DSP styr stegmotor
DSP Komponenter Scott Reardon, VD för D3 Engineering, beskriver här ett system för sensorlös återkopplad, programmerad motorstyrning av stegmotorer. Konstruktionen ger låga kostnader och höga prestanda. Konstruktörer av elmotordrivna system drar fortfarande nytta av fördelarna med sensorlösa motorstyrningsmetoder. Sensorlös motorstyrning, som först introducerades i borstlösa BLDCmotortillämpningar (Brushless DC) för trefasspänning, ger nu med nya algoritmer möjlighet att använda billiga tvåfasstegmotorer i högpresterande BLDC-tillämpningar. Tack vare den omfattande beräkningskraften och den integration på systemnivå som billiga DSP-baserade (Digital Signal Processor) styrsystem ger, används nu i stegmotorer återkopplad styrteknik som tidigare enbart förknippades med dyrbara servomotorer. Därigenom tar återkopplad motorstyrning steget från storskaliga tillämpningar, som fabriksautomatisering, till mycket mindre system som hushållsapparater. I takt med att kraftfullare DSP-baserade styrsystem tas fram används styrsystem nu för flera motorer, vilket ger billig styrning av flera rörelseaxlar i volymtillämpningar som exempelvis säkerhetskameror. Eftersom sensorlösa styrsystem inte kräver några givare möjliggör de införande av avancerad teknik, t.ex. sensorlös fältorienterad styrning (FOC), som tidigare har använts för AC-induktions- och BLDC-motorer. Dessa intelligenta styrsystem, som på ett ögonblick beräknar och korrigerar rotorns läge och hastighet, kan även göra fininställningar utifrån enskilda motorers egenskaper. Resultatet blir högre vridmoment och enhetligare hastighet, vilket förbättrar motorns verkningsgrad och ger lägre energiförbrukning, minskad värmealstring och högre tillförlitlighet. Tester har visat att nästan dubbelt så höga prestanda kan specificeras tillförlitligt för en motor med givarlös återkopplad styrning, vilket gör att konstruktörer kan använda betydligt mindre motorer i samma tillämpning och spara kostnader, utrymme och vikt i den färdiga utrustningen. Dessutom kan alla dessa fördelar fås till priset av en mycket liten kostnadsökning för 30 DSP styr stegmotor Fig 1. Rörelseinducerad EMF (Electromotive Force) i avkänningslindningar Fig 2. Systemblockschema för styrning av övervakningskamera i höjd- och sidled konstruktion och tillverkning av motorn. - Rörelsestyrning inom tilllämpningar av alla storlekar och volymer behöver intelligentare styrsystem som snabbt kan svara på skiftande belastningar och ge exakt rätt vridmoment. Ett exempel är bläckstråleskrivarens skrivhuvud, som ständigt ändrar riktning och hastighet, medan vi i den andra änden av skalan har industrins transportband, vars vridmoment plötsligt måste korrigeras som svar på belastningsförändringar. Möjliga användningsområden är hushållsapparater eller ”vitvaror”, kontorsmaskiner, säkerhetssystem, bilar, industriutrustning samt system för värme, ventilation och luftkonditionering. Traditionellt har endast avancerade tillämpningar kunnat rättfärdiga de höga kostnaderna för återkopplade servomotorer som kräver information om rotorposition från givare. I jämförelse med motorer utan återkoppling för styrning av motordrivsignalerna är servomotorer mycket exaktare och utnyttjar energin effektivare, men avkänning av ankarets exakta hastighet och läge kräver ofta dyrbara lägesgivare. Dessutom används ofta servostyrning av BLDC-motorer med trapetsformad kommutering, vilket ger betydande problem som inställning av Halleffektgivare och momentrippel på grund av felaktig kommutering. Billig oåterkopplad styrning av 1,8 graders stegmotorer, med fyra eller sex ledare och tvåfasspänning, är det alternativ som oftast väljs för tillämpningar med stora volymer. Denna typ av styrning är enkel att förstå och implementera, och den kostar vanligen mindre att tillverka än mer högpresterande och energieffektiv återkopplingsstyrning med axelsensorer. Vissa blygsamma förbättringar av rörelsekvaliteten har erhållits med hjälp av avancerade H-bryggor som möjliggör mikrostegning och upphackning av spänningen i pulser till en låg kostnad. Nackdelen med oåterkopplade stegmotorer är att inga steg någonsin får gå förlorade, vilket innebär att systemet måste ställas in för att fungera som om sämsta möjliga belastningstillstånd ständigt föreligger, även om mer gynnsamma tillstånd vanligen råder. Även i mer lågpresterande tillämpningar resulterar de marginaler som krävs för att erhålla tillförlitlig positionering i att man använder alltför högpresterande motorer och mekanismer som kan tåla belastningsvariationer – men på bekostnad av verkningsgraden. Innan robusta sensorlösa styrmetoder hade utvecklats tvingades motorkonstruktörer att välja mel- lan den återkopplade styrningens prestanda och högre kostnader å ena sidan och den oåterkopplade styrningens låga pris och ineffektivitet å den andra sidan. Motorstyrning behöver emellertid inte längre baseras på ett val mellan dessa båda lösningar. I dag medger högpresterande DSP-baserade styrsystem och givarlösa algoritmer implementering av återkopplingsstyrning i billiga stegmotorer med bred användning. Dessa nya, billiga sensorlösa styrmetoder har blivit möjliga tack vare utvecklingen av DSPstyrsystem. Liksom med FOC för AC-induktions- och BLDCmotorer finns det en rad olika algoritmer för beräkning av motoraxelns läge genom mätning av faktiska spänningar. En vanlig metod är att mäta EMF (Electromotive Force) i faslindningarna, vilken är proportionerlig mot axelhastigheten. DSP-styrsystemet integrerar digitalt dessa mätningar av EMF med de avkända fasdrivströmmarna för att uppskatta den momentana rotorpositionen och rotorhastigheten. De axelpositioner och axelhastigheter som erhålls kan användas i traditionella återkopplingsarkitekturer som kontinuerligt justerar motordrivströmmen för att ge rätt vridmoment under alla belastningsförhållanden. EMF från en tvåfasstegmotor med permanentmagnet kan enkelt observeras genom att en icke strömsatt motor vrids manuellt med rampad eller konstant hastighet. De spänningar som produceras vid drivlindningen för varje fas visas nedan i fig 1. De genererade A- och B-signalerna är fasförskjutna 90 grader i förhållande till varandra, och toppamplituden står i direkt förhållande till motoraxelns hastighet. En 1,8-graders stegmotor har 50 faser, så sinus/cosinusmönstret upprepas 50 gånger per varv. Tack vare sensorlösa flerfasBLDC-motorer är det nu möjligt att använda en positionsslinga ända ned till hastigheten noll. Detta är ingen obetydlig prestation, eftersom EMF försvinner helt när motorankaret saktar ned och stannar. D3 Engineering erbjuder Kruse-styrning(1), en egen DSP-baserad sensorlös algoritm för tvåfasstegmotorer som steglöst kan övergå från långsam till ingen hastighet och vara kvar i en fast position på obestämd tid. Microcontrollerbaserade implementeringar har haft begränsad framgång på grund av sin relativt låga samplingsfrekvens och be- ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006 DSP gränsade digitala beräkningskraft. För att uppväga dessa brister kräver de ytterligare analog stödjande maskinvara som inte enkelt kan ställas in så att den skiljer mellan integratorläckage och verklig rörelse. Eftersom konventionella åttabitars microcontrollers kräver ytterligare stödjande maskinvara kostar DSP-styrsystem faktiskt mindre som systemlösning. Traditionella microcontrollers saknar de beräkningsfunktioner som krävs för beräkning av läges- och hastighetsvektorer i realtid, så de tvingas förlita sig på mindre exakta uppslagstabeller. DSP-styrsystem kan däremot snabbt beräkna läges- och hastighetsvektorer för kontinuerliga indatajusteringar vid uppdateringsfrekvenser på 40 kHz och mer. Dessutom ger DSP-styrsystem ytterligare beräkningskraft för implementering av funktioner som systemstyrning, kommunikation och effektfaktorkorrigering, när dessa krävs. Resonanser i mellanbandet har alltid utgjort ett problem för konstruktörer som försöker använda återkopplingsstyrning av stegmotorer genom att lägga till axelgivare. De diskreta motorstegen tenderar att excitera det mekaniska systemets naturliga resonanser och orsaka oönskade vibrationer som ofta resulterar i svängning. DSP-styrsystem stöder emellertid styrslingor med hög samplingsfrekvens som ger jämn och stabil drift med hjälp av första och andra ordningens slingkompensatorer. I avancerade FOC-algoritmer behandlas exempelvis hela det magnetiska fältet som en enda vridmomentvektor som kan styras nästan omedelbart för att upprätthålla maximal drivning i rotorn, samtidigt som vridmomentresonanser elimineras. I jämförelse med traditionell servostyrning är DSP-baserad sensorlös styrning mycket billig att lägga till i standardstegmotorer. I varje stegmotor med sex ledare finns det en drivnings- och avkänningslindning för varje fas. En noggrann undersökning av den interna motorlindningen visar att varje faslindning består av två halvlindningar, förbundna i serie, där den gemensamma anslutningen förs ut som en enda ledare. Om du kopplar bort dessa båda halvlindningar och tar fram varje ledare för sig har du skapat en hybridstegmotor med åtta ledare. Om du vill optimera användningen av koppartråd för att ge motorvridmoment kan du ange att avkänningslindningen ska lindas med tråd av mindre diameter, eftersom den inte har någon drivström. De flesta motortillverkare erbjuder standardmodeller av hybridmotorer för prototypframställning och i olika Fig 3. Kruse-styralgoritm med återkoppling för rörelse av övervakningskamera i höjd- eller sidled till en högpresterande exakt styrd servomotor. produktionskvantiteter, vilket innebär att extrakostnaden blir försumbar. Den maskinvara som kopplas till DSPn är minimal. Använd samma oåterkopplade H-brygga med dubbelriktad strömavkänning, lägg till ytterligare fyra operationsförstärkare för matning av fasavkänningsspänningarna och drivströmmen till en AD-omvandlare i kretsen, så har du undanröjt behovet av en axelgivare. DSP-styrsystem med möjlighet att driva en enda axel kan fås för mindre än 2 dollar i måttliga mängder. Dessa enheter spar utrymme och komponenter genom att ge fullständiga lösningar för motorstyrning med integrerade funktioner som pulsbreddsmodulerade utgångar, flashminne, AD-omvandlare och stöd för CAN-bussen. Programutvecklingen för DSPstyrsystem är okomplicerad, vilket underlättar för tillverkare att snabbt få ut sina produkter på marknaden. Integrerade utvecklingsmiljöer och högeffektiva C-kompilatorer gör att programmerare känner sig hemmastadda och att utvecklare snabbt kan uppnå topprestanda. Integrerade utvecklingsmiljöer för DSP-styrsystem gör också att programmerare snabbt kan skapa kod med hjälp av välkända modellerings- och simuleringsverktyg som Matlab, Simulink och Labview. Färdiga programmoduler, inklusive FOC-algoritmer, kan fås från DSP-leverantörer och tredjepartsleverantörer. Många moduler kräver endast inmatning av systemparametrar, vilket eliminerar behovet av att utveckla matematiskt komplexa algoritmer från grunden. Den redan tillgängliga programvaran underlättar utveckling av återkopplingsstyrning, och valmöjligheterna blir allt fler. Medan ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006 trenden mot återkopplingsstyrning växer i styrka blir mer information tillgänglig om prestandaegenskaper för olika stegmotorer, vilket gör att programutvecklare kan skapa bättre algoritmer för finjustering av driftstyrning i enskilda motorer. Schemat i fig 2 visar systemet, och fig 3 visar styrslingan för rörelse i höjd- eller sidled genom återkopplingsstyrning av två 1,8 graders tvåfasstegmotorer med åtta ledare som används i en övervakningskamera, där kameran vrids i höjd- och sidled genom olika axlar. DSPn, det digitala styrsystemet TMS320LF28x från Texas Instruments med 150 MHz driftfrekvens, ger upp till 150 MMACS (miljoner multiply-accumulate operations per second), vilket räcker för att vid behov styra upp till tre axlar. I övervakningskameran styr DSPn i själva verket även zoomning förutom rörelse i höjd- och sidled, vilket ger en tredje styraxel som inte beskrivs här. F28x-styrsystemet ger fyra pulsbreddsmodulerade utgångar (PWM) och fyra AD-omvandlaringångar per axel (vilket ger ytterligare outnyttjade men tillgängliga PWM och AD-omvandlare). PWM-utgångar styr dubbla H-bryggor med dubbelriktad strömavkänning, och en fyrdubbel operationsförstärkare mäter EMF och drivströmmar. Dessa värden matas direkt in i DSPns inbyggda 12-bitars ADomvandlare för körning av en PID-positionsslinga (Proportional Integral Differential) med en uppdateringsfrekvens på 40 kHz. Detta 32-bitars F28x-styrsystem möjliggör även en mer komplicerad fasttalsrepresentation av decimaltal, som stöds av TIs IQMath™-verktyg. Bestämningen av ankarläget beror på motorlindningarna och det effektiva CPR-antalet (Counts Per Revolution), som är relaterat till antalet bitar som digitaliseras av AD-omvandlaren. Kostnaden för axelgivare ökar betydligt när CPR går över 10 000. De 12-bitars AD-omvandlare som finns i LF28x ger en inkrementell givare med 20 000 CPR. I konstruktionen används en sensorlös algoritm som licensierats för användning i TIs digitala signalstyrsystem av D3 Engineering. Algoritmen är självkommuterande, vilket innebär att det inte krävs några Halleffektsensorer. Algoritmen kräver bara 40 procent av den tillgängliga beräkningskraften, eftersom alla beräkningar för framtagning av nya kommandon för motorvridmoment kan göras på cirka 10 µs. Var 25e µs får H-bryggorna ett nytt par PWM-vridmomentkommandon från DSP-styrsystemet. De positioneringsprestanda som erhålls motsvarar en mikrostegsupplösning på en hundradel per steg, och vridmomentet anpassas efter belastningen. Tester som genomförts av D3 Engineering har visat att denna algoritm kan röra en stegmotor från helt stillastående läge till ett nytt läge 180,00 grader bort, inom ±0,05 grader, på mindre än 50 ms (verifierat med hjälp av en oberoende optisk givare med 57 000 CPR). Sekvensen upprepades sedan kontinuerligt, med 50 millisekunders fördröjning mellan halva varv, för att visa att algoritmen fungerar vid hastigheten noll. Återkopplingssystemet kan genomföra rörelsesekvensen som beskrivs ovan på halva den tid det tar för ett jämförbart oåterkopplat system, och med betydligt lägre energiförbrukning. När en störning av vridmomentet infördes i testerna gick steg förlorade när metoden utan återkoppling användes. I själva verket har ett DSP-styrsystem med sensorlös algoritm omvandlat den enkla, billiga stegmotorn Några av de långsiktiga fördelarna med återkopplingsstyrning är lägre energiförbrukning, mindre värmealstring och högre tillförlitlighet. Även om dessa fördelar är viktiga är de beroende av tillämpningen och tillståndet och därför svåra att mäta. En mätbar fördel är emellertid den mindre motorstorlek som krävs för en given tillämpning. Utifrån omfattande studier av kundernas verksamhet har D3 Engineering upptäckt att 50 procent av en motors prestandaklassificering i en given tillämpning normalt utgör en extra marginal för att klara förändringar av belastning och andra faktorer. I motsats till detta kräver en motor med återkopplingsstyrning utan givare en marginal på endast 5 till 10 procent för att ge samma prestanda. En motors prestandaklassificering för en given tillämpning kan sålunda nästan halveras, med åtföljande besparingar. Tack vare högpresterande DSPstyrsystem lanseras nu billiga stegmotorer med avancerad styrning som tidigare endast kunde fås till ett högre pris. DSP-baserade sensorlösa algoritmer där EMF används för beräkning av läge och hastighet utgör ett billigt och exakt alternativ till oåterkopplad styrning med microcontrollers, som inte bara är mindre effektiva utan även kräver dyrbara givare för ankarläge. DSP-styrsystem kan ge nästan omedelbar styrning, samtidigt som de ger den prestandamarginal som krävs för ytterligare funktioner som självinställning och kommunikation. De mer kraftfulla DSPstyrsystemen kan även styra flera rörelseaxlar i system med mer än en motor. Samtidigt innehåller DSP-styrsystemen funktioner på systemnivå som bidrar till att hålla nere priset på stegmotorer. Det är alltså föga förvånande att dagens systemutvecklare utformar sina produkter så att de utnyttjar den exakta styrning, låga energiförbrukning, tillförlitlighet och storleksanpassning som möjliggörs genom stegmotorer med avancerad styrteknik. , (1) Amerikanska patent: 5,134,349 * 5,202,613 * 5,321,342 31
© Copyright 2024