№11 / 2018 / статья 7

Оценка маломощных бесколлекторных, коллекторных и шаговых двигателей и их драйверов

Билл Швебер (STMicroelectronics)

Какой тип маломощного двигателя постоянного тока выбрать из трех существующих? Это определяется поставленной задачей, но, вне зависимости от выбора, у STMicroelectronics найдется микросхема драйвера для любого из них.

Диапазон применений маломощных двигателей постоянного тока (DC) расширился в результате многих факторов. Во-первых, двигатели стали более эффективными и мощными благодаря новым магнитным материалам. Во-вторых, в связи с использованием интеллектуальных микросхем с интегрированными полевыми транзисторами (FET) управление двигателями стало более легким. В-третьих, несмотря на то, что в большинстве приложений интернета вещей (IoT) лишь регистрируются те или иные состояния, а потребности в движении не возникает, рост разнообразия приложений IoT привел к необходимости малогабаритных двигателей.

Что такое маломощный двигатель постоянного тока? Официального определения или стандарта нет, но универсальное понимание в индустрии таково: двигатель со среднеквадратичным (RMS) значением тока привода до 1 А и пиковым значением тока 2 А считается маломощным устройством. Эти цифры могут показаться достаточно большими по сравнению с потреблением соответствующей электроникой миллиамперных токов. Однако многие из вышеуказанных двигателей используются в приложениях с малым коэффициентом заполнения, чьи совокупные потребности в энергии довольно скромны, даже если собственные требования приложений к максимальной мощности намного больше, чем необходимо их электронной составляющей.

Области применения маломощных двигателей разнообразны: от электроники для развлечений – до стандартной продукции и изделий для ответственного применения. Вот несколько сфер, где они используются:

  • беспроводные системы Smart HVAC;
  • регулировка и тонкая настройка производственных процессов;
  • научное приборостроение;
  • игры и развлечения;
  • роботизированные приводы;
  • медицинское оборудование, например — для позиционирования зондов, для контроля потока жидкости и для лабораторной диагностики.

Три основные топологии двигателя

Три часто используемые конфигурации маломощных DC-двигателей – коллекторные, бесколлекторные (BLDC) и шаговые. Каждый из них работает благодаря взаимодействию между токами в катушках (или обмотках) и постоянными магнитами (в большинстве конструкций), что приводит к притяжению/отталкиванию магнитного поля, вызывающему вращение. Все три вида двигателей имеют некоторые сходства, но отличаются методом управления переключением тока, протекающего через обмотки ротора и статора.

Они также отличаются возможностью выполнения определенных задач, качеством этого выполнения и гибкостью управления.

  • Исторически первым был двигатель коллекторного типа. По мере вращения ротора контактные щетки, представляющие собой сплошные контакты, состоящие, как правило, из графита, касаются соответствующих областей на роторе (рисунок 1). По мере вращения ротора изменение точек контакта щетки вызывает изменение направления потока тока и, следовательно, магнитного поля. Затем взаимодействие магнитного поля между ротором и статором меняется на противоположное, что вынуждает ротор продолжать движение.
Рис. 1. Коллекторный двигатель постоянного тока

Рис. 1. Коллекторный двигатель постоянного тока

Данная механическая схема концептуально проста. Однако ее недостаток в том, что щетки изнашиваются и нуждаются в замене, реализация интеллектуального управления сложна, потому что переключить данный двигатель довольно трудно, к тому же, щетки создают электромагнитные помехи (EMI), также известные как радиочастотные помехи (RFI).

В простейшем варианте коллекторный двигатель не нуждается в электронном управлении – он просто работает в зависимости от токовой и механической нагрузок. В других вариантах силовая шина двигателя включается и выключается при помощи транзисторной схемы, что является простейшим вариантом управления. Также возможно использование микросхемы-драйвера для повышения производительности и обеспечения контроля над скоростью и вращательным моментом.

  • В двигателе BLDC механическая коммутация заменена электрической с использованием транзисторов. Чаще всего используются МОП-транзисторы (MOSFET), которые управляются драйвером затвора (в некоторых конструкциях используются биполярные транзисторы с изолированным затвором – IGBT). Отдельный контроллер управляет точным переключением катушки в момент, необходимый для поддержания вращения двигателя на желаемой скорости (рисунок 2).
Рис. 2. Бесколлекторный двигатель постоянного тока

Рис. 2. Бесколлекторный двигатель постоянного тока

Примечание: двигатели BLDC иногда называют электронно-коммутируемыми (EC) двигателями, что является более точным определением.

В BLDC магнитное поле ротора присутствует всегда, оно генерируется постоянными магнитами. Когда ток направляется от одной фазы двигателя к другой, магнитные поля объединяются, генерируя изменяющееся поле статора.

Управление двигателем производится не только при помощи электроники. Вместо этого переключение может быть сформировано в драйвере затвора с контролируемым временем нарастания и спада для уменьшения EMI/RFI. Основная проблема заключается в том, что более мягкое переключение приводит к потере мощности и снижению КПД двигателя, и в этой ситуации разработчику необходимо найти максимально компромиссное решение. Некоторые новые драйверы затвора используют множество сложных и тонких трюков, чтобы облегчить эту задачу.

  • Шаговый двигатель использует концепцию двигателя BLDC, включая в себя большое количество катушек (или полюсов), расположенных по периферии двигателя (рисунок 3). Путем поочередного включения и выключения этих полюсов индуцируется шаг и вращение ротора в прямом или обратном направлении.
Рис. 3. Шаговый двигатель

Рис. 3. Шаговый двигатель

Полюсов может быть и 16, и 128 (или более), в зависимости от требуемой точности вращения, прямо пропорциональной их количеству. Шаговые двигатели доступны в однополярных двухфазных и биполярных двух-, трех- и пятифазных конфигурациях. Самый распространенный из них – биполярный двухфазный двигатель.

В шаговом двигателе магнитное поле ротора генерируется постоянным магнитом, а магнитное поле статора – током, протекающим  в определенной фазе. В результате ротор будет выравниваться в соответствии с магнитным полем статора, чтобы достичь заданного положения.

Шаговый двигатель хорошо подходит для задач, где необходимы быстрые остановка/запуск, позиционирование или движение назад/вперед, однако он не подойдет для долговременной непрерывной работы. Он часто используется в принтерах и приборах с поэтапным позиционированием (это только два из его многочисленных применений). Несмотря на то, что точность позиционирования зависит от числа полюсов, использование усовершенствованного метода, в котором смежные полюсы включаются частично (так называемый «микрошаг»), позволяет более точно управлять переключением и позиционированием.

Для управления двигателем необходима как мощность, так и стратегия

Полная система управления двигателем состоит из нескольких функциональных блоков (рисунок 4):

Рис. 4. Путь сигнала управления двигателем

Рис. 4. Путь сигнала управления двигателем

  • Контроллер. Контроллер решает, что мотор должен делать для выполнения текущей задачи в данный момент времени, и определяет, какая мощность в какой момент необходима для полюсов. Он может представлять собой отдельную интегральную схему с фиксированной функцией или быть частью прошивки более крупной системы.

Если к двигателю подключают контур обратной связи, как сейчас делают многие производители, добавляя датчик положения на вал ротора, то контроллер также оценивает положение и скорость двигателя и определяет соответствующие изменения, необходимые для управления мощностью.

  • Выходной сигнал контроллера подается на драйвер управления затвором, который преобразует низковольтные и слаботоковые команды включения/выключения в более высокие токи (и часто более высокие напряжения), необходимые МОП-транзистору (или IGBT). Довольно часто драйвер гальванически изолирован.
  • МОП-транзисторы (или IGBT) являются фактическими ключами питания, которые управляют подачей тока на катушки двигателя.
  • Катушки двигателя. Ток, протекающий через обмотки катушки двигателя, создает электромагнитное поле, которое взаимодействует со стационарными магнитами в двигателе, заставляя его начать вращение.

Сходства и различия интегральных схем для управления двигателем

Преимущество маломощных двигателей, помимо их скромных потребностей в токе и напряжении, заключается в том, что драйверы затвора MOSFET могут быть интегрированы с контроллерами и оптимизированы для конкретных потребностей. Рассмотрим трио соответствующих предложений от STMicroelectronics. Эти три микросхемы от ST имеют множество базовых характеристик, которые позволяют применять их совместно с различными типами двигателей. Помимо этого, они облегчают моделирование и просты в изучении.

Вот несколько преимуществ, которыми обладают эти изделия:

  • максимальная интеграция с использованием интерфейса микроконтроллера (MCU), логики управления, драйвера и моста МОП-транзистора (требуется только несколько пассивных компонентов и нет необходимости во внешних активных компонентах);
  • малое рабочее напряжение 1,8…10 В, которое хорошо подходит для низковольтных двигателей, в особенности – для работающих от небольших аккумуляторных батарей;
  • высокий выходной ток до 1,3 A (RMS) и 2 A (пиковое значение) для каждого выхода;
  • энергопотребление в режиме ожидания до 80 нA;
  • повышенная надежность благодаря блокировке при падении напряжения (UVLO), тепловой защите и защите от перегрузки по току;
  • небольшой QFN-корпус размером 3×3 мм.

Рассмотрим сходства и различия трех данных микросхем для управления двигателем. STSPIN220, предназначенная для шаговых двигателей, объединяет в себе логику управления, высокую эффективность и малое сопротивление «сток-исток» открытого канала RDS(ON) (рисунок 5). Контроллер реализует управление токовым режимом с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM) с программируемым временем выключения. STSPIN220 поддерживает разрешение 256 микрошагов на один полный шаг, что позволяет сделать движение максимально плавным.

Рис. 5. Микросхема STSPIN220 для управления шаговым двигателем

Рис. 5. Микросхема STSPIN220 для управления шаговым двигателем

Микросхемы, аналогичные модели STSPIN220:

  • STSPIN230 – монолитный драйвер для трехфазных двигателей BLDC;
  • STSPIN240 – монолитный драйвер для двух независимых двигателей постоянного тока;
  • STSPIN250 – монолитный драйвер для одного двигателя постоянного тока.

Примечание: драйвер STSPIN250 предназначен для одного двигателя в отличие от двухмоторного драйвера STSPIN240. STSPIN250 может обеспечивать более высокий ток 2,6 А (среднеквадратичное значение) и 4 А (пиковое значение).

Все эти интегральные схемы имеют максимально схожий внешний интерфейс и оперативные команды, функционально отличаются лишь их интерфейсы со стороны двигателя.

Делаем выбор

Решение о выборе типа двигателя является простым и сложным одновременно. Даже при существовании основных принципов выбора могут возникнуть ситуации, которые будут исключением из правил. Каждый тип двигателя отличается характеристиками скорости, угла поворота против крутящего момента, остановки. При выборе необходимо сопоставить желаемые функции и ограничения готового устройства с параметрами двигателя.

В большинстве случаев коллекторный и бесколлекторный двигатели не подходят для решений, в которых необходим шаговый вариант. Он лучше подходит для постоянного чередования запуска/остановки/позиционирования, в то время как первые два более пригодны для непрерывной работы. При выборе между коллекторным и бесколлекторным двигателями рассмотрите следующие аспекты:

  • коллекторные двигатели имеют меньший срок службы, чем двигатели BLDC; в первом случае срок службы зависит от износа подшипников и щеточного механизма, во втором срок ограничен только износом подшипников. Кроме того, щетки, быстро собирающие проводящую пыль, могут загрязнять другие поверхности;
  • высококачественные коллекторные двигатели могут достигать скорости 10 000 об/мин, в то время как конструкции двигателей BLDC позволяют увеличить эту скорость в 5 или даже в 10 раз;
  • коллекторные двигатели могут работать непосредственно от источника питания и, следовательно, нуждаются только в двух проводах, в то время как двигатели BLDC нуждаются в электронной коммутации, и в этом случае необходимо не менее трех проводов плюс провода датчика;
  • КПД обоих типов примерно одинаков, а вот источники потерь в них различаются. Для коллекторных двигателей большая их часть возникает в обмотках и при трении, связанном со щеточным механизмом, в то время как двигатели BLDC испытывают те же потери в обмотках, плюс дополнительные потери от вихревых токов, которые растут с увеличением скорости;
  • схема управления для шаговых двигателей изначально является гораздо более сложной, чем для коллекторных, но новые интегральные схемы, например, разработки STMicroelectronics, практически устраняют эти различия;
  • маломощный коллекторный двигатель, например, для недорогой игрушки, может быть наиболее экономичным решением в плане электропроводки и электроники управления (если она есть), но при этом он может обеспечить весьма ограниченную производительность.

Заключение

Бессчетное количество информационных справок о двигателях охватывает академическую теорию, возможные реализации, варианты использования, механические, электрические и термические проблемы, функции привода и элементы управления от простейших до продвинутых. Одним из полезных источников является «An Introduction to Electric Motors»  от ST. Для более глубокого ознакомления с шаговыми двигателями и микрошагами, которые не так интуитивно понятны, как коллекторные и бесколлекторные двигатели, смотрите «Application Note AN4923 STSPIN220: Step-Mode Selection and On-the-Fly Switching to Full-Step».

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее