відштовхування магнітного поля, що викликає обертання. Всі три види двигунів мають деяку схожість, але відрізняються методом управління перемиканням струму, що протікає через обмотки ротора і статора.
Вони також відрізняються можливістю виконання певних завдань, якістю цього виконання і гнучкістю управління.
- Історично першим був двигун колекторного типу. У міру обертання ротора контактні щітки, що представляють собою суцільні контакти, що складаються, як правило, з графіту, стосуються відповідних областей на роторі (рисунок 1). У міру обертання ротора зміна точок контакту щітки викликає зміна напрямку потоку струму і, отже, магнітного поля. Потім взаємодія магнітного поля між ротором і статором змінюється на протилежне, що змушує ротор продовжувати рух.
Мал. 1. Колекторний двигун постійного струму
Дана механічна схема концептуально проста. Однак її недолік в тому, що щітки зношуються і потребують заміни, реалізація інтелектуального управління складна, тому що переключити даний двигун досить важко, до того ж, щітки створюють електромагнітні перешкоди (EMI), також відомі як радіочастотні перешкоди (RFI).
У найпростішому варіанті колекторний двигун не потребує у електронному урядуванні - він просто працює в залежності від струмового та механічної навантажень. В інших варіантах силова шина двигуна вмикається і вимикається за допомогою транзисторної схеми, що є найпростішим варіантом управління. Також можливе використання мікросхеми-драйвера для підвищення продуктивності і забезпечення контролю над швидкістю і обертовим моментом.
- У двигуні BLDC механічна комутація замінена електричної з використанням транзисторів. Найчастіше використовуються МОП-транзистори (MOSFET), які управляються драйвером затвора (в деяких конструкціях використовуються біполярні транзистори з ізольованим затвором - IGBT). Окремий контролер управляє точним перемиканням котушки в момент, необхідний для підтримки обертання двигуна на бажаної швидкості (малюнок 2).
Мал. 2. Безколекторний двигун постійного струму
Примітка: двигуни BLDC іноді називають електронно-комутованими (EC) двигунами, що є більш точним визначенням.
У BLDC магнітне поле ротора присутній завжди, воно генерується постійними магнітами. Коли струм направляється від однієї фази двигуна до іншої, магнітні поля об'єднуються, генеруючи змінюється поле статора.
Управління двигуном здійснюється не тільки за допомогою електроніки. Замість цього перемикання може бути сформовано в драйвері затвора з контрольованим часом наростання і спаду для зменшення EMI / RFI. Основна проблема полягає в тому, що більш м'яке перемикання призводить до втрати потужності і зниження ККД двигуна, і в цій ситуації розробнику необхідно знайти максимально компромісне рішення. Деякі нові драйвери затвора використовують безліч складних і тонких трюків, щоб полегшити це завдання.
- Кроковий двигун використовує концепцію двигуна BLDC, включаючи в себе велику кількість котушок (або полюсів), розташованих по периферії двигуна (рисунок 3). Шляхом почергового включення і виключення цих полюсів індукується крок і обертання ротора в прямому або зворотному напрямку.
Мал. 3. Кроковий двигун
Полюсів може бути і 16, і 128 (або більше), в залежності від необхідної точності обертання, прямо пропорційною їх кількості. Крокові двигуни доступні в однополярних двофазних і біполярних двох-, трьох- і пятифазний конфігураціях. Найпоширеніший з них - біполярний двофазний двигун.
У крокової двигуні магнітне поле ротора генерується постійним магнітом, а магнітне поле статора - струмом, що протікає в певній фазі. В результаті ротор буде вирівнюватися відповідно до магнітним полем статора, щоб досягти заданого положення.
Кроковий двигун добре підходить для задач, де необхідні швидкі зупинка / запуск, позиціонування або рух назад / вперед, проте він не підійде для довготривалої безперервної роботи. Він часто використовується в принтерах і приладах з поетапним позиціонуванням (це тільки два з його численних застосувань). Незважаючи на те, що точність позиціонування залежить від числа полюсів, використання вдосконаленого методу, в якому суміжні полюси включаються частково (так званий «мікрошаг»), дозволяє більш точно управляти перемиканням і позиціонуванням.
Для управління двигуном необхідна як потужність, так і стратегія
Повна система управління двигуном складається з декількох функціональних блоків (рисунок 4):
Мал. 4. Шлях сигналу управління двигуном
- Контролер. Контролер вирішує, що мотор повинен робити для виконання поточного завдання в даний момент часу, і визначає, яка потужність в який момент необхідна для полюсів. Він може бути окремою інтегральну схему з фіксованою функцією або бути частиною прошивки більшої системи.
Якщо до двигуна підключають контур зворотного зв'язку, як зараз роблять багато виробників, додаючи датчик положення на вал ротора, то контролер також оцінює стан і швидкість двигуна і визначає відповідні зміни, необхідні для управління потужністю.
- Вихідний сигнал контролера подається на драйвер управління затвором, який перетворює низьковольтні і слаботоковие команди включення / вимикання в більш високі струми (і часто більш високі напруги), необхідні МОП-транзистора (або IGBT). Досить часто драйвер гальванически ізольований.
- МОП-транзистори (або IGBT) є фактичними ключами харчування, які керують подачею струму на котушки двигуна.
- Котушки двигуна. Струм, що протікає через обмотки котушки двигуна, створює електромагнітне поле, яке взаємодіє зі стаціонарними магнітами в двигуні, змушуючи його почати обертання.
Подібності та відмінності інтегральних схем для керування двигуном
Перевага малопотужних двигунів, крім їх скромних потреб в струмі і напрузі, полягає в тому, що драйвери затвора MOSFET можуть бути інтегровані з контролерами і оптимізовані для конкретних потреб. Розглянемо тріо відповідних пропозицій від STMicroelectronics. Ці три мікросхеми від ST мають безліч базових характеристик, які дозволяють застосовувати їх спільно з різними типами двигунів. Крім цього, вони полегшують моделювання і прості у вивченні.
Ось кілька переваг, якими володіють ці вироби:
- максимальна інтеграція з використанням інтерфейсу мікроконтролера (MCU), логіки управління, драйвера і моста МОП-транзистора (потрібно лише кілька пасивних компонентів і немає необхідності в зовнішніх активних компонентах);
- мале робоча напруга 1,8 ... 10 В, яке добре підходить для низьковольтних двигунів, особливо - для працюючих від невеликих акумуляторних батарей;
- високий вихідний струм до 1,3 A (RMS) і 2 A (пікове значення) для кожного виходу;
- енергоспоживання в режимі очікування до 80 нa;
- підвищена надійність завдяки блокуванню при падінні напруги (UVLO), теплової захисту та захисту від перевантаження по струму;
- невеликий QFN-корпус розміром 3 × 3 мм.
Розглянемо подібності та відмінності трьох даних мікросхем для управління двигуном. STSPIN220 , Призначена для крокових двигунів, об'єднує в собі логіку управління, високу ефективність і малий опір «стік-витік» відкритого каналу RDS (ON) (рисунок 5). Контролер реалізує управління струмовим режимом за допомогою широтно-імпульсної модуляції (PWM) з програмованим часом вимикання. STSPIN220 підтримує дозвіл 256 мікрошагов на один повний крок, що дозволяє зробити рух максимально плавним.
Мал. 5. Мікросхема STSPIN220 для управління кроковим двигуном
Мікросхеми, аналогічні моделі STSPIN220:
- STSPIN230 - монолітний драйвер для трифазних двигунів BLDC;
- STSPIN240 - монолітний драйвер для двох незалежних двигунів постійного струму;
- STSPIN250 - монолітний драйвер для одного двигуна постійного струму.
Примітка: драйвер STSPIN250 призначений для одного двигуна на відміну від двомоторного драйвера STSPIN240. STSPIN250 може забезпечувати більш високий струм 2,6 А (середньоквадратичне значення) і 4 А (пікове значення).
Всі ці інтегральні схеми мають максимально схожий зовнішній інтерфейс і оперативні команди, функціонально відрізняються лише їх інтерфейси з боку двигуна.
робимо вибір
Рішення про вибір типу двигуна є простим і складним одночасно. Навіть при існуванні основних принципів вибору можуть виникнути ситуації, які будуть винятком з правил. Кожен тип двигуна відрізняється характеристиками швидкості, кута повороту проти крутного моменту, зупинки. При виборі необхідно зіставити бажані функції і обмеження готового пристрою з параметрами двигуна.
У більшості випадків колекторний і безколекторний двигуни не підходять для рішень, в яких необхідний кроковий варіант. Він краще підходить для постійного чергування запуску / зупинки / позиціонування, в той час як перші два більш придатні для безперервної роботи. При виборі між колекторним і безколекторним двигунами розгляньте наступні аспекти:
- колекторні двигуни мають менший термін служби, ніж двигуни BLDC; в першому випадку термін служби залежить від зношування підшипників і щіткового механізму, у другому термін обмежений тільки зносом підшипників. Крім того, щітки, швидко збирають провідну пил, можуть забруднювати інші поверхні;
- високоякісні колекторні двигуни можуть досягати швидкості 10 000 об / хв, в той час як конструкції двигунів BLDC дозволяють збільшити цю швидкість в 5 або навіть в 10 разів;
- колекторні двигуни можуть працювати безпосередньо від джерела живлення і, отже, потребують тільки в двох проводах, в той час як двигуни BLDC потребують електронної комутації, і в цьому випадку необхідно не менше трьох проводів плюс дроти датчика;
- ККД обох типів приблизно однаковий, а ось джерела втрат в них різняться. Для колекторних двигунів велика їх частина виникає в обмотках і при терті, пов'язаному зі щітковим механізмом, в той час як двигуни BLDC відчувають ті ж втрати в обмотках, плюс додаткові втрати від вихрових струмів, які ростуть зі збільшенням швидкості;
- схема управління для крокових двигунів спочатку є набагато складнішою, ніж для колекторних, але нові інтегральні схеми, наприклад, розробки STMicroelectronics, практично усувають ці відмінності;
- малопотужний колекторний двигун, наприклад, для недорогий іграшки, може бути найбільш економічним рішенням в плані електропроводки і електроніки управління (якщо вона є), але при цьому він може забезпечити досить обмежену продуктивність.
висновок
Незліченна кількість інформаційних довідок про двигуни охоплює академічну теорію, можливі реалізації, варіанти використання, механічні, електричні та термічні проблеми, функції приводу і елементи управління від найпростіших до просунутих. Одним з корисних джерел є «An Introduction to Electric Motors» від ST . Для більш глибокого ознайомлення з кроковими двигунами і мікрошагамі, які не так інтуїтивно зрозумілі, як колекторні і безколекторні двигуни, дивіться «Application Note AN4923 STSPIN220: Step-Mode Selection and On-the-Fly Switching to Full-Step» .
Про компанію ST Microelectronics
Компанія STMicroelectronics є №1 виробником електроніки в Європі. Компоненти ST широко представлені в оточуючих нас споживчих товарах - від iPhone до автомобілів різних марок. Лідери індустріального ринку вибирають компоненти ST за їх надійність і видатні технічні параметри. У компанії ST працює 48 000 співробітників в 35 країнах. Виробничі потужності розташовані в 12 країнах світу. Понад 11 тисяч співробітників зайняті дослідженнями і розробками - інноваційне лідерство ... читати далі