DSP styr stegmotor

DSP
Komponenter
Scott Reardon, VD
för D3 Engineering,
beskriver här ett system
för sensorlös återkopplad, programmerad
motorstyrning av stegmotorer. Konstruktionen ger låga kostnader
och höga prestanda.
Konstruktörer av elmotordrivna
system drar fortfarande nytta av
fördelarna med sensorlösa motorstyrningsmetoder. Sensorlös
motorstyrning, som först introducerades i borstlösa BLDCmotortillämpningar (Brushless
DC) för trefasspänning, ger nu
med nya algoritmer möjlighet att
använda billiga tvåfasstegmotorer
i högpresterande BLDC-tillämpningar. Tack vare den omfattande beräkningskraften och den
integration på systemnivå som
billiga DSP-baserade (Digital
Signal Processor) styrsystem ger,
används nu i stegmotorer återkopplad styrteknik som tidigare
enbart förknippades med dyrbara
servomotorer. Därigenom tar
återkopplad motorstyrning steget
från storskaliga tillämpningar,
som fabriksautomatisering, till
mycket mindre system som
hushållsapparater. I takt med att
kraftfullare DSP-baserade styrsystem tas fram används styrsystem nu för flera motorer, vilket ger
billig styrning av flera rörelseaxlar
i volymtillämpningar som exempelvis säkerhetskameror.
  
Eftersom sensorlösa styrsystem
inte kräver några givare möjliggör
de införande av avancerad teknik,
t.ex. sensorlös fältorienterad styrning (FOC), som tidigare har
använts för AC-induktions- och
BLDC-motorer. Dessa intelligenta styrsystem, som på ett
ögonblick beräknar och korrigerar rotorns läge och hastighet, kan
även göra fininställningar utifrån
enskilda motorers egenskaper.
Resultatet blir högre vridmoment
och enhetligare hastighet, vilket
förbättrar motorns verkningsgrad
och ger lägre energiförbrukning,
minskad värmealstring och högre
tillförlitlighet. Tester har visat att
nästan dubbelt så höga prestanda
kan specificeras tillförlitligt för
en motor med givarlös återkopplad styrning, vilket gör att
konstruktörer kan använda betydligt mindre motorer i samma
tillämpning och spara kostnader,
utrymme och vikt i den färdiga
utrustningen. Dessutom kan alla
dessa fördelar fås till priset av en
mycket liten kostnadsökning för
30
DSP styr stegmotor
Fig 1. Rörelseinducerad EMF (Electromotive Force) i avkänningslindningar
Fig 2. Systemblockschema för styrning av övervakningskamera i höjd- och sidled
konstruktion och tillverkning av
motorn.
- 
 
Rörelsestyrning
inom
tilllämpningar av alla storlekar och
volymer behöver intelligentare
styrsystem som snabbt kan svara
på skiftande belastningar och
ge exakt rätt vridmoment. Ett
exempel är bläckstråleskrivarens
skrivhuvud, som ständigt ändrar
riktning och hastighet, medan vi
i den andra änden av skalan har
industrins transportband, vars
vridmoment plötsligt måste korrigeras som svar på belastningsförändringar. Möjliga användningsområden är hushållsapparater
eller ”vitvaror”, kontorsmaskiner,
säkerhetssystem, bilar, industriutrustning samt system för värme,
ventilation och luftkonditionering.
Traditionellt har endast avancerade tillämpningar kunnat rättfärdiga de höga kostnaderna för
återkopplade servomotorer som
kräver information om rotorposition från givare. I jämförelse med
motorer utan återkoppling för
styrning av motordrivsignalerna
är servomotorer mycket exaktare
och utnyttjar energin effektivare,
men avkänning av ankarets exakta
hastighet och läge kräver ofta
dyrbara lägesgivare. Dessutom
används ofta servostyrning av
BLDC-motorer med trapetsformad kommutering, vilket ger
betydande problem som inställning av Halleffektgivare och momentrippel på grund av felaktig
kommutering.
Billig oåterkopplad styrning av
1,8 graders stegmotorer, med fyra
eller sex ledare och tvåfasspänning, är det alternativ som oftast
väljs för tillämpningar med stora
volymer. Denna typ av styrning är
enkel att förstå och implementera,
och den kostar vanligen mindre
att tillverka än mer högpresterande och energieffektiv återkopplingsstyrning med axelsensorer.
Vissa blygsamma förbättringar
av rörelsekvaliteten har erhållits
med hjälp av avancerade H-bryggor som möjliggör mikrostegning
och upphackning av spänningen
i pulser till en låg kostnad. Nackdelen med oåterkopplade stegmotorer är att inga steg någonsin
får gå förlorade, vilket innebär att
systemet måste ställas in för att
fungera som om sämsta möjliga
belastningstillstånd ständigt föreligger, även om mer gynnsamma
tillstånd vanligen råder. Även i
mer lågpresterande tillämpningar
resulterar de marginaler som
krävs för att erhålla tillförlitlig
positionering i att man använder
alltför högpresterande motorer
och mekanismer som kan tåla
belastningsvariationer – men på
bekostnad av verkningsgraden.

         
Innan robusta sensorlösa styrmetoder hade utvecklats tvingades
motorkonstruktörer att välja mel-
lan den återkopplade styrningens
prestanda och högre kostnader
å ena sidan och den oåterkopplade styrningens låga pris och
ineffektivitet å den andra sidan.
Motorstyrning behöver emellertid inte längre baseras på ett
val mellan dessa båda lösningar.
I dag medger högpresterande
DSP-baserade styrsystem och
givarlösa algoritmer implementering av återkopplingsstyrning
i billiga stegmotorer med bred
användning.
Dessa nya, billiga sensorlösa
styrmetoder har blivit möjliga
tack vare utvecklingen av DSPstyrsystem. Liksom med FOC
för AC-induktions- och BLDCmotorer finns det en rad olika
algoritmer för beräkning av motoraxelns läge genom mätning
av faktiska spänningar. En vanlig
metod är att mäta EMF (Electromotive Force) i faslindningarna,
vilken är proportionerlig mot
axelhastigheten.
DSP-styrsystemet integrerar digitalt dessa
mätningar av EMF med de
avkända fasdrivströmmarna för
att uppskatta den momentana
rotorpositionen och rotorhastigheten. De axelpositioner och
axelhastigheter som erhålls kan
användas i traditionella återkopplingsarkitekturer som kontinuerligt justerar motordrivströmmen
för att ge rätt vridmoment under
alla belastningsförhållanden.
EMF från en tvåfasstegmotor
med permanentmagnet kan enkelt observeras genom att en icke
strömsatt motor vrids manuellt
med rampad eller konstant hastighet. De spänningar som produceras vid drivlindningen för varje
fas visas nedan i fig 1. De genererade A- och B-signalerna är fasförskjutna 90 grader i förhållande
till varandra, och toppamplituden
står i direkt förhållande till motoraxelns hastighet. En 1,8-graders
stegmotor har 50 faser, så sinus/cosinusmönstret upprepas 50
gånger per varv.
  
Tack vare sensorlösa flerfasBLDC-motorer är det nu möjligt
att använda en positionsslinga
ända ned till hastigheten noll.
Detta är ingen obetydlig prestation, eftersom EMF försvinner
helt när motorankaret saktar
ned och stannar. D3 Engineering
erbjuder Kruse-styrning(1), en
egen DSP-baserad sensorlös algoritm för tvåfasstegmotorer som
steglöst kan övergå från långsam
till ingen hastighet och vara kvar i
en fast position på obestämd tid.
Microcontrollerbaserade implementeringar har haft begränsad
framgång på grund av sin relativt
låga samplingsfrekvens och be-
ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006
DSP
gränsade digitala beräkningskraft.
För att uppväga dessa brister kräver de ytterligare analog stödjande
maskinvara som inte enkelt kan
ställas in så att den skiljer mellan integratorläckage och verklig
rörelse.
Eftersom konventionella åttabitars microcontrollers kräver
ytterligare stödjande maskinvara
kostar DSP-styrsystem faktiskt
mindre som systemlösning. Traditionella microcontrollers saknar de beräkningsfunktioner som
krävs för beräkning av läges- och
hastighetsvektorer i realtid, så de
tvingas förlita sig på mindre exakta uppslagstabeller. DSP-styrsystem kan däremot snabbt beräkna
läges- och hastighetsvektorer för
kontinuerliga indatajusteringar
vid uppdateringsfrekvenser på
40 kHz och mer. Dessutom ger
DSP-styrsystem ytterligare beräkningskraft för implementering av
funktioner som systemstyrning,
kommunikation och effektfaktorkorrigering, när dessa krävs.
Resonanser i mellanbandet
har alltid utgjort ett problem
för konstruktörer som försöker
använda återkopplingsstyrning
av stegmotorer genom att lägga
till axelgivare. De diskreta motorstegen tenderar att excitera det
mekaniska systemets naturliga
resonanser och orsaka oönskade
vibrationer som ofta resulterar i
svängning. DSP-styrsystem stöder emellertid styrslingor med
hög samplingsfrekvens som ger
jämn och stabil drift med hjälp
av första och andra ordningens
slingkompensatorer. I avancerade FOC-algoritmer behandlas
exempelvis hela det magnetiska
fältet som en enda vridmomentvektor som kan styras nästan
omedelbart för att upprätthålla
maximal drivning i rotorn, samtidigt som vridmomentresonanser
elimineras.
    
     
I jämförelse med traditionell
servostyrning är DSP-baserad
sensorlös styrning mycket billig
att lägga till i standardstegmotorer. I varje stegmotor med sex
ledare finns det en drivnings- och
avkänningslindning för varje fas.
En noggrann undersökning av
den interna motorlindningen
visar att varje faslindning består
av två halvlindningar, förbundna
i serie, där den gemensamma
anslutningen förs ut som en
enda ledare. Om du kopplar bort
dessa båda halvlindningar och tar
fram varje ledare för sig har du
skapat en hybridstegmotor med
åtta ledare. Om du vill optimera
användningen av koppartråd för
att ge motorvridmoment kan du
ange att avkänningslindningen
ska lindas med tråd av mindre
diameter, eftersom den inte har
någon drivström. De flesta motortillverkare erbjuder standardmodeller av hybridmotorer för
prototypframställning och i olika
Fig 3. Kruse-styralgoritm med
återkoppling för rörelse av
övervakningskamera i höjd- eller sidled
till en högpresterande exakt styrd
servomotor.
produktionskvantiteter,
vilket
innebär att extrakostnaden blir
försumbar.
Den maskinvara som kopplas
till DSPn är minimal. Använd
samma oåterkopplade H-brygga
med dubbelriktad strömavkänning, lägg till ytterligare
fyra operationsförstärkare för
matning av fasavkänningsspänningarna och drivströmmen till
en AD-omvandlare i kretsen, så
har du undanröjt behovet av en
axelgivare. DSP-styrsystem med
möjlighet att driva en enda axel
kan fås för mindre än 2 dollar i
måttliga mängder. Dessa enheter
spar utrymme och komponenter
genom att ge fullständiga lösningar för motorstyrning med
integrerade funktioner som
pulsbreddsmodulerade utgångar,
flashminne, AD-omvandlare och
stöd för CAN-bussen.

     
Programutvecklingen för DSPstyrsystem är okomplicerad,
vilket underlättar för tillverkare
att snabbt få ut sina produkter
på marknaden. Integrerade
utvecklingsmiljöer och högeffektiva C-kompilatorer gör att
programmerare känner sig hemmastadda och att utvecklare
snabbt kan uppnå topprestanda.
Integrerade utvecklingsmiljöer
för DSP-styrsystem gör också
att programmerare snabbt kan
skapa kod med hjälp av välkända
modellerings- och simuleringsverktyg som Matlab, Simulink
och Labview. Färdiga programmoduler, inklusive FOC-algoritmer, kan fås från DSP-leverantörer och tredjepartsleverantörer.
Många moduler kräver endast
inmatning av systemparametrar,
vilket eliminerar behovet av att
utveckla matematiskt komplexa
algoritmer från grunden. Den
redan tillgängliga programvaran
underlättar utveckling av återkopplingsstyrning, och valmöjligheterna blir allt fler. Medan
ELEKTRONIK I NORDEN 1/2006
trenden mot återkopplingsstyrning växer i styrka blir mer information tillgänglig om prestandaegenskaper för olika stegmotorer,
vilket gör att programutvecklare
kan skapa bättre algoritmer för
finjustering av driftstyrning i
enskilda motorer.
                 
Schemat i fig 2 visar systemet,
och fig 3 visar styrslingan för
rörelse i höjd- eller sidled genom
återkopplingsstyrning av två 1,8
graders tvåfasstegmotorer med
åtta ledare som används i en
övervakningskamera, där kameran vrids i höjd- och sidled genom olika axlar. DSPn, det digitala styrsystemet TMS320LF28x
från Texas Instruments med 150
MHz driftfrekvens, ger upp till
150 MMACS (miljoner multiply-accumulate operations per
second), vilket räcker för att vid
behov styra upp till tre axlar. I
övervakningskameran styr DSPn
i själva verket även zoomning förutom rörelse i höjd- och sidled,
vilket ger en tredje styraxel som
inte beskrivs här.
F28x-styrsystemet ger fyra
pulsbreddsmodulerade utgångar
(PWM) och fyra AD-omvandlaringångar per axel (vilket ger
ytterligare outnyttjade men
tillgängliga PWM och AD-omvandlare). PWM-utgångar styr
dubbla H-bryggor med dubbelriktad strömavkänning, och en
fyrdubbel operationsförstärkare
mäter EMF och drivströmmar.
Dessa värden matas direkt in i
DSPns inbyggda 12-bitars ADomvandlare för körning av en
PID-positionsslinga (Proportional Integral Differential) med
en uppdateringsfrekvens på 40
kHz. Detta 32-bitars F28x-styrsystem möjliggör även en mer
komplicerad fasttalsrepresentation av decimaltal, som stöds
av TIs IQMath™-verktyg. Bestämningen av ankarläget beror
på motorlindningarna och det
effektiva CPR-antalet (Counts
Per Revolution), som är relaterat
till antalet bitar som digitaliseras
av AD-omvandlaren. Kostnaden
för axelgivare ökar betydligt när
CPR går över 10 000. De 12-bitars AD-omvandlare som finns i
LF28x ger en inkrementell givare
med 20 000 CPR.
I konstruktionen används
en sensorlös algoritm som licensierats för användning i TIs
digitala signalstyrsystem av
D3 Engineering. Algoritmen
är självkommuterande, vilket
innebär att det inte krävs några
Halleffektsensorer. Algoritmen
kräver bara 40 procent av den
tillgängliga beräkningskraften,
eftersom alla beräkningar för
framtagning av nya kommandon för motorvridmoment kan
göras på cirka 10 µs. Var 25e
µs får H-bryggorna ett nytt par
PWM-vridmomentkommandon
från DSP-styrsystemet. De positioneringsprestanda som erhålls
motsvarar en mikrostegsupplösning på en hundradel per steg,
och vridmomentet anpassas efter
belastningen.
Tester som genomförts av D3
Engineering har visat att denna
algoritm kan röra en stegmotor
från helt stillastående läge till
ett nytt läge 180,00 grader bort,
inom ±0,05 grader, på mindre än
50 ms (verifierat med hjälp av
en oberoende optisk givare med
57 000 CPR). Sekvensen upprepades sedan kontinuerligt, med
50 millisekunders fördröjning
mellan halva varv, för att visa att
algoritmen fungerar vid hastigheten noll. Återkopplingssystemet
kan genomföra rörelsesekvensen
som beskrivs ovan på halva den
tid det tar för ett jämförbart
oåterkopplat system, och med
betydligt lägre energiförbrukning. När en störning av vridmomentet infördes i testerna gick
steg förlorade när metoden utan
återkoppling användes. I själva
verket har ett DSP-styrsystem
med sensorlös algoritm omvandlat den enkla, billiga stegmotorn
            
Några av de långsiktiga fördelarna
med återkopplingsstyrning är
lägre energiförbrukning, mindre
värmealstring och högre tillförlitlighet. Även om dessa fördelar är
viktiga är de beroende av tillämpningen och tillståndet och därför
svåra att mäta. En mätbar fördel
är emellertid den mindre motorstorlek som krävs för en given
tillämpning. Utifrån omfattande
studier av kundernas verksamhet
har D3 Engineering upptäckt att
50 procent av en motors prestandaklassificering i en given tillämpning normalt utgör en extra marginal för att klara förändringar av
belastning och andra faktorer. I
motsats till detta kräver en motor
med återkopplingsstyrning utan
givare en marginal på endast 5 till
10 procent för att ge samma prestanda. En motors prestandaklassificering för en given tillämpning
kan sålunda nästan halveras, med
åtföljande besparingar.
Tack vare högpresterande DSPstyrsystem lanseras nu billiga stegmotorer med avancerad styrning
som tidigare endast kunde fås
till ett högre pris. DSP-baserade
sensorlösa algoritmer där EMF
används för beräkning av läge
och hastighet utgör ett billigt och
exakt alternativ till oåterkopplad
styrning med microcontrollers,
som inte bara är mindre effektiva
utan även kräver dyrbara givare
för ankarläge. DSP-styrsystem
kan ge nästan omedelbar styrning, samtidigt som de ger den
prestandamarginal som krävs
för ytterligare funktioner som
självinställning och kommunikation. De mer kraftfulla DSPstyrsystemen kan även styra flera
rörelseaxlar i system med mer än
en motor. Samtidigt innehåller
DSP-styrsystemen
funktioner
på systemnivå som bidrar till att
hålla nere priset på stegmotorer.
Det är alltså föga förvånande att
dagens systemutvecklare utformar sina produkter så att de utnyttjar den exakta styrning, låga
energiförbrukning, tillförlitlighet
och storleksanpassning som möjliggörs genom stegmotorer med
avancerad styrteknik.
 ,
   
(1) Amerikanska patent:
5,134,349 * 5,202,613 *
5,321,342
31