Эффективные электродвигатели: как компоненты Microchip повышают энергоэффективность и управление

Электродвигатели потребляют почти половину мировой электроэнергии, а в промышленности эта доля достигает 70%. Компании, такие как Microchip, постоянно совершенствуют системы управления электроприводами, чтобы снизить энергопотребление и повысить производительность.

Электродвигатели повсюду – в стиральных машинах, холодильниках, автомобилях, вентиляторах, насосах и кондиционерах – делая нашу жизнь удобнее. Ключ к их эффективности – контроллеры, которые управляют работой исполнительных элементов. С помощью высококачественных компонентов от Microchip можно создавать эргономичные и энергоэффективные системы. В этой статье мы рассмотрим, как спроектировать такой контур, и представим спецификации компонентов Microchip для его реализации.

Ключевые темы статьи

В этой статье мы обсудим:

• Применение бесщеточных двигателей (BLDC)
• Конструкция и управление приводами типа BLDC
• Обзор блок-схемы контроллера BLDC
• Основные характеристики микроконтроллеров dsPIC33
• Связь через шину CAN
• Конструкция инвертора для бесщеточного двигателя
• Транзисторы MOSFET для питания катушек привода
• Контроль температуры в реальном времени
• Создание многоуровневого питания
• Преобразователь step-down для управления полумостами
• Стабилизация напряжений для логических схем
• Доступность компонентов Microchip

Двигатели BLDC и их применение

Microchip производит широкий спектр полупроводников и аналоговых схем, позволяя собрать все основные элементы контроллера. В ассортименте доступны микроконтроллеры, аналоговые схемы, FPGA и силовые компоненты. Например, микроконтроллеры dsPIC®, PIC® и AVR® с интегрированными функциями управления двигателями включают генераторы PWM, АЦП и интерфейсы связи (SPI, CAN, UART). Производитель также предоставляет специализированное ПО, инструменты для разработчиков (MPLAB® X IDE), наборы для разработки и библиотеку Motor Control Library, поддерживающую методы управления, такие как FOC (Field Oriented Control).

Принцип работы и приложения

Двигатели BLDC имеют три (или более) обмотки статора, питаемые трехфазным током от инвертора. Ротор с постоянными магнитами вращается за счет переменного магнитного поля, создаваемого обмотками. Скорость ротора контролируется изменением частоты сигналов, которая также зависит от его положения, определяемого с помощью датчиков Холла или алгоритмов управления (например, FOC).

Контроллеры двигателей BLDC используются в электровелосипедах.

BLDC двигатели менее зависят от механических элементов, что снижает риск отказа и повышает эффективность. Они позволяют точно контролировать скорость, что важно для промышленных машин, роботов, дронов и вентиляторов. Их компактная конструкция и небольшой вес делают их идеальными для электроинструментов, автомобильных систем (ABS, управление дроссельной заслонкой), электрических транспортных средств (газонокосилки, самокаты, велосипеды, автомобили, лодки) и робототехники.

Растущая популярность микромобильности, такой как электрические самокаты и велосипеды, стимулирует спрос на двигатели BLDC и эффективные контроллеры. В эпоху экологической осведомленности эти решения обеспечивают высокую энергоэффективность. С ростом электрификации транспорта спрос на передовые контроллеры будет только увеличиваться.

Конструкция модуля управления BLDC

Ниже представлен пример компактного контроллера для двигателей BLDC – референсная схема Microchip, иллюстрирующая ключевые решения. Контроллер предназначен для управления двигателями BLDC/PMSM с пиковой мощностью до 3 кВт и фазными токами до 300А. Напряжение питания составляет от 18В до 85В DC, что позволяет использовать различные источники, включая литий-ионные батареи (до 20 ячеек).

Блок-схема контроллера:

Блок-схема контроллера BLDC на компонентах Microchip. Источник: Microchip Technology

Микроконтроллеры dsPIC

Сердцем схемы является микроконтроллер dsPIC33CK256MP505 с производительностью 100MIPS. Он включает три операционных усилителя для измерения тока и поддерживает трансивер CAN для связи с шиной CAN-Bus через чип ATA6561.

Контроллеры семейства dsPIC33CK разработаны для приложений реального времени, таких как управляющие и защитные схемы. Они оснащены расширенными регистрами, уменьшающими задержку прерываний, и периферийными устройствами для нативной обработки операций DSP. Эти микроконтроллеры доступны в форматах SMD и отличаются широким температурным диапазоном (от -40°C до 145°C), что делает их пригодными для сложных условий.

Чипы и наборы dsPIC33

Трансивер шины CAN

Интерфейс CAN позволяет компонентам общаться через двухпроводную шину. В схеме используется трансивер ATA6561, обеспечивающий быструю передачу данных (до 5Мбит/с). Эти чипы отличаются высокой электромагнитной совместимостью и устойчивостью к электростатическим разрядам, что делает их идеальными для сетей CAN с низким энергопотреблением.

Чипы ATA6561

Инвертор

Трехфазный инвертор – ключевой элемент управления двигателями BLDC, подающий токи на исполнительный элемент. В схеме используются шесть транзисторов MOSFET с низким сопротивлением (макс. 1,7 мОм), управляемых драйверами MIC4104.

Двигатель BLDC с тремя питающими проводами.

MIC4104 – быстрые драйверы MOSFET, подающие ток до 2А с короткими временами включения/выключения. Они реализованы как полумосты (H-мост) и работают с напряжениями от 5,5В до 16В DC, минимизируя потери мощности. Альтернативно можно использовать чипы семейства ATA6847 с более широким диапазоном напряжений.

Чипы MIC4104

Транзисторы

В инверторе используются транзисторы MOSFET: AOTL66912, способные работать с напряжениями до 85В и пиковыми токами до 150А.

Транзистор AOTL66912

Мониторинг температуры

Для контроля температуры используется датчик MCP9700A, преобразующий температуру в аналоговое напряжение. Он отличается точностью ±2°C (от 0°C до +70°C) и низким потреблением тока (6µA). Датчик работает в диапазоне от -40°C до 125°C и обеспечивает разрешение до 0,1°C/бит.

Датчики температуры MCP9700A

Питание

Схема использует три напряжения питания: 12В DC для драйверов, 3,3В DC для микроконтроллера и 5В DC для датчика Холла. Для реализации такого контура применяются стабилизаторы MCP16331 и MCP1754.

Конвертер MCP16331 (линия 12В DC)

MCP16331 – это преобразователь DC/DC типа step-down с эффективностью до 96%. Он работает с входными напряжениями до 50В и может подавать до 500мА. Высокая частота переключения позволяет использовать компактные фильтрующие элементы, а интегрированные функции обеспечивают стабильность при изменениях нагрузки.

Преобразователи MCP16331

Регулятор MCP1754 (линии 3,3В и 5В DC)

MCP1754 – это LDO-регулятор с низким потреблением тока (56A), способный подавать до 150мА. Он идеален для переносных устройств, работающих от батарей или литий-ионных ячеек.

Преобразователи DC/DC MCP1754

Заключение

Благодаря компактности, низкой стоимости и высокой эффективности, представленный контроллер BLDC может стать основой для решений в области электрической мобильности (самокаты, велосипеды), дронов и беспилотных летательных аппаратов.

Обсуждаемые компоненты Microchip

Контроллеры для электрических самокатов должны работать в любых погодных условиях.