CH32M007 для бессенсорного управления BLDC-двигателями

В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений во многих сферах является применение бесколлекторных двигателей постоянного тока - БДПТ (BrushLess DC electric motor, BLDC). Они широко используются в электротранспорте, промышленности, станкостроении, робототехнике, бытовых инструментах и прочих областях повседневной жизни.

Широкое распространение БДПТ получили благодаря таким свойствам, как большая удельная мощность и эффективность, высокое быстродействие и точность позиционирования, широкий диапазон изменения скорости вращения вала, малые затраты на техническое обслуживание и другие параметры. Однако платить за это приходится существенным усложнением управляющей схемы, для реализации которой в подавляющем большинстве случаев требуется микроконтроллер (МК). Для упрощения разработки узлов управления бесколлекторными двигателями постоянного тока компания WCH выпустила линейку компактных микросхем CH32M, специально созданных для решения таких задач.

Принципы работы бесколлекторных двигателей

Несмотря на то, что микроконтроллеры линейки CH32M существенно упрощают разработку управляющего узла с точки зрения аппаратной части, для создания оптимального программного обеспечения драйвера БДПТ необходимо хорошо представлять себе принцип действия бесколлекторного двигателя. Работа любого электрического мотора основана на силе Ампера, благодаря которой катушка с протекающим по ней током будет притягиваться к одному из полюсов постоянного магнита или отталкиваться от него.

В классическом щеточном двигателе постоянного тока магниты располагаются на статоре (неподвижной части машины), а катушка с током – на роторе (вращающейся части конструкции). При этом крутящий момент вала создается за счет разности магнитных полей этих двух частей мотора.

В примере, показанном на рисунке выше, левый полюс якоря будет отталкиваться от северного полюса статора (N) и притягиваться к его южному полюсу (S). Аналогичным образом правый полюс якоря будет отталкиваться от полюса S статора и притягиваться к полюсу N, в результате чего возникнет вращение вала по часовой стрелке на половину оборота. При этом приближение полюсов якоря к полюсам статора приводит к постепенному выравниванию разницы магнитных полей катушки и магнита, поэтому для поддержания работы мотора необходимо периодически изменять поле либо ротора, либо статора.

Отметим, что изменить поле постоянного магнита мы не в состоянии, поэтому продолжение вращения вала может быть обеспечено только изменением направления тока в катушке

В классическом случае для этого используются щетки, как показано на рисунке выше. За счет конструктивных особенностей электродвигателя они автоматически подключаются к нужным контактам обмотки в нужные моменты времени через пластины коллектора, расположенные на роторе. При этом изменение поля катушки происходит тогда, когда полюса́ якоря будут находиться напротив соответствующих полюсов магнита: полюс N ротора напротив полюса S статора, полюс S ротора напротив полюса N статора. Такой подход характеризуется крайне простой системой управления двигателем: фактически для начала работы его достаточно подключить к обычному источнику постоянного напряжения, при этом изменение скорости вращения вала достигается увеличением или уменьшением напряжения на выходе источника, а изменение направления – сменой полярности подключения.

Но использование щеток влечет за собой постепенное их изнашивание и возникновение искрения на коллекторе, что ведет к снижению надежности обычного двигателя постоянного тока, необходимости его периодического технического обслуживания, а также к существенному ограничению максимальной частоты вращения вала.

Для устранения перечисленных недостатков из конструкции электродвигателя необходимо исключить щетки, чего можно добиться в том числе и путем усложнения управляющей схемы. Если драйвер мотора сможет коммутировать ток в обмотке надлежащим образом за счет применения соответствующих алгоритмов, потребность в механическом контакте щеток и коллектора пропадает. Кроме того, необходимо расположить обмотку двигателя на статоре, в противном случае подключить к ней выход управляющей схемы напрямую будет невозможно. Именно такой подход применяется в бесколлекторном моторе – в отличие от щеточного (коллекторного) двигателя в нем катушки вынесены на неподвижную часть конструкции, в то время как подвижная содержит магнитные элементы.

Управление же обмотками, как было сказано выше, может быть реализовано посредством использования микроконтроллера. При современном уровне развития электронной промышленности это не приведет к существенному удорожанию системы.

Виды бесколлекторных двигателей

Конструктивно БДПТ могут быть классифицированы по типу исполнения вращающейся части и конфигурации магнитных элементов. Расположение магнитов на подвижной части конструкции позволяет легко изготавливать как традиционные двигатели с внутренним ротором, так и моторы, у которых ротор находится снаружи статора.

Как показывает практика, в ряде случаев применение двигателя с внешним ротором гораздо удобнее и выгоднее. Достаточно вспомнить, что в накопителях на жестких магнитных дисках (HDD) использовались БДПТ именно такого типа. Кроме того, бесколлекторные моторы различаются по количеству пар полюсов магнита, расположенного в роторе: они могут быть однополюсными (1 пара), двухполюсными (2 пары) и многополюсными (3 и более пар).

Увеличенное количество полюсов повышает крутящий момент двигателя и обеспечивает более плавное вращение вала, но при этом снижает максимальную скорость работы БДПТ. Также многополюсные моторы более дорогостоящие, поскольку сложны в изготовлении из-за большего количества полюсов статора и необходимости распределения каждой обмотки между ними. При этом следует понимать, что принцип создания вращающегося магнитного поля в бесколлекторных двигателях, независимо от их типа, остается неизменным.

Принцип работы бесколлекторного двигателя

Большинство бесколлекторных двигателей имеет три обмотки, которые обычно обозначаются как U, V, W и равномерно распределены между полюсами статора.

Обмотки, как правило, соединены по схеме «звезда», то есть одни концы катушек объединены в общую точку, а другие выведены наружу для подключения к управляющей схеме.

Такой способ соединения обмоток несколько упрощает схему драйвера мотора, но главное – он позволяет снизить ток, требуемый для вращения вала двигателя. Это становится возможным благодаря тому, что в каждый момент времени ток течет через две обмотки, создавая необходимую полярность сразу на нескольких полюсах статора. Например, если в двухполюсном двигателе с шестью полюсами статора обмотку U подключить к плюсовой питающей шине V+, а обмотку V – к общему проводу (GND), то ток, протекающий через них, создаст положительную и отрицательную полярность одновременно на четырех полюсах.

Как видим, при раздельном подключении обмоток для этого потребовался бы в два раза больший ток, поскольку при этом каждую из них пришлось бы запитывать отдельно.

Для демонстрации принципа работы бесколлекторного двигателя рассмотрим простейший случай – однополюсный БДПТ с тремя полюсами на статоре, каждый из которых содержит соответствующую обмотку целиком.

Для вращения вала двигателя против часовой стрелки обмотки мотора запитываются в последовательности, представленной на рисунке ниже.

На этих рисунках желтой стрелкой обозначено направление F, в котором к статору будет притягиваться полюс N магнита, расположенного на роторе.

Обратите внимание, что данное направление отличается от того, в котором бы находился полюс N при одновременной работе лишь одной обмотки (обозначено коричневой стрелкой)

Дополнительное угловое смещение ротора обусловлено наличием второй обмотки – она притягивает противоположный полюс магнита S, а также отталкивает полюс N. Направление вращения вала определяется последовательностью состояний обмоток статора: для получения вращения по часовой стрелке необходимо использовать последовательность, обратную приведенной выше.

Отметим, что чем мощнее магниты, используемые в БДПТ, тем больший ток потребуется пропустить через катушки, но при этом увеличится и максимальный крутящий момент, отдаваемый электродвигателем в нагрузку

Каждое последующее переключение обмоток (шаг) вынуждает ротор повернуться на 60°, поэтому для его полного оборота требуется 6 различных комбинаций включения катушек. В связи с этим описанное решение называют шестиступенчатым, или методом трапециевидной коммутации. В отличие от управления синусоидальным напряжением, шестиступенчатый способ переключения обмоток предельно прост и может работать без широтно-импульсной модуляции (ШИМ), поэтому гораздо менее требователен к ресурсам управляющего микроконтроллера. Кроме того, специальная 6-шаговая коммутация позволяет удвоить скорость вращения ротора по сравнению с максимально достижимой при синусоидальном управлении ([1], [2]).

В начале каждого шага магнитное поле статора опережает магнитное поле ротора на 120°. Далее за счет притягивания полюсов магнита ротор начинает (или продолжает) вращение, вследствие чего постепенно догоняет магнитное поле статора. Когда угол между направлениями этих полей уменьшается до 60°, управляющая схема инициирует следующий шаг, в результате чего состояние обмоток изменяется так, чтобы магнитное поле статора вновь опережало магнитное поле ротора на 120°. После этого процесс повторяется, обеспечивая непрерывное вращение вала двигателя.

В теории управления электродвигателями достаточно распространено понятие механического и электрического углов поворота ротора. Механический – это угол, на который физически повернулся вал мотора. При вычислении его значения исходят из того, что полный оборот ротора составляет 360°. При расчетах величины электрического угла принимается, что один оборот ротора соответствует одному периоду угловой зависимости момента двигателя. Фактически электрический угол определяет угол поворота магнитного поля статора и позволяет строить теорию независимо от числа шагов на оборот для конкретного двигателя.

Для однополюсного бесколлекторого мотора электрический угол поворота равен механическому, для двухполюсного один механический оборот приходится на каждые два электрических оборота. Таким образом, чем больше число пар полюсов имеет двигатель, тем больше будет его электрический угол, и тем медленнее будет вращаться его вал. Механическая (то есть фактическая) скорость вращения ротора БДПТ вычисляется по формуле:

где:

f – электрическая частота вращения ротора;
P — число пар полюсов.

Типы обратной связи в драйверах БДПТ

Чтобы корректно переключать состояние обмоток бесколлекторного двигателя, управляющая схема должна иметь возможность определения текущего положения ротора. Данная задача решается путем введения дополнительных электрических цепей, по которым БДПТ передает в драйвер сигналы обратной связи. Наиболее популярными являются:

сигналы от датчиков Холла (ДХ);
обратная электродвижущая сила (противоЭДС) обмоток.

Датчик Холла – это полупроводниковое устройство, которое преобразует изменение магнитного поля в электрический сигнал. В случае приближения к ДХ полюса постоянного магнита (N) на его выходе формируется высокий логический уровень, при приближении южного полюса (S) – низкий. Обычно в БДПТ используются три датчика Холла, которые встраиваются в статор тем или иным способом (с помощью компаунда, размещения на печатной плате и других вариантов монтажа) под углом 120° или 60° относительно друг друга.

На рисунке ниже приведены состояния выходов датчиков Холла H1, H2 и H3, расположенных под углом 120°, при указанной последовательности переключения обмоток двигателя.

Из данного рисунка видно, что каждый раз при повороте ротора на 60° выходной сигнал одного из датчиков изменяется. В этот момент управляющая схема должна сменить состояние обмоток таким образом, чтобы вал продолжил вращение (подробнее об этом было сказано в разделе «Принцип работы бесколлекторного двигателя»).

Одному обороту ротора соответствуют шесть уникальных комбинаций выходных сигналов: 101, 100, 110, 010, 011, 001. Причем для корректной работы двигателя их последовательность должна быть именно такой (либо обратной при вращении вала по часовой стрелке).

Таким образом, для выбранного направления вращения существует однозначное соответствие между состоянием датчиков Холла и текущим положением ротора, поэтому управляющей схеме несложно определить, к какому потенциалу должна быть подключена каждая из обмоток на следующем шаге.

Другой распространенный способ контроля положения вала БДПТ – использование обратной электродвижущей силы. Здесь в качестве датчиков выступают сами обмотки двигателя: управляющая схема контролирует напряжение на них и сравнивает его с потенциалом общей точки «звезды», то есть точки объединения катушек статора. Благодаря отсутствию дополнительных элементов (датчиков Холла, а также их обвеса и цепей питания) такой способ максимально экономичен, к тому же он позволяет уменьшить габариты и вес всей системы. Недостатком использования метода противоЭДС является сложность (или невозможность) работы управляющей схемы при малом уровне сигнала обратной связи в момент запуска ротора, а также при его вращении на очень низких скоростях.

При работе бесколлекторного двигателя через две его обмотки всегда течет ток, а третья обесточена. При этом разность потенциалов между ее выводами (то есть противоЭДС) имеет форму трапеции, боковые стороны которой линейно изменяются от напряжения плюсовой шины питания (V_HV) до нуля (GND) или наоборот.

При повороте ротора на 30°, 90°, 150°, 210°, 270° и 330° противоЭДС становится равной потенциалу общей точки «звезды». Данный факт может быть использован для определения текущего положения вала и изменения состояния обмоток.

Однако далеко не все модели БДПТ имеют вывод общей точки, поэтому на практике за ее потенциал обычно принимают половину напряжения питания V_HV. Конечно, такая аппроксимация является достаточно приблизительной, поскольку и обмотки двигателя, и силовые ключи драйвера имеют разброс характеристик. Но в реальных устройствах она работает достаточно хорошо, тем более, что метод использования обратной электродвижущей силы сам по себе не может обеспечить идеального управления обмотками. Дело в том, что противоЭДС пересекает потенциал общей точки не в тот момент времени, когда схема управления должна изменить ток в катушках, а посередине данного интервала. После этого ротору необходимо повернуться еще на 30°, и только тогда драйвер должен инициировать следующий шаг. Поэтому после обнаружения сигнала пересечения потенциала общей точки «звезды» контроллер должен выдержать некоторую задержку перед изменением состояния обмоток.

Распространенным подходом для решения данной задачи является использование в качестве задержки половины временно́го интервала между предыдущими пересечениями или между двумя предыдущими шагами. Однако вполне очевидно, что данный способ может вносить в процесс коммутации неточности и элемент неопределенности.

Микроконтроллеры CH32M

Микросхемы линейки CH32M, выпускаемые компанией WCH – это промышленные микроконтроллеры общего назначения, выполненные на базе ядра QingKe RISC-V, поддерживающего аппаратное умножение. В зависимости от конкретной модели МК, его максимальная рабочая частота составляет 48, 72 или 96 МГц, а напряжение питания находится в диапазоне +6…+50 В, +4…+29 В или +6…+26 В. Микросхемы CH32M подходят для управления бесколлекторными двигателями постоянного тока благодаря наличию таких встроенных узлов, как:

§ линейный стабилизатор напряжения с высоковольтным входом (HV LDO), позволяющий запитывать микроконтроллер напрямую от напряжения питания двигателя без использования внешних элементов;

§ драйверы затворов (MOSFET Driver). В зависимости от конкретной модели микроконтроллера, они дают возможность прямого подключения выводов микросхемы либо к шести N-канальным полевым транзисторам (или ключам типа IGBT), либо к трем P-канальным и трем N-канальным MOSFET. Это позволяет управлять трехфазным полумостом любой структуры (N + N либо P + N) – схемой, наиболее часто использующейся для коммутации обмоток бесколлекторного двигателя;

§ операционный усилитель (OPA) с программируемым коэффициентом усиления и возможностью работы с сигналами малой амплитуды, позволяющий напрямую подключать вход микроконтроллера к низкоомному датчику тока обмоток;

§ аналоговый компаратор (CMP), который в сочетании с операционным усилителем позволяет организовать узел аппаратного ограничения тока обмотки с малым временем срабатывания;

§ быстродействующий 12-битный АЦП (ADC), дающий возможность обработки сигналов обратной связи при использовании в этом качестве противоЭДС обмоток.

Благодаря наличию перечисленных аппаратных узлов микроконтроллеры CH32M позволяют создавать схемы управления бесколлекторными двигателями постоянного тока с использованием минимального количества внешних элементов. Фактически для нормального функционирования драйвера к микросхеме CH32M достаточно добавить лишь полевые транзисторы и несколько пассивных компонентов: резисторов и конденсаторов.

В линейку CH32M входят три семейства микроконтроллеров: CH32M007, CH32M030 и CH32M103. Ниже представлены их основные характеристики.

Как видно из данного рисунка, все представленные МК имеют достаточный объем памяти и запас быстродействия для создания полноценного драйвера БДПТ. Реализацию схемы управления существенно упрощает наличие 16-битного таймера TIM1 с расширенной функциональностью (на рисунке выше он обозначен как «Advanced TM»). Данный таймер позволяет аппаратно формировать 6-канальный ШИМ-сигнал с автоматической вставкой в него мертвого времени, а выходы таймера TIM1 могут быть подключены ко входам встроенных драйверов затвора. Это позволяет достаточно легко реализовать управление трехфазным мостом любой структуры, а операционный усилитель и компаратор могут быть использованы для формирования аппаратного ограничения тока, протекающего через этот мост (и, соответственно, через обмотки двигателя).

Кроме того, микроконтроллеры семейств CH32M030 и CH32M103 имеют встроенные контроллеры и PHY-интерфейсы приемопередатчиков PDUSB, позволяющие создавать устройства с поддержкой стандарта USB Power Delivery, которые обеспечивают не только связь с оборудованием пользователя, но и передачу достаточно высокого питающего напряжения.

На рисунке ниже представлен обобщенный пример схемы управления БДПТ на базе микроконтроллера семейства CH32M007.