De miért az állandó mágneses szinkron motor?
Az állandó mágneses szinkron motor egy olyan kefe nélküli motor, amely működési elve az elektromos kommutáción nyugszik. Gyakran összekeverik a kefe nélküli egyenáramú motorokkal (BLDC: BrushLess Direct Current), amely valóban a kefe nélküli motorok egy másik, szintén elektromos kommutációval működő típusa, némileg eltérő felépítéssel. A PMSM felépítése kifejezetten a terepi vezérlési alkalmazásokra van optimalizálva, míg a BLDC-ket hatlépéses kommutációs technikára hegyezték ki. A PMSM optimalizálásának eredménye a szinuszos jelalakú ellenelektromotoros erő (BEMF: Back-Electromotive Force), míg a BLDC motoroknál ugyanez trapezoid alakot vesz fel.
A mindkét fajta motornál alkalmazott, rotorpozíciót érzékelő szenzorok ugyancsak eltérnek egymástól. A PMSM-ben jellemzően pozícióenkódert, míg a BLDC-kben három Hall-szenzort használnak az üzemszerű működés alapjainak megteremtéséhez. Ha a költségek fontos szempontot képviselnek, a fejlesztők akár szenzormentes technikákat is implementálhatnak, amely révén megszabadulhatnak a mágnes, szenzorok, csatlakozók és a hozzájuk köthető kábelezés költségeitől. A szenzorok használatának kiküszöbölésével nőhet a rendszer megbízhatósága is, mivel csökken a hibaforrásként szóba jöhető alkatrészek száma. A szenzormentes PMSM és a szenzormentes BLDC között különbséget jelent a szenzormentes PMSM-ben használt FOC algoritmus, amely hasonló hardverfelépítés mellett kedvezőbb teljesítménnyel kecsegtet összemérhető implementációs költségek mellett.
A PMSM-re átállásból a legtöbbet profitáló alkalmazások azok lesznek, amelyek jelenleg kefés egyenáramú vagy váltakozóáramú indukciós motorokkal működnek. Az átállás legnagyobb előnyei a kisebb energiafelhasználás, a nagyobb sebesség, a simább nyomatékgörbe, a kisebb hallható üzemi zaj, a hosszabb élettartam és kisebb méretek lehetnek, amelyek végeredményben sokkal piacképesebbé teszik magát az alkalmazást. Mindazonáltal ahhoz, hogy mindezen előnyöket kihozzuk a PMSM-ből, a fejlesztőknek egy összetettebb terepi vezérlési technikákat kell alkalmazniuk más egyéb alkalmazásspecifikus algoritmusokkal egyetemben. Jóllehet a PMSM érezhetően költségesebb egy egyenáramú kefés vagy váltakozóáramú indukciós motorhoz képest, az általa biztosított előnyök bőven ellentételezhetik a pluszköltségeket.
Az implementációs kihívások
A PMSM előnyös tulajdonságainak hasznosításához elengedhetetlen alapjaiban érteni az újgenerációs terepi vezérlési motorvezérlési technikákat implementálásával járó összetettséget, illetve a sikeres alkalmazás elsajátításához szükséges szakértelmet. Az 1. ábra egy háromfázisú, szenzormentes PMSM motorvezérlő alkalmazást mutat, amely egy háromfázisú forrás inverterrel került kialakításra. Az inverter vezérléséhez három pár, egymással kapcsolatban álló, nagyfelbontású PWM jelre, illetve számos, kondicionálást igénylő, analóg visszacsatoló jelre van szükség. A rendszernek szüksége van hardveres védelemre is a megfelelő hibatűrés érdekében, amelyek a rövid reakcióidő miatt nagysebességű analóg komparátorokkal vannak kialakítva. Ezek a plusz analóg alkatrészek, amelyekre az érzékelés, vezérlés és védelem miatt van szükség, növelik az összköltségeket és nem merülnek fel egy hagyományos, kefés egyenáramú motor vagy egy szimpla V/Hz vezérlésű, váltakozóáramú indukciós motoros vezérlés esetében.
1. ábra: Háromfázisú, szenzormentes PMSM vezérlési rendszer háromfázisú inverterrel
Számításba kell venni az alkatrészspecifikációk felállításához és validálásához szükséges fejlesztési időt is a PMSM motorvezérlési alkalmazásokban. Ennek egyik lehetséges megoldása egy olyan, PMSM motorvezérlési alkalmazásra optimalizált mikrovezérlő választása, amely nagy számú analóg perifériát tartalmaz. Ez egyrészt csökkenti a külső alkatrészekre irányuló igényt rendszer oldalról, másrészt elősegíti az optimális anyaglista megvalósulását. A nagy integráltságú motorvezérlő alkatrészek ma már tartalmazzák a megfelelő számú és felbontású PWM-eket is, amelyekkel az újgenerációs vezérlő algoritmusok implementálása nem akadály többé, továbbá megtalálhatók bennük a precíziós mérésekhez és jelkondicionáláshoz szükséges analóg perifériák, valamint a funkcionális biztonságot és kommunikációs és hibakeresési lehetőséget biztosító soros interfészek is.
Hasonlóan komoly kihívásokat jelenthet a motorvezérlő szoftver és a motor elektromechanikus viselkedése között az interakció megteremtése is. A 2. ábra egy standard, szenzormentes terepi vezérlési alkalmazás blokkvázlatát mutatja. Ahhoz, hogy ebből a koncepcióból tényleges design születhessen, meg kell érteni a vezérlési architektúra és digitális jelfeldolgozó processzor (DSP: Digital Signal Processor) utasításkészletét, hiszen ezek elengedhetetlenek az időzítés tekintetében kritikus és matematikai műveletvégzés szempontjából intenzív vezérlési hurok megalkotásához.
2. ábra: Standard, szenzormentes terepi vezérlési alkalmazás blokkvázlata
A megbízható teljesítmény elérése érdekében a vezérlési huroknak egyetlen PWM periódus alatt le kell futnia. Alapvetően három feltétele van annak, hogy a vezérlési hurok időzítés tekintetében feltétlenül optimalizált legyen:
- Kényszer: legalább 20 kHz frekvenciájú PWM kapcsolási frekvenciát kell használni ahhoz, hogy az inverter kapcsolásából származó akusztikai zaj megfelelően elnyomásra kerüljön.
- A megfelelően nagy sávszélességű vezérlési rendszer megvalósulásához a vezérlési huroknak egyetlen PWM ciklus alatt le kell futnia.
- Ahhoz, hogy a háttérben olyan folyamatok is futhassanak, mint rendszerállapot-figyelés, alkalmazásspecifikus funkciók, kommunikáció stb., a vezérlési hurok lefutásának még gyorsabbnak kell lennie, ennek érdekében pedig a terepi vezérlési algoritmusnak kevesebb, mint 10 µs idő alatt le kell futnia.
Számos gyártó szolgáltat a PMSM vezérlésre optimalizált megoldásaihoz mintaként terepi vezérlési szoftvereket, amelyek a rotorpozíció meghatározását szenzormentes becslésekkel végzik. Azonban még mielőtt egyáltalán a motor forogni kezdhetne, a terepi vezérlési algoritmust számos paraméterrel konfigurálni kell, hogy a motor és a vezérlő hardver megfelelően összhangba kerüljön. A vezérlőparaméterek és együtthatók további optimalizálása pedig ahhoz szükséges, hogy a sebességi és hatásfoki célértékek elérhető közelségbe kerüljenek. Ehhez szükség van egyrészt a motor műszaki adatlapjából a megfelelő műszaki paraméterek kinyerésére, másrészről a próbálkozásalapú módszerrel történő kísérletezésre. A fejlesztők kénytelen próbálkozás, tesztelés útján végezni az optimalizálást, hiszen a műszaki adatlapok nem írják le teljes bizonyossággal a motorok paramétereit, másfelől pedig nem biztos, hogy a tesztelők rendelkezésére állnak a megfelelően precíziós mérőműszerek. Ehhez a manuális munkához meglehetősen sok időre, tapasztalatra és erőforrásra van szükség.
A PMSM motorokat számos különböző alkalmazásban használják, amelyek különböző környezeti feltételek mellett és/vagy eltérő tervezési kényszerfeltételek üzemelhetnek. Vegyünk például egy gépjármű hűtőventilátorát, amelynél lehetséges, hogy a ventilátorlapátok ellenirányban szabadon foroghatnak szembeszél miatt, amikor a ventilátor motorja éppen indulni készülne. A PMSM motor beindítása szenzormentes rendszerkialakítással ilyen esetben körültekintést igényel, hiszen potenciálisan konkrétan károsodást okozhat az inverterben. A feladat egyik lehetséges megoldása a forgásirány és rotorpozíció érzékelése, amelyek felhasználásával a motorforgás lassítható egészen megállásig aktív fékezéssel, amelyet követően a motor indíthatóvá válik. Hasonlóképpen szükség lehet olyan algoritmusok implementálására is akár, mint az amperenkénti maximális nyomatékszabályozás (MTPA: Maximum Torque Per Ampere), nyomatékkompenzáció, térgyengítés[1] stb. Ezek az alkalmazásspecifikus kiegészítő algoritmusok szükségesek lehetnek ahhoz, hogy egy gyakorlatban jól működő megoldás kerüljön piacra, azonban alkalmazásuk mind-mind hozzáad a rendszer bonyolultságához, növeli a fejlesztési időszükségletet és tovább komplikálja a szoftvertesztelést is.
E bonyolultságcsökkentési probléma egyik lehetséges megoldása, hogy a tervezők moduláris szoftverarchitektúrával dolgoznak, amely lehetővé teszi, hogy az alkalmazásspecifikus algoritmusokat a terepi vezérlési fő algoritmushoz kiegészítésként adják hozzá, és ne gyakoroljanak befolyást az időzítéskritikus futására. A 3. ábra olyan szoftverarchitektúrát ír le, amely egy tipikus, valósidejű motorvezérlési alkalmazásra vonatkozik. Amint az ábrán látható, a keretrendszer lelke a terepi vezérlési funkció, amely „kőbe vésett” időzítési feltételekkel működik, illetve a rendszer részét képezik még az alkalmazásspecifikus kiegészítő funkciók is. A keretrendszer állapotgépe ezeket a vezérlési funkciókat a főalkalmazással összeköttetésbe hozza. Az architektúra kell, hogy rendelkezzen egy jól definiált interfésszel a szoftveres funkcióblokkok között annak érdekében, hogy a modularitás és az egyszerű programkódkezelés biztosított legyen. A moduláris keretrendszer támogatja a különböző alkalmazásspecifikus algoritmusok integrációját, beleértve a rendszerállapot-figyelést, védelmi szolgáltatásokat és funkcionális biztonsági rutinokat is.
3. ábra: Terepi vezérlést leíró, alkalmazástechnikai keretrendszer
A moduláris architektúra egy másik előnye a periféria interfészréteg (vagy hardver absztrakciós réteg) elválasztása a motorvezérlési szoftvertől, amely lehetővé teszi a fejlesztők számára a különböző elvi megoldások átvitelét egyik motorvezérlőről a másikra annak függvényében, ahogy az alkalmazás funkcionalitása és teljesítménykövetelményei változnak.
A komplett ökoszisztémával szemben támasztott követelmények
Az ismertetett kihívások sikeres leküzdéséhez olyan motorvezérlés-fejlesztési ökoszisztémára van szükség, amely kifejezetten szenzormentes terepi vezérlési alkalmazásokhoz van kitalálva. A motorvezérlő, a hardver, a szoftver és a fejlesztői környezet mind-mind együtt kell, hogy működjön, annak érdekében, hogy az újgenerációs motorvezérlési algoritmusok implementálása sikeres és értelmezhető bonyolultságú legyen. Egy ilyen fejlesztői ökoszisztémának az alábbi követelményeknek kell megfelelnie:
- Rendelkeznie kell egy magas szintű eszközzel az automatizált motorparaméter-mérésre, vezérlőhurok fejlesztésére és forráskód-generálásra, amely lehetővé teszi a szakterületet teljes mélységében nem ismerő tervezők számára is a terepi vezérlés implementációját, a komplex, időigény, időzítéskritikus programkód írását és hibamentesítését is.
- Rendelkeznie kell egy alkalmazásfejlesztési keretrendszerrel terepi vezérlés és különböző alkalmazásspecifikus kiegészítő algoritmusok fejlesztéséhez és implementálásához, amelyet csökkentett fejlesztési és tesztelési időigény szempontjából optimalizáltak.
- Támogatnia kell determinisztikus válaszú és integrált analóg perifériákkal rendelkező motorvezérlőket, amelyek alkalmasak jelkondicionálásra és rendszervédelmi feladatok ellátásra is egyetlen áramkörben, költséghatékony megoldásként.
A 4. ábra egy olyan motorvezérlés fejlesztői ökoszisztéma architektúráját írja le, amely tartalmazza az alkalmazástechnikai keretrendszert és fejlesztői megoldáscsomagot is a nagyteljesítményű, dsPIC33 sorozatú, motorvezérlésre optimalizált digitális jelvezérlő termékcsalád köré kiépítve. A fejlesztői megoldáscsomag egy grafikus felhasználói interfésszel rendelkező terepi vezérlési szoftverfejlesztői környezet köré van kialakítva, amely alkalmas többek között a kritikus motorparaméterek mérésére és a visszacsatolási paraméterek automatikus hangolására is. A megoldás a létrehozott projekthez a forrás programkódot automatikusan generálja a fejlesztői környezeten belül a motorvezérlés-fejlesztési alkalmazástechnikai keretrendszer (MCAF: Motor Control Application Framework) segítségével. A megoldáscsomag lelke a motorvezérlési alkalmazásokra optimalizált Motor Control Library függvénykönyvtár, amely lehetővé teszi az alkalmazás időzítéskritikus vezérlési hurkában dolgozó függvények implementálását és a dsPIC33 DSC-ben lévő motorvezérlő perifériákkal történő együttműködést. A fejlesztői rendszer grafikus felhasználói interfésze számos különböző motorfejlesztésre kitalált fejlesztői kártyával együttműködik, támogatja a motorparaméterek kinyerését, a terepi vezérlést leíró szoftver forráskódjának generálását rengeteg különböző, kis- és nagyfeszültségű motornál egyaránt.
4. ábra: Motoros alkalmazásfejlesztői ökoszisztéma architektúrája a Microchip Technology megoldásaival
Az átállásra a kefe nélküli motorokra igencsak komoly igény mutatkozik felhasználói oldalról a sokkal kedvezőbb energiahatékonysági mutatók és termékdifferenciálási lehetőségek miatt. A cikkben leírtak alapján láthatjuk, hogy egy teljes értékű motoros alkalmazásfejlesztési ökoszisztéma milyen holisztikus fejlesztési megközelítést kínál az állandó mágneses szinkron motorokkal történő, szenzormentes terepi vezérlések megvalósításához, és megismerhettük, hogy mindezekben milyen szerep jut a dedikált motorvezérlőknek, a gyors prototípusfejlesztési célú kártyáknak, illetve a könnyen használható, automata szolgáltatásokat nyújtó, terepi vezérlési szoftverfejlesztői eszközöknek.
Szerző: Nelson Alexander, szenior marketing mérnök, Microchip Technology
Irodalomjegyzék
[2] motorBench® Development Suite
