Integracja stopni mocy w technologii GaN z zasilanymi bateryjnie silnikami bezszczotkowymi prądu stałego

Uruchomienie stopnia sterownika w ciągu kilku minut

Najszybszym sposobem ewaluacji płytki przemiennika azotkowo-galowego (GaN) EPC9176 - bez konieczności programowania - jest użycie płytki interfejsu kontrolera EPC9147A. Moduł podłączany (PIM) - MA330031-2 - zawiera 16-bitowy cyfrowy procesor sygnałowy (DSP) dsPIC33EP256MC506-I-PT firmy Microchip Technology (ilustracja 5).

Ilustracja 5: Karta uniwersalnego interfejsu kontrolera EPC9147A może pomieścić różne moduły podłączane, takie jak MA330031-2 PIM, który jest oparty na 16-bitowym cyfrowym procesorze sygnałowym (DSP) dsPIC33EP256. (Źródło ilustracji: EPC/Microchip Technology)

Aby ułatwić obsługę interfejsu kontrolera cyfrowego procesora sygnałowego (DSP), projektanci mogą skorzystać z pakietu MotorBench Development Suite, do którego muszą dodać:

1. MPLAB X IDE_V5.45 i zalecaną aktualizację
2. wtyczkę Code Configurator (kompilacja specyficzna dla cyfrowych procesorów sygnałowych)
3. wtyczkę motorBench 2.35 (przykłady silników)
4. Na potrzeby tej dyskusji w przykładzie wykorzystano płytkę azotkowo-galowego (GaN) przemiennika silnika EPC9146, a więc Zacznijmy od projektu MCLV-2 lub EPC dla zestawu EPC914xKIT o nazwie, „sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X”

Użytkownik może po prostu wybrać przykładowy plik szesnastkowy dla azotkowo-galowej (GaN) płytki EPC9146 przemiennika silnika i wczytać go do cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) dsPIC33EP256MC506 za pomocą adaptera programującego, takiego jak PG164100 firmy Microchip Technology dla mikrokontrolerów 16-bitowych. Podłączonym silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (Teknic_M-3411P-LN-08D) można wtedy sterować ręcznie za pomocą elementów sterujących i działa on w trybie bezczujnikowego sterowania polowo-zorientowanego (FOC).

Jeżeli silnik nie pracuje zadowalająco lub musi być skonfigurowany do innego stanu roboczego, motorBench udostępnia również konfigurowalny plik przykładowy, który musi być skompilowany przed przesłaniem do układu. Elementarnym, ale ważnym parametrem dla azotkowo-galowych (GaN) sterowników silników, omówionym powyżej, jest czas martwy 50ns lub niższy, który bezwzględnie należy sprawdzić przed kompilacją pliku szesnastkowego.

Parametry niestandardowe dla silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC)

W celu utworzenia niestandardowych konfiguracji silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC) do bezczujnikowego sterowania polowo-zorientowanego (FOC) za pomocą zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE) MotorBench, użytkownicy mogą zmierzyć specyficzne parametry danego silnika i wprowadzić odpowiednie wartości do pliku konfiguracyjnego. Jako silnik testowy może tu służyć na przykład silnik MOT-I-81542-A firmy ISL Products International. Pobiera on około 361W mocy, pracując z napięciem 24V i z prędkością 6100obr./min.

W pierwszej kolejności należy określić następujące cztery parametry silnika:

• Rezystancja: mierzona na zaciskach cewki stojana za pomocą multimetru
• Indukcyjność: mierzona na zaciskach cewki stojana za pomocą multimetru
• Pary biegunów: aby określić liczbę par biegunów, konstruktor musi zewrzeć dwie fazy, trzecią pozostawić otwartą, a następnie ręcznie policzyć liczbę zatrzaśnięć przy jednym obrocie wału, po czym podzielić wynik przez dwa
• Siła przeciwelektromotoryczna (BEMF): siłę przeciwelektromotoryczną mierzy się na zaciskach cewki stojana za pomocą oscyloskopu. Aby to zrobić, konstruktor musi:
• Podłączyć sondę do dwóch odprowadzeń fazowych, pozostawiając trzecie otwarte
• Obracać ręcznie wał silnika i rejestrować reakcję napięciową
• Zmierzyć napięcie międzyszczytowe App i okres Thalf największej półfali sinusoidalnej (ilustracja 6).

Ilustracja 6: Siłę przeciwelektromotoryczną (BEMF) ustala się przez pomiar napięcia międzyszczytowego App i czasu Thalf największej półfali sinusoidalnej. (Źródło ilustracji: EPC)

Odnosząc się do powyższego przykładu projektu, firma Microchip określiła następujące parametry dla silnika Teknic M-3411P-LN-08D (8,4ARMS, osiem biegunów, moment obrotowy = 1Nm i moc znamionowa 244W):

• App = 15,836Vpp
• Thalf = 13,92ms
• Pary biegunów: pp = 4
• Następnie firma Microchip obliczyła stałą siły przeciwelektromotorycznej (BEMF) (dla 1000obr./min = 1krpm), korzystając z równania 1:

dla omawianego przykładowego silnika (w aplikacji motorBench użyto wartości 10,2)

• Rezystancja między liniami RL-L = 800mΩ, minus 100mΩ na przewodach miernika LCR
• W tym przykładzie użyto Ld = Lq = 1mH, pomimo zmierzenia wartości 932µH

Ustalone parametry wprowadzane są w podmenu "Configure/PMSM Motor" (Konfiguruj/Silnik PMSM) środowiska MotorBench. W tym celu konstruktorzy mogą po prostu użyć pliku konfiguracyjnego XML silnika podobnego typu. Parametry można również wprowadzić do nowo utworzonego (pustego) pliku konfiguracyjnego, który można zaimportować za pomocą przycisku „Import motor” (Importuj silnik).

Podsumowanie

Układy scalone sterowników silników oparte na azotku galu (GaN) osiągają wysokie parametry działania w zasilanych bateryjnie napędach z silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC) przy zachowaniu niewielkich rozmiarów i ciężaru. Po zintegrowaniu z obudową silnika są one dobrze chronione, upraszczają projektowanie i instalację urządzenia oraz zmniejszają koszty konserwacji.

Dzięki układom referencyjnym, wstępnie zaprogramowanym cyfrowym procesorom sygnałowym (DSP) opartym na modelach oraz środowisku programistycznemu silnika, konstruktorzy i programiści zastosowań silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC) mogą skrócić czas projektowania obwodów i skupić się bardziej na rozwoju zastosowania.

Autor: Jens Wallmann

Źródło: Integracja stopni mocy w technologii azotku galu (GaN) do wysokosprawnych systemów napędowych z zasilanymi bateryjnie silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC)

Kontakt w Polsce: Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl