ZESZ Y TY N A U K O W E P O LITE C H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: E L E K T R Y K A z. 170
1999 N r kol. 1426
Janusz H E T M A Ń C Z Y K K rzy szto f K R Y K O W SK I
MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA STEROWNIKA HYBRYDOW EGO TYPU NE 5570 DO STEROWANIA BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA PRĄDU STAŁEGO
S tre sz c z e n ie . W artykule przedstaw iono m ikroprocesorow y układ sterow ania bezszczotkow ego silnika p rąd u stałego o m agnesach trw ałych, zrealizow anego w system ie 80C51. O pisana zo stała część układow a i w ybrane w łasności zastosow anego sterow nika.
Z am ieszczono w yniki pom iarów oscyloskopow ych prądów i napięć silnika obciążonego ham ow nicą laboratoryjną. Z aproponow any układ m a konstrukcję m odułow ą, ograniczenie prądu oraz reg u lato r PW M .
PO SSIB ILITIES OF H Y B R ID B RU SH LESS DC M O T O R C O N TR O LLER N E5570 A PLIC A TIO N S
S u m m a ry . T he paper presents a m icroprocessor control system o f the perm anent m agnet brushless D C m otor. T he designed control system is based on th e integrated controllers o f brushless D C m o to rs and m icrocontrollers connected w ith serial interface. There are described hardw are and selected properties o f the applied brushless D C m otor controller.
W aveform s o f currents and voltages o f a m otor o n the m otor te st b ench are show n. The system has a m odular structure, current lim iter and PW M controller.
1 .W S T Ę P
U kłady n apędow e z silnikam i prądu stałego o m agnesach trw ałych sta n o w ią d u ż ą grupę urządzeń małej i średniej m ocy. Silniki te m a ją w iele zalet w sto sunku do klasycznych silników prądu stałego:
• brak kom utatora m echanicznego,
• pro stsza konstrukcja i m niejsze gabaryty,
• w yższa spraw ność spow odow ana brakiem uzw ojenia w zbudzenia,
• dobre w łaściw ości dynam iczne.
Sterow anie p ra c ą silnika o m agnesach trw ałych w y n ik a bezpośrednio z jeg o zasady działania i po leg a n a załączaniu kolejnych p ar uzw ojeń tw o m ik a w zależności od położenia uzw ojenia w zbudzenia, którym je s t m agnes trw ały [3,4,6],
Przeanalizow ano struktury i zasadę działania w ybranych sterow ników scalonych. W gotow ych sterow nikach scalonych realizow ane s ą trzy podstaw ow e sposoby regulacji zm ian
w spółczynnika w ypełnienia sygnałów sterujących tranzystoram i kom utatora elektronicznego, a m ianow icie przez:
• proste układy regulacji w spółczynnikiem w ypełnienia,
• rozw inięte układy analogow e regulacji im pulsów w ypełnienia,
• regulację P W M w u k ład ac h hybrydow ych.
Po rozezn an iu zalet i w ad ty ch rozw iązań zdecydow ano się n a zastosow anie sterow nika hybrydow ego ty p u N E 5570 firm y Philips, gdyż w ybrany sterow nik daje najw iększe m ożli
w ości sterow ania tym i silnikam i [7,9].
C elem niniejszej pracy je s t przedstaw ienie m ożliw ości w ykorzystanego sterow nika do ste
row ania p ra c ą silnika o m agnesach trw ałych.
2. B U D O W A U K Ł A D U
Schem at układu sterow ania bezszczotkow ego silnika prądu stałego został przedstaw iony na r y s .l. F alow nik pełniący rolę kom utatora elektronicznego zbudow any je s t na tranzystorach M O SFET. Sygnałam i w ejściow ym i dla sterow nika są: sygnał napięciow y proporcjonalny do p rądu silnika, sygnał proporcjonalny do prędkości aktualnej oraz sygnały z czujników H alla identyfikujące położenie w irnika w zględem uzw ojenia tw om ika. W spółpraca z użytkow ni
kiem je s t realizow ana dzięki zespołow i w yśw ietlaczy 7-segm entow ych i diod elektrolum ine- scencyjnych(L E D ). Z adaw anie param etrów pracy silnika je s t realizow ane za p o m o cą kla
w iatury w spółpracującej z układem m ikroprocesorow ym . Silnik je s t sterow any poprzez złą
cze szeregow e z u kładu m ikrokontrolera [2,5,8].
SYGNAŁY Z CZUJNIKÓW HALLA ( T T L )
♦ 12 V
R y s .l. Schem at układu sterow ania bezszczotkow ego silnika prądu stałego Fig. 1. B łock diagram o f brushless DC m otor control system
G łów nym zadaniem sterow nika je s t generow anie im pulsów sterujących tranzystorów ko
m utatora elektronicznego.
Możliwości wykorzystania sterownika.., 115
3. S T E R O W N IK S IL N IK A B E Z SZ C Z O T K O W E G O
Z astosow anie gotow ego sterow nika upraszcza strukturę układu sterow ania, ale rów nież p odw yższa je g o spraw ność i niezaw odność działania.
N a ry sunku 2 zo stała p rzedstaw iona w ew nętrzna struktura stero w n ik a N E 5570 w ykorzystanego w układzie sterow ania silnika bezszczotkow ego. Z astosow any sterow nik jest układem hybrydow ym , który je s t sterow any z układu m ikrokontrolera za p o m o c ą 1 1-b ito w ej transm isji szeregow ej trzem a sygnałam i sterującym i [1].
R ys.2. S truktura w ew nętrzna sterow nika hybrydow ego N E 5570
Fig.2. Internai structure o f analogue-digital brushless D C m otor controller
Inform acja o zadanych p aram etrach pracy silnika je s t zaw arta w d w óch rejestrach sterujących: C om m and data form at i D igital/ analog converter serial d ata form at ry s .3. B ogata architektura ty ch rejestrów pow oduje, że zastosow any sterow nik je s t układem uniw ersalnym i m oże dopasow ać się do w ym agań silnika. U ruchom ienie układu sterow ania pow oduje w prow adzenie do rejestrów sterujących param etrów pracy układu. Z ostaje w tedy określony kierunek w iro w an ia silnika, prędkość i inne param etry niezbędne do praw idłow ej pracy silnika.
Sterow nik steruje bezpośrednio tranzystoram i M O SFE T kom utatora elektronicznego.
K om utator zaw iera 3 tranzystory z kanałam i typu p oraz 3 tranzystory z kanałem typu n.
Sterow anie w a rto śc ią napięcia zasilania silnika uzyskuje się p rzez m odulacje szerokości im pulsów sygnałów w yzw alania zaw orów kom utatora elektronicznego.
U kład zaw iera o g raniczenie prądu silnika. W artość prądu m aksym alnego w ynika z m aksym alnej w artości napięcia odniesienia rów nej 0,5 V. Jeżeli spadek na przew odzącym zaw orze w zrośnie pow yżej w artości napięcia odniesienia, to dolny przew odzący zaw ór zostaje w yłączony. Stabilność pracy układu napędow ego zap ew n iają sprzężenie prądow e i prędkościow e.
Com mand data form at
Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Bit 8 Bit 9 Bit 10 Bit 11
Start bit
Reg select
Motor enable
Brake cmd
Brake
enable Lock 60*/
120* X X X X
0 * No lock 1 ■ Lock
0 = Disable brake function 1 ■ Enable brake function
0 = No s/ w brake command 1 * SI w brake command
0 * Disable motor rotation 1 = Enable motor rotation
Set to one for command data format
Start bit always set to one
Digital/ analog converter serial data form at
Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 6 Bit 6 Bit 7 Bit 8 Bit 9 Bit 10 Bit 11
Start bit
Reg select
CW /
CCW 2
1
2* 2* 24 21 22 21 2*0 » Clockwise motor rotation 1 a Counter-clockwise motor rotation
--- Start to zero for digital/ analog converter data format
--- Start bit is always set to one
Rys.3. Struktura w ew nętrznych rejestrów sterow nika N E 5570 Fig.3. C ontrol and com m and registers o f brushless D C controller
4. P R A C A W S P Ó Ł B IE Ż N A
D ane do sterow nika s ą w prow adzane za p o m o cą 11-bitow ej transm isji trzem a m agistra
lam i: data, clock i chip enable. Takie rozw iązanie konstrukcyjne pozw ala uzyskać m ożliw ość sterow ania p ra c ą k ilku silników z jed n eg o układu m ikroprocesorow ego. Poniższy rysunek przedstaw ia schem at układu z w sp ó ln ą szy n ą danych i sygnałem taktującym (rys.4).
Możliwości wykorzystania sterownika. 117
Rys.4. U kład połączeń napędu dla pracy w spółbieżnej z w sp ó ln ą szy n ą ad reso w ą Fig.4. M ultiple controllers on serial bus
U kład z w sp ó ln ą m a g istralą danych i zegarem taktującym charakteryzuje się p ro sto tą i d u żą dynam iką. W ada tej struktury w ynika z niem ożliw ości uzyskania jed n o czesn ej reakcji w szystkich siln ik ó w po łączonych do pracy w spółbieżnej na zm ianę sygnału sterującego [1],
5. W Y N IK I P O M IA R Ó W
Z aproponow any m odułow y układ sterow ania silnika bezszczotkow ego p rąd u stałego ze sterow nikiem ty p u N E 5570 w ykonano i uruchom iono. Przeprow adzone b ad an ia potw ierdziły w cześniejsze przypuszczenia o niezaw odności układu, a uzyskane w yniki porów nyw alne s ą z w ynikam i sym ulacji kom puterow ych [10]. R ysunek 5 przedstaw ia charakterystykę biegu jało w eg o silnika bezszczotkow ego sterow anego z sterow nika N E 5570, a n a rysunkach 6a i
6b przedstaw iono oscylogram y przebiegów prądu i napięcia silnika dla różnych w artości prędkości obrotow ych.
W to k u badań układu sterow ania stw ierdzono, że układ pracuje bardzo dobrze w zakresie dużych prędkości roboczych. Przy m ałych prędkościach obrotow ych stw ierdzono jednak m ożliw ość p racy krokow ej silnika w ynikającej z obecności przetw ornika częstotliw ość- napięcie. P rzew iduje się dalsze badania nad w adam i układu, które pozw oliłyby polepszyć prace napędu w zakresie najm niejszych prędkości obrotow ych.
4000
3000
2000 H
1000
n [ obr/min ]
Uf I
12
Rys. 5. C harakterystyka biegu jało w eg o silnika bezszczotkow ego prądu stałego Fig.5. V elocity vs. voltage characteristics o f brushless DC m otor
A »njp. mi«dzyprz«w., B-prad fazowy
Rys.6. Przebiegi prądu i napięcia silnika dla a) 2000 [obr/m in], b) 3000 [obr/m in]
Fig.6. C urrent and voltage w aveform s o f m otor for a) 2000 rpm , b) 3000 rpm
6. PO D SU M O W A N IE
Po dokładnej analizie teoretycznej i badaniach na stanow isku laboratoryjnym stw ierdzono:
• Sterow nik N E 5570 firm y P hilips je s t sterow nikiem o dużych m ożliw ościach sterow a
nia p ra c ą silników bezszczotkow ych prądu stałego.
• W ykorzystanie scalonego sterow nika w układzie regulacji silnika bezszczotkow ego pow oduje je g o uproszczenie w stosunku do układów regulacji silników z kom utato
rem m echanicznym .
M ożliw ości w ykorzystania sterow nika. 119
• U kład n apędow y zaw ierający sterow nik N E 5570 um ożliw ia p ły n n ą i d o k ład n ą regu
lację prędkości obrotow ej.
• E fektyw ność układu regulacji w ynika z m ożliw ości w spółpracy z układam i analogo
w ym i i cyfrow ym i.
P rzew iduje się ró w n ież aplikacje przedstaw ionego rozw iązania m iędzy innym i w napę
dach w ózków inw alidzkich.
L IT E R A T U R A
1. E ngh L., F enger C .,H adley L ., L inebarger D.: N E 5570. A theory o f o p eratio n and appli
cations. P hilips S em iconductor 1988.
2. H adley L.: S im plified D C brushless m otor control from a serial bus. M achine D esign 1987, nr 26, s. 145- 195.
3. G linka T.: M ikrom aszyny elektryczne w zbudzane m agnesam i trw ałym i. P odręcznik aka
dem icki. W yd. Pol. Śląskiej. G liw ice 1995.
4. K rykow ski K ., B o d o ra A ., Sajkow ski M .:Sterow anie dw usilnikow ym n apędem w ózków inw alidzkich. III K rajo w a K onferencja N aukow a Sterow anie w E n erogelektronice i N a pędzie E lektrycznym . S E N E ’97- Ł ó d ź 1997.
5. R ydzew ski A.: M ikrokom putery jed n o u k ład o w e rodziny M C S 51, W N T, W arszaw a 1995.
6. Sochacki R. Ż ycki Z.: M aszyny elektryczne m ałej m ocy. W N T, W arszaw a 1978.
7. A pplications note . U N IT R O D E : B rushless D C m otors get a controller IC th at replaces com plex circuist.
7. B ielecki R.: M ikrokom puterow e sterow anie napędów elektrycznych zaw ierających silniki z m agnesam i trw ałym i. Praca dyplom ow a. Pol. Śląska, G liw ice 1998.
8. H etm ańczyk J.rR egulacja prędkości obrotow ej przekształtnikow ego n apędu z silnikiem bezkom utatorow ym o m agnesach trw ałych za p o m o c ą sterow nika scalonego. Praca dy
plom ow a. Pol. Śląska, G liw ice 1998.
9. L anuszny A.: L aboratoryjna w eryfikacja m odelu kom puterow ego silnika z kom utatorem elektronicznym i m agnesam i trw ałym i. Praca dyplom ow a. Pol. Śląska, G liw ice 1998.
R ecenzent: D r hab.inż. Jerzy H ickiew icz, prof. P olitechniki O polskiej
W płynęło do R edakcji 31 m aja 1999 r.
A B ST R A C T
The p ap er describes a m icroprocessor control system o f the perm anent m ag n et brushless DC m otor w hich is presented in Fig 1. T he control algorithm is p erform ed by the analogue- digital brushless D C m otor co n tro lle d N E 5570 ). T he m otor is fed from electronic com m u
tator. The brushless D C controller obtains signals from the m icrocontroller, th ree H all sensors w hich detect th e ro to r position, and from the supply current. It transfers th ese signals and generates signals to sw itch o n and o f f the transistors. Input setting signals are digitally entered from the keyboard.
T he author describes selected properties o f the brushless D C m o to r controller. Figure 2 presents the block diagram o f the m otor controller and F ig.3 show s the control and com m and registers. T he m ultiple controllers on serial bus are presented in Fig.4. T he experim ents were perform ed for the perm anent m agnet brushless D C m o to r and m otor controller (N E 5570).
T he results obtained from these experim ents i.e. current and voltage w aveform s presented in Figs. 6a and 6b are given in the paper. A lso, velocity vs. voltage characteristic o f the brushless D C m otor is presented in Fig.5.
