Brede bandgap-apparaten verbeteren het ontwerp van de motorbesturing

Motorbesturingssystemen bestaan ​​uit software- en hardwarecomponenten, waaronder IGBT's, WBG-halfgeleiders en MCU's, die steeds complexer worden.

Motorbesturing speelt een belangrijke strategische rol in de technologische ontwikkeling van Industrie 4.0. Een belangrijk punt van zorg bij industriële ontwikkeling is het energieverbruik. Het elektriciteitsverbruik groeit aanzienlijk, deels door de vraag naar elektriciteit van industriële elektromotoren. Als gevolg van deze groeiende vraag is het zoeken naar efficiënte oplossingen op het gebied van motorbesturing een prioriteit voor zowel ontwikkelaars als fabrikanten van componenten.

Samen met het energieverbruik neemt de complexiteit van het ontwerp toe als gevolg van de strenge controle-eisen waarbij veel elektronische technologieën betrokken zijn die aanzienlijke inspanningen vergen. Een voorbeeld is het gebruik van wide-bandgap (WBG) materialen.

Functioneel gezien bestaat motorische besturing uit verschillende niveaus. Motion control vereist bijvoorbeeld de uitvoering van zeer geavanceerde en rekenintensieve besturingsalgoritmen. Motorbesturing omvat een breed scala aan toepassingen, van de eenvoudige besturing van ventilatoren en pompen tot de meer complexe problemen van industriële besturing, waaronder robotica en servomechanismen. Hier bekijken we de belangrijkste componenten van een motorbesturingssysteem.

Motoren en stuurprogramma's

Gelijkstroommotoren komen het meest voor, omdat ze goedkoper zijn en bestaan ​​uit een stator (vast onderdeel) - d.w.z. de permanente magneet - en een bewegend onderdeel (de rotor), waarin de wikkeling is ondergebracht die is aangesloten op de commutator die de stroom levert. De snelheidsregeling van de motor wordt bereikt door de gelijkstroom te regelen. Voor dit doel en afhankelijk van de aard van de toepassing, worden full-bridge, half-bridge of step-down converters gebruikt om de DC-motor aan te drijven.

Een AC-motor bestaat in feite uit een transformator waarvan het primaire gedeelte is aangesloten op de wisselspanning en het secundaire gedeelte, dat de geïnduceerde secundaire stroom geleidt. Op microprocessoren gebaseerde elektronica, een omvormer en signaalconditionering worden gebruikt om de snelheid van deze motor te regelen.

De controller is een elektronisch apparaat dat fungeert als een "brein" in een besturingssysteem. Het aantal gebruikte controllers is afhankelijk van het aantal individuele processen dat moet worden gecontroleerd. Voor een complex systeem kunnen er meerdere controllers zijn. Elk van deze controllers kan commando's naar de motoren sturen en tegelijkertijd instructies ontvangen van de actuatoren zelf.

Robotsystemen die in industriële toepassingen worden gebruikt, gebruiken voornamelijk driefasige motoren die worden aangedreven door wisselspanning (AC). Als voorbeeld, Fig. 1 toont het blokschema van een elektronisch regelcircuit waarin een speciale microcontroller (MCU) een PWM-signaal genereert. Als alternatief voor de MCU zijn DSP- of FPGA-oplossingen meer geschikt voor het implementeren van complexe digitale filteralgoritmen.

Figuur 1:Blokschema van een AC-aangedreven driefasige inductiemotorbesturing (Bron:Texas Instruments)

Een voorbeeld van een controller voor gelijkstroommotoren is Trinamic's TMCM-1637 5-A RMS en TMCM-1638 7-A RMS slot-type modules met twee veldgeoriënteerde controller/drivers die Hall- en ABN-encoderfunctionaliteit toevoegen voor veldgeoriënteerde besturing (of vector controle). Deze modules ondersteunen enkelfasige gelijkstroommotoren, tweefasige bipolaire stappenmotoren en driefasige borstelloze gelijkstroommotoren (BLDC) (Fig. 2 ).

IGBT's

Bipolaire transistors met geïsoleerde poort (IGBT's) belichamen een echte innovatie in elektronica voor elektrische vermogensregeling. Als schakeloplossingen komt de innovatie voort uit de hoge schakelfrequentie. IGBT's vertegenwoordigen de basisfunctionaliteit van apparaten voor elektrische stroomregeling die zeer geschikt zijn voor het oplossen van complexe motorbesturingsproblemen.

De nieuwste oplossingen hebben een uitstekende relatie ontwikkeld tussen schakelsnelheid en stabiliteit van gedrag in bijzonder extreme gebruiksomstandigheden, zoals in de automobielsector bij het implementeren van inverters om elektromotoren aan te drijven. Een voorbeeld is de 1.200-V IGBT S-serie van STMicroelectronics. Deze IGBT's zijn geoptimaliseerd voor gebruik bij lage frequenties (tot 8 kHz) en worden gekenmerkt door een lage V _ce(sat) . De 1200 V IGBT S-serie is gebaseerd op de derde generatie trench-gate field-stop-technologie.

GaN en SiC

WBG-materialen, galliumnitride en siliciumcarbide, doen echter hun intrede in motorbesturingstoepassingen als vervanging voor op silicium gebaseerde apparaten. In vermogenselektronica zijn de belangrijkste voordelen van WBG-materialen lagere vermogensverliezen, hogere efficiëntie, hogere schakelfrequenties, compacter formaat, hogere bedrijfstemperatuur (ver boven de bovengrens van 150°C die door silicium kan worden bereikt), grotere betrouwbaarheid onder moeilijke bedrijfsomstandigheden en hoge doorslagspanningen.

De hogere elektronenmobiliteit van een GaN-transistor met hoge elektronenmobiliteit (HEMT) vertaalt zich bijvoorbeeld in een hogere schakelsnelheid, omdat de ladingen die zich normaal in de gewrichten ophopen, sneller kunnen worden verspreid. De snellere stijgtijden, lagere afvoer-naar-bron aan-weerstand (R _DS(on) ) waarden, en verminderde poort- en uitgangscapaciteit die haalbaar is met GaN, dragen allemaal bij aan de lage schakelverliezen en het vermogen om te werken bij schakelfrequenties die tot 10× hoger zijn dan die van silicium.

Het verminderen van vermogensverliezen brengt extra voordelen met zich mee, zoals een efficiëntere stroomverdeling, minder warmteafvoer en eenvoudigere koelsystemen. Veel motorbesturingstoepassingen vereisen een ventilator om geforceerde luchtkoeling te leveren om binnen de veilige bedrijfsgrenzen van het apparaat te kunnen werken. Door GaN te gebruiken, kan de vermogensdissipatie worden verminderd en een "ventilatorloze" werking mogelijk maken, wat vooral belangrijk is bij toepassingen met een laag gewicht, zoals elektronische drones.

In industriële stroomtoepassingen kunnen elektronische ontwerpers voordelen behalen door ook SiC MOSFET's te gebruiken, die aanzienlijke efficiëntieverbeteringen, kleinere koellichamen en lagere kosten bieden dan traditionele Si-gebaseerde oplossingen zoals IGBT's. SiC-technologie bereikt een zeer lage R _DS(on) per oppervlakte-eenheid, hoge schakelfrequenties en verwaarloosbare energieverliezen tijdens de omgekeerde herstelfase die optreedt na het uitschakelen van de lichaamsdiode.

Het gebruik van SiC-apparaten in toepassingen voor motorbesturing en elektrische vermogensregeling is een echte doorbraak dankzij functies zoals energiebesparing, kleinere afmetingen, hogere integratie en betrouwbaarheid. Deze eigenschappen maken ze zeer geschikt voor sectoren met een hoge betrouwbaarheid, zoals de automobiel- en industriële automatiseringsbesturing.

Bij industriële aandrijvingen moet bijzondere aandacht worden besteed aan de in- en uitschakelcommutatiesnelheden. In feite kan SiC MOSFET dV/dt veel hogere niveaus bereiken dan IGBT's. Als dV/dt met hoge commutatie niet goed wordt aangepakt, verhoogt dit de spanningspieken over lange motorkabels en kan het parasitaire stromen in common- en differential-mode genereren die na verloop van tijd storingen in de isolatie van de wikkelingen en motorlagers veroorzaken. Hoewel sneller in- en uitschakelen de efficiëntie verbetert, wordt de typische dV/dt in industriële aandrijvingen om betrouwbaarheidsredenen vaak ingesteld op 5 tot 10 V/ns.

Een vergelijking uitgevoerd door STMicroelectronics op twee vergelijkbare 1,2-kV vermogenstransistors - een SiC MOSFET en een Si-gebaseerde IGBT - heeft aangetoond dat het SiC MOSFET-apparaat veel minder energieverlies kan garanderen voor zowel in- als uitschakelen, in vergelijking met de Si IGBT, zelfs onder de opgelegde voorwaarden van 5 V/ns (Fig. 3 ).

Figuur 3:Driefasige omvormer op basis van twee niveaus (Bron:STMicroelectronics)

Het gebruik van SiC-apparaten in toepassingen voor motorbesturing en elektrische vermogensregeling in het algemeen is een echte doorbraak dankzij functies zoals energiebesparing, kleinere afmetingen, integratiemogelijkheden en betrouwbaarheid. Het is nu onder andere mogelijk om de optimale schakelfrequentie in het invertercircuit voor de aangesloten motor te gebruiken, wat leidt tot belangrijke voordelen bij het motorontwerp.

De op SiC gebaseerde CoolSiC MOSFET's van Infineon Technologies met.XT-interconnectietechnologie in een voor 1200 V geoptimaliseerd D²PAK-7 SMD-pakket maken passieve koeling mogelijk in vermogensdichte segmenten van motoraandrijvingen, zoals servoaandrijvingen, en ondersteunen zo de robotica- en automatiseringsindustrie bij het implementeren van onderhoudsvrije en ventilatorloze motoromvormers (Fig. 4 ).

Bij automatisering maken ventilatorloze oplossingen nieuwe ontwerpmogelijkheden mogelijk, gedreven door het feit dat ze kosten en moeite besparen op onderhoud en materialen. Infineon's CoolSiC trench MOSFET-chipoplossing met.XT-interconnect-technologie biedt aantrekkelijke thermische mogelijkheden in een kleine vormfactor, waardoor het bijvoorbeeld zeer geschikt is voor schijfintegratie in een robotarm. De CoolSiC MOSFET SMD-apparaten hebben een kortsluitvastheidstijd van 3 µs en zijn geclassificeerd van 30 mΩ tot 350 mΩ. Dit voldoet aan de eisen van servomotoren.

Figuur 4:Vermindering van geleidingsverlies in alle bedrijfsmodi (Bron:Infineon Technologies)

Microcontrollers

Motorbesturingsoplossingen bestaan ​​uit hardware- en softwarecomponenten. De hardwarecomponent bestaat uit elektronische besturingsapparaten zoals IGBT's, SiC- en GaN MOSFET's, vermogensdiodes, enz., terwijl de softwarecomponent de besturing van de hardware behandelt, die steeds complexer en geavanceerder wordt. Dankzij de beschikbaarheid van computerarchitecturen die zijn geoptimaliseerd voor de besturing en het beheer van stroomapparaten, kunnen ontwikkelaars prestaties verkrijgen die anders niet mogelijk zouden zijn op het gebied van besturing.

Een paar voorbeelden komen van NXP Semiconductors en Renesas Electronics. De MPC57xx-familie van 32-bits processors van NXP is gebaseerd op Power Architecture-technologie voor toepassingen in de automobielindustrie en industriële aandrijflijnen, naast andere mogelijkheden voor besturings- en functioneel beheer in de automobielsector. De processors bieden AEC-Q100-kwaliteit, on-chip security encryptie voor sabotagebeveiliging en ondersteuning van ASIL-D en SIL-1 functionele veiligheid (ISO 26262/IEC 61508). Ze bieden Ethernet (FEC), dual-channel FlexRay en tot 6 SCI/8 DSPI/2 I ² C voor verschillende communicatieprotocollen.

Renesas biedt de RA6T1 32-bit MCU's op basis van de Arm Cortex-M4-kern om te werken op 120 MHz met een verzameling randapparatuur die is geoptimaliseerd voor hoge prestaties en nauwkeurige motorbesturing. Een enkele RA6T1 MCU kan gelijktijdig maximaal twee BLDC-motoren aansturen. Bovendien voegt het Google TensorFlow Lite Micro-framework voor TinyML-applicaties verbeterde foutdetectie toe aan de RA6T1 MCU's, waardoor klanten een intelligent, gebruiksvriendelijk en kosteneffectief sensorloos motorsysteem voor voorspellend onderhoud krijgen.

Motorvereisten variëren afhankelijk van de toepassing, die mogelijk moet worden geoptimaliseerd en verfijnd voor een specifieke gebruikssituatie. De markt biedt verschillende oplossingen op het gebied van IGBT's, WBG-halfgeleiders en MCU's om aan deze vereisten te voldoen. Er moet echter nieuwe hardware worden ontwikkeld die realtime kritieke taken van de processor ontlast en tegelijkertijd meer diagnostiek, voorspellend onderhoud en AI en functionele veiligheidssystemen mogelijk maakt.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, Power Electronics News.

Verwante inhoud:

• Verzacht de prestaties van de EV-aandrijflijn met een veldgericht regelalgoritme
• Referentieontwerp vereenvoudigt industriële robotmotorbesturing
• Software vereenvoudigt het ontwerp van de BLDC-motordriver
• Belangrijkste factoren bij het ontwerpen van de elektronische snelheidsregeling van een drone

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.