Решения Infineon для беспроводного электроинструмента с бесщеточными электродвигателями

13 января

управление двигателемпотребительская электроникаInfineonстатьядискретные полупроводникиMOSFETMotor Drive

Ча Лин, Питер Грин (Infineon)

Современные строительные электроинструменты достигают высокой производительности и эргономичности благодаря использованию мощных бесщеточных электродвигателей и литий-ионных аккумуляторов. Для реализации сложных алгоритмов питания таких двигателей и управления ими компания Infineon предлагает микросхему интеллектуального драйвера управления трехфазным бесщеточным двигателем 6EDL7141, MOSFET BSC007N04LS6 из семейства OptiMOS 6, а также отладочную плату EVAL6EDL7141TRAP1SH.

Благодаря простоте использования, мобильности и повышенной безопасности, электроинструменты с питанием от аккумуляторных батарей с каждым годом все шире применяются как в домашнем хозяйстве, так и в профессиональной сфере. В последнее время в оборудовании этого типа наметилась новая тенденция – замена традиционных коллекторных двигателей их бесщеточными аналогами (Brushless DC Motor, BLDC), что позволило не только улучшить характеристики беспроводных электроинструментов, но и расширить область их использования.

Ключевыми преимуществами бесщеточных электродвигателей являются повышенная удельная мощность и возможность применения цифровых систем управления, позволяющих точно контролировать все параметры вращения. Это позволяет не только максимально адаптировать электроинструмент под конкретную задачу, но и улучшить все его ключевые характеристики, в первую очередь – размер, вес и время автономной работы. Подобная замена также позитивно сказывается и на общей эргономике устройств этого типа.

В статье рассмотрены основные вопросы, возникающие при создании беспроводных электроинструментов, а также приведены решения компании Infineon, позволяющие создавать оборудование, отвечающее самым современным требованиям, предъявляемым к технике подобного класса.

Оценка рынка электроинструментов

Рынок аккумуляторных электроинструментов растет с каждым годом. Согласно отчетам компании Future Market Insights, в 2015 году он оценивался приблизительно в 27 миллиардов, а к 2025 году может достигнуть 45 миллиардов долларов США. Совокупный среднегодовой темп роста (Compound Annual Growth Rate, CAGR) этого сегмента рынка в период с 2016 по 2020 годы составил 3,7%, при этом ожидается, что в следующем периоде – с 2021 по 2031 годы – он увеличится до 5,1%.

Этому способствует множество факторов, в том числе и общее увеличение объемов ремонтных и строительных работ, наблюдаемое по всему миру. Из-за высокой стоимости нового жилья многие владельцы принимают решение улучшать и модернизировать уже существующие помещения, в том числе и собственными силами. Немаловажную роль в этом процессе сыграла и пандемия коронавируса, из-за которой множество людей стало больше времени проводить дома, занимаясь, в том числе, ремонтом.

Инструменты с питанием от аккумуляторов постепенно проникают и в промышленное производство. По мере улучшения их характеристик все больше производителей используют удобное беспроводное оборудование, например, на сборочных конвейерах, что приводит к ускорению производственных процессов.

Ключевым преимуществом беспроводных электроинструментов является отсутствие шнура питания, который существенно ограничивает мобильность и может легко запутаться и повредиться. Однако до недавнего времени в электроинструментах этого типа использовались никель-кадмиевые или никель-металлгидридные аккумуляторы, а в качестве привода – коллекторные электродвигатели постоянного тока. Эта элементная база имеет ряд серьезных недостатков и ограничений, поэтому беспроводные электроинструменты долгое время не могли конкурировать с их более мощными проводными версиями. Переход на литий-ионные аккумуляторы и применение бесщеточных электродвигателей позволили убрать эти ограничения, и сейчас характеристики беспроводных инструментов мало чем отличаются от их проводных аналогов. 

Основные проблемы беспроводных электроинструментов

Главной задачей, возникающей перед разработчиками беспроводных электроинструментов, является уменьшение размеров и веса создаваемого оборудования при одновременном увеличении времени его автономной работы (времени работы от одного заряда аккумулятора). Очевидно, что эти задачи являются взаимоисключающими, поскольку энергетическая емкость аккумуляторной батареи напрямую зависит от ее размеров и веса. Таким образом, решить поставленную задачу можно только путем применения более современных технологий, обладающих повышенной удельной мощностью и более высокой удельной энергетической емкостью.

Одним из вариантов решения этой проблемы является отказ от применения традиционных коллекторных электродвигателей в пользу более компактных и долговечных бесщеточных (бесколлекторных) приводов. Отсутствие щеточных контактов приводит к уменьшению трения, увеличению срока службы, а также значительно снижает уровень электромагнитных помех, создаваемых электродвигателем.

Бесщеточные двигатели практически во всех случаях имеют преимущество перед своими коллекторными аналогами, поскольку их мощность, при одинаковых размерах, обычно больше. Однако электродвигатели этого типа имеют повышенную стоимость, а для их работы требуется достаточно сложная система управления (рисунок 1), поэтому на протяжении длительного времени в электроинструментах использовались более дешевые и простые коллекторные приводы.

Рис. 1. Упрощенная конструкция типового бесщеточного электродвигателя, управляемого трехфазным инвертором

Рис. 1. Упрощенная конструкция типового бесщеточного электродвигателя, управляемого трехфазным инвертором

Второй проблемой, возникающей при создании беспроводного электроинструмента, является эргономика. Электроинструмент может использоваться людьми на протяжении всей рабочей смены, поэтому его форма должна быть удобной для длительного применения. Однако при этом могут возникнуть проблемы с размещением в удобном (с точки зрения пользователя) корпусе устройства как двигателя нужной мощности, так и аккумуляторной батареи нужной емкости.

Не следует забывать также, что все элементы электроинструмента в процессе работы подвергаются значительным электрическим и механическим нагрузкам, например, вследствие ударов или падений. Поэтому при разработке оборудования подобного класса следует тщательно продумывать элементы и механизмы защиты каждого узла, особенно двигателя, аккумулятора и платы управления.

Немаловажную роль играет также защита внутренних узлов электроинструмента от пыли, грязи и влаги, практически всегда присутствующих в рабочей обстановке. Этот вид защиты является принципиально необходимым для обеспечения длительного срока службы, однако его реализация обычно приводит к ухудшению условий охлаждения внутренних элементов прибора, особенно если инструмент планируется использовать при повышенных температурах окружающей среды.

Последним в списке, но не последним по важности является обеспечение требуемого уровня надежности, в первую очередь – электроинструмента, позиционируемого для профессионального использования. Неожиданный выход из строя подобного оборудования может нанести непоправимый вред как репутации специалиста, использующего данную технику, так и компании, производящей некачественные инструменты.

Основные элементы беспроводного электроинструмента

Кроме аккумулятора и двигателя, являющихся основными элементами любого беспроводного электроинструмента, в этом оборудовании обычно присутствуют схема управления электродвигателем, узлы защиты, а также дополнительный микроконтроллер, связывающий все элементы системы в единое целое. Большинство электроинструментов имеют комплект съемных аккумуляторов, заряжаемых внешним зарядным устройством, что позволяет исключить перерывы в работе, необходимые для пополнения энергии.

Большинство бесщеточных двигателей имеют три обмотки, поэтому схемы управления двигателями этого типа обычно строятся по схеме трехфазных инверторов – по одному инвертору на каждую фазу. Управление транзисторами инвертора обычно производится специализированным микроконтроллером с помощью ШИМ-сигналов, формируемых на основе текущего положения ротора, определяемого датчиками Холла.

Напряжения, подаваемые на обмотки статора электродвигателя, как правило, одинаковы по форме и сдвинуты по фазе на 120⁰ друг относительно друга. Существует два способа формирования подобных сигналов. В первом случае микроконтроллер формирует один ШИМ-сигнал, который подается на порты ввода-вывода по алгоритму, обеспечивающему вращение ротора в нужном направлении. Во втором случае микроконтроллер формирует три условно независимых ШИМ-сигнала, подаваемые на соответствующие обмотки электродвигателя.

Схема защиты обычно состоит из набора операционных усилителей и/или компараторов, осуществляющих контроль наиболее важных напряжений и токов, а также температуры ключевых узлов. Выходные сигналы схемы защиты могут напрямую, на аппаратном уровне, блокировать работу силовой части инвертора, однако чаще всего они поступают в микроконтроллер, выполняющий их обработку с помощью соответствующего программного обеспечения.

Система управления аккумуляторным электроинструментом может быть собрана на дискретных компонентах, однако такое решение чаще всего будет иметь достаточно большие габариты и, в ряде случаев, невысокое быстродействие. Поэтому на сегодняшний день большинство разработчиков предпочитает использовать для решения этой задачи специализированные высокоинтегрированные микросхемы.

Интеллектуальный драйвер 6EDL7141

Одной из последних разработок компании Infineon, позволяющей создать интеллектуальный драйвер трехфазного двигателя, является специализированная микросхема 6EDL7141. Это высокоинтегрированное решение содержит все ключевые компоненты, необходимые для управления силовыми транзисторами трехфазных инверторов, и может использоваться как в аккумуляторном электроинструменте с бесщеточными электродвигателями, так и во многих других подобных приложениях.

Центральным элементом микросхемы 6EDL7141 является комплект драйверов с программируемыми значениями выходных напряжений и токов, позволяющих создать на их основе трехфазный полумостовой инвертор. Микросхема имеет возможность программной настройки длительности мертвого времени сигналов управления, поддерживает несколько режимов работы с внешним микроконтроллером (1PWM, 3PWM или 6PWM), а также несколько вариантов торможения ротора (High Side, Low Side или Alternate) (рисунок 2-5).

 

Рис. 2. Режим работы микросхемы 6EDL7141, 6PWM

Рис. 2. Режим работы микросхемы 6EDL7141, 6PWM

Рис. 3. Режим работы микросхемы 6EDL7141, 1PWM с датчиками положения ротора

Рис. 3. Режим работы микросхемы 6EDL7141, 1PWM с датчиками положения ротора

Рис. 4. Режим работы микросхемы 6EDL7141, 3PWM

Рис. 4. Режим работы микросхемы 6EDL7141, 3PWM

Рис. 5. Режим работы микросхемы 6EDL7141, 1PWM без датчиков положения ротора

Рис. 5. Режим работы микросхемы 6EDL7141, 1PWM без датчиков положения ротора

Возможность программирования выходного напряжения и тока драйверов позволяет использовать микросхему 6EDL7141 с различными типами силовых транзисторов без необходимости применения дополнительных согласующих элементов, в том числе внешних резисторов и диодов, традиционно устанавливаемых в цепях затворов большинства MOSFET. Это позволяет уменьшить общее количество компонентов и, как следствие, создать более компактную систему (рисунок 6).

Микросхема 6EDL7141 имеет три интегрированных компаратора с узлами программного подавления шумов, предназначенных для подключения датчиков Холла, а также три операционных усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и настраиваемым напряжением смещения, которые можно использовать для контроля токов обмоток электродвигателя и защиты от перегрузки по току.

Рис. 6. Структурная схема беспроводного электроинструмента на основе 6EDL7141

Рис. 6. Структурная схема беспроводного электроинструмента на основе 6EDL7141

Для питания внешних и внутренних узлов микросхемы предназначен понижающий преобразователь, благодаря которому диапазон рабочих напряжений микросхемы расширен до 5,5…70 В. Дополнительные напряжения, необходимые для работы системы, формируются несколькими интегрированными LDO-стабилизаторами. Питание драйверов транзисторов верхнего плеча осуществляется с помощью соответствующих зарядовых насосов.

Несмотря на то, что бесщеточные электродвигатели изначально создают значительно меньше электромагнитных помех, чем их коллекторные аналоги, в микросхеме 6EDL7141 реализована функция ограничения скорости нарастания напряжения на выходах драйверов, что позволяет дополнительно уменьшить уровень нежелательного излучения и упростить процесс сертификации устройства.

MOSFET семейства OptiMOS 6

Микросхемы 6EDL7141 могут быть сконфигурированы для работы с самыми разными полевыми транзисторами, в том числе и с MOSFET BSC007N04LS6, идеально подходящими для беспроводного электроинструмента. Являясь частью достаточно обширного семейства OptiMOS 6, 40-вольтовые транзисторы BSC007N04LS6 имеют наименьшее в своем классе сопротивление канала в открытом состоянии RDS(on) (0,7 мОм), а также, благодаря низкому заряду затвора Qg – превосходные динамические характеристики. Транзисторы этой модели способны работать при температурах до 175°C, а высокое значение выходного тока позволяет создавать на их основе инверторы с выходной мощностью более 180 Вт.

Компания Infineon гарантирует, что MOSFET OptiMOS 6 имеют отличные метрики качества. В частности, произведение Qg x RDS(on) – на 29%, а Qgd x RDS (on) – на 49% меньше, чем у лучших представителей предыдущих семейств. Очевидно, что столь высокие параметры положительно сказываются на характеристиках разрабатываемого оборудования.

При этом не следует забывать, что транзисторы BSC007N04LS6 выпускаются в компактных 8-выводных корпусах SuperSO8 (рисунок 7), предназначенных для поверхностного монтажа, и имеют размеры всего 5 x 6 мм, что позволяет использовать их даже в самом малогабаритном электроинструменте.

Рис. 7. MOSFET OptiMOS BSC007N04LS6, идеально подходящие для беспроводного электроинструмента

Рис. 7. MOSFET OptiMOS BSC007N04LS6, идеально подходящие для беспроводного электроинструмента

Инструменты для разработки

Конфигурирование микросхемы 6EDL7141 под особенности конкретного приложения проще всего выполнить с помощью специализированного программного обеспечения, специально разработанного компанией Infineon для решения этой задачи. Интуитивно понятный графический интерфейс, возможность сохранения и загрузки настроек, а также наличие библиотек с готовыми примерами микропрограмм для реализации типовых алгоритмов управления электродвигателями, которые можно загрузить в центральный процессор через интерфейс SPI, значительно сокращают время, необходимое для реализации проекта на основе микросхем этого типа.

Предлагаемое программное обеспечение позволяет также отслеживать текущее состояние 6EDL7141, в том числе контролировать значения его регистров в режиме реального времени, что может пригодиться во время разработки и отладки программного обеспечения для этого контроллера.

Для быстрого начала работы с контроллером 6EDL7141 можно использовать отладочную плату EVAL6EDL7141TRAP1SH (рисунок 8), оптимизированную для разработки беспроводных электроинструментов, питающихся от аккумуляторных батарей с напряжением 18 B. Кроме микросхемы 6EDL7141, на плате смонтировано также шесть транзисторов BSC007N04LS6, выходной мощности которых достаточно для разработки приложений небольшой мощности. Для питания более мощных двигателей на нижней стороне платы, в области установки транзисторов, можно установить дополнительный съемный радиатор.

Формирование сигналов управления драйвером 6EDL7141 и общее управление системой осуществляется микроконтроллером XMC1400, который можно программировать через порт USB с помощью программатора-отладчика, также размещенного на плате EVAL6EDL7141TRAP1SH. Исходный код опорного программного обеспечения (прошивки микроконтроллера) разработан для интегрированной среды разработки DAVE на основе Eclipse и доступен на сайте Infineon для свободного скачивания.

Плата EVAL6EDL7141TRAP1SH позволяет быстро оценить пределы и возможности разных режимов работы бесщеточного электродвигателя, работающего под управлением системы на основе 6EDL7141 и XMC1400. При этом не следует забывать, что для управления двигателем используются специализированные алгоритмы управления, уже оптимизированные для использования в электроинструменте, питающемся от аккумуляторов.

Рис. 8 Отладочная плата EVAL6EDL7141TRAP1SH

Рис. 8 Отладочная плата EVAL6EDL7141TRAP1SH

Заключение

Благодаря использованию литий-ионных аккумуляторов и бесщеточных электродвигателей характеристики беспроводного электроинструмента теперь мало чем отличаются от характеристик их проводных аналогов. При этом, благодаря отсутствию соединительного кабеля, инструменты с питанием от аккумуляторов становятся более привлекательными, чем традиционные решения.

Несмотря на то, что при создании современных электроинструментов разработчики сталкиваются с целым комплексом проблем, в числе которых обеспечение достаточно сложного алгоритма управления бесщеточными двигателями, использование высокоинтегрированных решений, предлагаемых компанией Infineon, позволяет эффективно их решить и создать оборудование, отвечающее самым высоким стандартам качества.

Ключевым преимуществом продуктов Infineon является комплексный подход к решению поставленных задач, в частности, наличие не только микросхем и транзисторов, но и дополнительных аппаратных и программных средств разработки, в том числе и готовых примеров программного обеспечения. Кроме того, использование драйверов 6EDL7141 с внешними транзисторами также является определенным преимуществом, ведь такая схема позволяет подобрать приборы из достаточно обширного семейства OptiMOS, наилучшим образом подходящие для конкретной задачи.

Драйвер 6EDL7141 поддерживается практически всеми микроконтроллерами семейства XMC, а примеры кода для интегрированной среды разработки DAVE доступны для свободного скачивания. Кроме того, микросхемы 6EDL7141 можно программировать напрямую с помощью специализированного программного обеспечения с графическим интерфейсом, работающего на платформах персональных компьютеров.

Таким образом, компанию Infineon можно объективно считать одним из ключевых инвесторов рынка беспроводных электроинструментов, размер которого растет с каждым годом. При этом не следует забывать, что уровень беспроводных электроинструментов с бесщеточными электродвигателями еще не достиг своего технического предела. А это означает, что в ближайшем будущем компания Infineon, возможно, предложит новые решения с еще более высоким уровнем интеграции, способные работать, например, при более высоком напряжении аккумуляторной батареи.

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт. В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню р ...читать далее

Товары
Наименование
6EDL7141XUMA1 (INFIN)
BSC007N04LS6ATMA1 (INFIN)
BSC009NE2LSATMA1 (INFIN)
BSC009NE2LS5ATMA1 (INFIN)
BSC009NE2LS5IATMA1 (INFIN)
BSC004NE2LS5ATMA1 (INFIN)
BSC005N03LS5ATMA1 (INFIN)
BSC005N03LS5IATMA1 (INFIN)