Миллионы мелких электрических устройств по всему миру, использующих для своей работы систему электропривода, в качестве приводного электродвигателя используют шаговые двигатели, или как их еще называют – вентильные электродвигатели. Шаговые двигатели не слишком затратные и не требуют в обязательном порядке использования микроконтроллера для реализации системы управления электрической машиной, довольно часто вполне можно обойтись специальным драйвером. К таким устройствам можно отнести офисные принтеры и сканеры, банкоматы, терминалы, швейные машинки и прочее электрооборудование. Также вентильные электродвигатели широко распространены в промышленности, особенно в устройствах с высокой точностью обработки, например, станки с ЧПУ.
В довольно большом количестве случаев шаговый электродвигатель является хорошим решением для системы электропривода, но не идеальным. Уровни акустических шумов в таких электрических машинах могут достигать довольно больших значений, что особенно ощутимо в промышленных устройствах, так как одновременно может работать большое количество машин. Кроме того, драйвер будет потреблять электроэнергию даже при скоростях вращения близких к нулю, что может сократить срок службы аккумуляторной батареи портативного устройства. Небольшая общая энергоэффективность вызывает нагрев элементов, что иногда может приводить к установке искусственного охлаждения (как правило, вентиляторов или радиаторов), что увеличивает габариты, стоимость и снижает надежность системы.
Альтернативные типы электрических машин, такие как бесщеточные электродвигатели постоянного тока (BLDC), вполне могут преодолеть недостатки шаговых машин. Они отличаются высокой эффективностью с оптимизированным управлением, а наряду с более плавным переключением шагов потребляют гораздо меньше энергии и выделяют значительно меньше тепла.
Но если посмотреть с другой стороны, то такая система имеет большую стоимость. Отчасти это связано с тем, что контроль бесщеточных машин постоянного тока требует гораздо более сложных алгоритмов и обычным драйвером здесь не обойтись, необходим микроконтроллер. Более того, переход от шагового электродвигателя к бесщеточному BLDC требует значительного изменения конструкций механических подсистем (это вдобавок к существенному усложнению электронной системы управления). Эти требования помимо удорожания и усложнения проекта приводят еще и к более длительным временам испытания электромеханических систем, что не играет на руку разработчикам, так как рынок в настоящее время очень динамичен.
Новый подход
Конечно, идеальным решением в такой ситуации было бы сделать электропривод с шаговым электродвигателем, который мог работать так же эффективно, как и бесщеточная машина постоянного тока BLDC, с низким уровнем шумов и не требующим значительной модернизации механической части объекта или большого усложнения электронной системы управления. Таким образом, разработчики смогли бы создать устройства нового поколения, которые были бы тише, надежнее, не требовали бы принудительного охлаждения. Улучшением контроллеров шаговых электрических машин вполне возможно добиться неплохих результатов в двух ключевых областях регулирования – улучшения качества тока возбуждения машины и улучшение методик и механизмов генерации импульсов управления машиной – вот что может достичь производительности, сравнимой с бесщеточными машинами BLDC.
Для решения данного вопроса ON Semiconductor разработал контроллер тока LC898240, который обеспечивает автоматическую оптимизацию настроек драйвера при изменении нагрузки двигателя. Это позволяет максимально приблизить характеристики шагового электродвигателя в системе электропривода к характеристикам BLDC машин, что сводит к минимуму уровень шумов и снижает потери энергии в электрической машине. Оценка нагрузки электродвигателя производится путем контроля ЭДС машины с помощью обратной связи (на рисунке выше приведена схема).
LC898240 подключается в качестве дополнительного устройства с обычным драйвером шагового двигателя для расширения функциональных возможностей последнего. В дополнение к функции повышения КПД электрической машины путем регулирования ее токов связанных с нагрузкой, он также способен генерировать импульсы управления машиной независимо, что позволяет разгрузить микропроцессор. Эта функция реализована на основе EEPROM и используется для хранения девяти различных профилей импульсов, которые выбираются пользователем для реализации различных алгоритмов управления.
Интегральная схема может интерпретировать входные сигналы от микропроцессора и поэтому работает как преобразователь интерфейса в электроприводе с микропроцессорным управлением. Ниже показано применение LC898240 EEPROM к шаговому электродвигателю:
Одна плата управления или несколько?
LC898240 может использоваться с существующими драйверами электродвигателей различных типов. Такая гибкость дает преимущества в применении данной интегральной микросхемы к электрическим машинам с разными номинальными токами. Функции данной платы управления были объединены и в LV8702V, который также способен управлять током электродвигателя используя обратную связь по ЭДС машины, как и LC898240. Схема ниже демонстрирует возможность работы шагового электродвигателя от одной платы управления:
Работа в режиме высокой эффективности LV8702V способна снизить потребляемую мощность на 80%, по сравнению с работой в обычном режиме:
Ниже представлен рисунок иллюстрирующий тепловые режимы работы электродвигателя и LV8702V с включенным и выключенным режимом повышенной эффективности. Высокоэффективный режим представляет собой улучшенное управление током машины, позволяющее снизить температуру драйвера и электрической машины до 46 0С и 28 0С. Это также увеличивает надежность системы.
Выводы
Шаговые электродвигатели являются неплохим решением для механизмов с большой чувствительностью к стоимости, таких как офисная техника и некоторые виды промышленного оборудования. Для удовлетворения потребностей рынка необходимо повышать производительность и удобство использования устройств, не забывая об экономической составляющей. Для шаговых электрических машин существует два ключевых аспекта в стратегии управления – повышение эффективности использования энергии путем снижения тепловых потерь, и снижение шумов и повышение плавности хода машины.
Это может быть достигнуто добавлением систем контроля тока и генерации импульсов на основе обратной связи, которые могут осуществляться дискретно или интегрироваться вместе со схемой драйвера. Это позволяет обеспечить гибкость микропроцессорного управления или исключить микропроцессор из управления данным механизмом без потери производительности, что положительно сказывается на размерах и стоимости.
