BLDC-moottorien yleistyessä autoteollisuus etsii skaalautuvia ratkaisuja niiden hiljaiseen ja tehokkaaseen ohjaukseen. Toshiban SmartMCD-ohjainperhe kattaa nyt tehoalueet muutamista wateista kilowattiin.

BLDC-moottorien kysyntä kasvaa koko autoteollisuudessa. Anturittoman FOC-vektoriohjauksen avulla voidaan merkittävästi vähentää moottorien akustista melua ja tärinää käytön aikana. Kehitystiimit etsivät nyt skaalautuvia ratkaisuja eritehoisten moottorien ohjaukseen. Tämä mahdollistaa aiempiin suunnitteluihin ja ohjelmistojen kehitykseen käytetyn työn hyödyntämisen toistuvasti useissa eri sovelluksissa. Toshiban laajentama SmartMCD-ohjainperhe kattaa nyt tehoalueet muutamista wateista kilowattiin asti.

Autonvalmistajat integroivat ajoneuvoihin kymmeniä sähkömoottoreita. Jotkut niistä ovat näkyvissä ja ohjaavat sivupeilien ja istuinten säätöjä, kun taas monet ovat piilossa ja pyörittävät tärkeitä tuulettimia sekä pumppuja (kuva 1). Historiallisesti näissä kohteissa on käytetty harjallisia tasavirtamoottoreita. Teollisuudessa ollaan kuitenkin nopeasti siirtymässä harjattomiin BLDC-tasavirtamoottoreihin (Brushless DC) niiden useiden etujen vuoksi: selvästi hiljaisempi käyntiääni, parempi hyötysuhde ja luotettavuus sekä vähemmän sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) haasteita.

Koska BLDC-moottoria kommutoidaan elektronisesti, suunnittelutiimit etsivät puolijohdekomponentteja, jotka yksinkertaistavat toteutusta ja vähentävät tarvittavien osien kustannuksia (BoM). Kehittäjät suosivat skaalautuvia piiriperheitä, joiden avulla voidaan soveltaa samaa työkaluvalikoimaa ja arkkitehtuuria erilaisiin sovelluksiin, joiden tehotasot vaihtelevat muutamasta watista satoihin watteihin.

Kuva 1. Ajoneuvoon on tyypillisesti integroitu kymmeniä pieniä sähkömoottoreita (kuva: Toshiba).

Anturittoman FOC-ohjauksen haasteet

BLDC-moottorin kenttäorientoidun ohjauksen (FOC) perustana on kolmen 120°:n vaihesiirrossa olevan siniaallon käyttäminen tasaisesti pyörivän magneettikentän muodostamiseksi staattoriin. Tämän prosessin tärkein haaste on varmistaa, että sähköinen signaali on täysin linjassa roottorin mekaanisen asennon kanssa. Ellei näin ole, roottori pyörähtää nykien asentoonsa, mikä aiheuttaa voimakasta melua, tärinää ja nopeaa kulumista moottoriin kiinnitetyissä mekaanisissa osissa, kuten vaihteistoissa.

Perinteisesti roottorin asennon määrittämiseen on käytetty Hall-antureita tai enkoodereita, mutta ne lisäävät painoa ja kustannuksia sekä tuovat uusia mahdollisia vikaantumiskohtia järjestelmään. Siksi anturiton ohjaus on ensisijainen vaihtoehto.

Anturittomassa FOC-vektoriohjauksessa käytetään monimutkaisia matemaattisia laskelmia roottorin kulman ja magneettivuon selvittämiseen mitattujen moottorivirtojen ja käytettävien jännitteiden perusteella. Moottorin virta mitataan tavallisesti shunttivastuksella, ja mikro-ohjain ottaa virrasta näytteitä tietyissä pulssinleveysmodulaatiosyklin (PWM) pisteissä yksittäisten vaihevirtojen rekonstruoimiseksi.

Ohjausprosessin yksinkertaistamiseksi nämä kolmivaihevirrat muunnetaan Clarke–Park-muunnoksella kaksiulotteisiksi pyöriviksi koordinaateiksi (d-akseli ja q-akseli). PI-säätimet reguloivat sitten näitä virtoja (Id ja Iq) 90 asteen vaihe-ennakon ylläpitämiseksi, ennen kuin käänteinen Clarke–Park-muunnos syöttää tuloksen takaisin PWM-lohkoon. Tämä synnyttää tarvittavan kolmivaiheisen staattorikentän moottorin käyttämiseksi (kuva 2).

Kuva 2. Clarke–Park-muunnoksia hyödyntävän anturittoman FOC-järjestelmän lohkokaavio (kuva: Toshiba).

Kunkin kommutointiaskeleen laskeminen vaatii paljon prosessointitehoa, mikä usein pakottaa kehittäjät käyttämään kalliita ja tehokkaita mikro-ohjaimia tai digitaalisia signaaliprosessoreita (DSP). Tämän ratkaisemiseksi Toshiba on kehittänyt mikro-ohjaimille erillisen piiripohjaisen VE-kiihdytysmoottorin (Vector Engine).

Siirtämällä monimutkaiset Clarke–Park-muunnoslaskelmat VE-lohkolle pääprosessorin kuormitusta voidaan vähentää jopa 70 % verrattuna pelkkään ohjelmistopohjaiseen toteutukseen (kuva 3). Tämä vapauttaa merkittävästi prosessointikapasiteettia muille sulautetuille reaaliaikaisille tehtäville, kuten tiedonsiirrolle, datan esianalyysille, ohjaukselle ja ennakoivalle kunnossapidolle.

Kuva 3. Erillisen vektorimoottorin käyttö Clarke–Park-muunnoksiin antaa käyttöön enemmän prosessointikapasiteettia muille sulautetuille reaaliaikaisille tehtäville (kuva: Toshiba).

SmartMCD-ohjainperhe

Toshiban laajenevaan SmartMCD-mikro-ohjainten valikoimaan on tullut uusi VE-versio A-VEα (Advanced Vector Engine alpha). Kyseessä on VE-apuprosessorin neljäs sukupolvi. Siinä on aiempiin verrattuna tärkeitä parannuksia, kuten tuki yhden shuntin optimaaliselle virrantunnistuksen ajoitukselle ja häiriöttömälle ohjaukselle.

Uutta on myös joustava tehtävien suorittamisen ajoitus ja syvä integrointi ohjainpiirin AD-muuntimen kanaviin ja PMD:n eli ohjelmoitavan moottorinohjaimen PWM-lohkoihin. Mukana on myös vaiheajastin automaattisen θ-kompensoinnin (theta compensation) suorittamiseksi aikataulutetulle toistolle ja synkronoidulle vuorovaikutukselle.

Kuva 4. Vektorimoottorina toimiva A-VEα-apuprosessori keventää FOC-ohjauksen monimutkaisuutta SmartMCD-piireissä (kuva: Toshiba).

SmartMCD-piiriperheen tuorein lisäys on TB9M040FTG, joka on suunniteltu erittäin ahtaisiin tiloihin ja kustannuksiltaan optimoituihin autoteollisuuden sovelluksiin. AEC-Q100 Grade 0 -hyväksytty ja ASIL-B-yhteensopiva piiri sisältää kahden ampeerin ohjainasteen, joka soveltuu alle 40 watin moottorien ohjaamiseen (kuva 5).

Ohjainpiiri täydentää Toshiban TB9M003/030FG-piirejä, jotka yltävät 40 watista aina kilowattiin asti. Kyseessä on myös piiriperheen ensimmäinen ohjainpiiri, joka hyödyntää Arm Cortex-M23 -prosessoria, joka toimii jopa 40 MHz:n kellotaajuudella ja parantaa näin suorituskykyä.

Kuva 5. Toshiban TB9M040FTG-piirin lohkokaavio (kuva: Toshiba).

Piirissä on paikallisväylän liitäntä (LIN) ajoneuvon sisäistä tiedonsiirtoa varten sekä integroitu 5 voltin regulaattori, jonka avulla piiriä voidaan käyttää suoraan ajoneuvon 12 voltin jännitesyötöstä. Mukana on myös virta- ja lämpösuojaus sekä erillinen liitäntä Hall-antureille ja enkoodereille tarvittaessa. Ominaisuuksia täydentävät 12-bittinen AD-muunnin, 80 kilotavua flash-muistia, 4 kilotavua SRAM-muistia ja 12 kilotavua käynnistys-ROM-muistia. Kaikki muistit ovat ECC-suojattuja (Error-Correcting Code).

Piiri integroi myös useita edistyneitä oheislohkoja joustavan ja luotettavan ohjauksen varmistamiseksi erilaisissa sovelluksissa. PMD-yksikkö (kuva 6) tuottaa toisiaan täydentäviä kolmivaiheisia PWM-kantoaaltoja (0,06–117 kHz), joissa on yksilöllisesti valittavat aaltomuodot ja vaihesiirrot. Mukana on ylivirtasuojaus ja viiveajan säätö, jotka estävät oikosulun ylemmän ja alemman asteen välillä.

Kuva 6. TB9M040FTG-piirin anturiton FOC-ohjelmistoarkkitehtuuri (kuva: Toshiba).

Toisin kuin muissa saman tuoteperheen piireissä, tässä on sisäänrakennettu kolmivaiheinen invertteriaste, jossa on ylemmän ja alemman haaran MOSFETit, jotka soveltuvat jopa 2 ampeerin ohjaamiseen. Piiri sisältää rekisteriohjelmoitavan muutosnopeuden säädön EMC-käyttäytymisen hallintaan sekä piipohjaisen vianhallinnan, joka valvoo nielu–lähde-välin avoimia tiloja. Vian sattuessa siltaohjain pakottaa kaikki lähdöt suurimpedanssiseen tilaan moottorin suojaamiseksi.

Vaikka piiri on optimoitu anturittomalle FOC-signaalille, se sisältää myös oheislohkon tarkkaa mekaanista datankeruuta vaativiin sovelluksiin (kuva 7). Edistynyt 32-bittinen tulopiiri A-ENC32 tukee inkrementtienkoodereita (AB- ja ABZ-tyypit), kaksi- ja kolmivaiheisia Hall-antureita sekä nollapisteen tunnistusta moottoreille, jotka hyödyntävät BEMF-jännitettä (Back Electromotive Force).

Kuva 7. A-ENC32-oheislohko tukee sekä inkrementtienkoodereita että Hall-antureita (kuva: Toshiba).

Virtaviivaistettu ohjelmistokehitys

Auttaakseen kehitystiimejä hyödyntämään nykyistä asiantuntemustaan Toshiba tarjoaa avuksi modulaarisen ohjelmistotukipaketin. Ohjelmistoarkkitehtuuri on selkeästi jaettu matalan tason LLD-ohjaimiin yleisesti käytettävien mikro-ohjainpiirien ohjaamiseksi sekä ylemmän tason moottorinohjaimiin (MC_FOC). Ohjelmiston validointia tuetaan epäkaupallisten kohdekoodi- ja lähdekoodiversioiden avulla. Saatavilla on myös kaupalliseen käyttöön tarkoitettu lisensoitu versio, joka sisältää lähdekoodin.

Kuva 8. TB9M040FTG-piirin anturiton FOC-ohjelmistoarkkitehtuuri (kuva: Toshiba).

Edullisesti pieneen tilaan

BLDC-moottorien kysyntä kasvaa koko autoteollisuudessa. FOC-ohjainten avulla voidaan vähentää akustista melua ja tärinää moottorin käytön aikana, joten kehitystiimit etsivät skaalautuvia ratkaisuja moottorinohjaukseen. Tämä mahdollistaa aiempiin suunnitteluihin ja ohjelmistojen kehitysympäristöön jo käytetyn ajan ja työmäärän hyödyntämisen toistuvasti useissa eri sovelluksissa, joten pyörää ei tarvitse keksiä uudelleen.

SmartMCD-piiriperheen tuorein lisäys, integroiduilla moottorinohjaimilla varustettu TB9M040FTG, sopii ihanteellisesti kustannuksiltaan optimoituihin, tilan suhteen rajallisiin sovelluksiin alle 40 watin tehoalueelle täydentäen näin piiriperheen aiempia TB9M003/030FG-versioita.