Управление бесколлекторным двигателем — вступление

Как-то для перемешивающего устройства мне потребовалось выбрать двигатель, долговечный и компактный. Идеальным тогда мне показался бесколлекторный (вентильный) двигатель с датчиками холла. Замечательный двигатель, но он имеет главный недостаток — дороговизну блока управления этим двигателем. И тогда у меня появилась идея — попробовать сделать дешевую плату управления этим двигателем. Этим и занимался в свободное время. Перемешивающее устройство в итоге так и не было сделано, но зато я накопил некоторый объем знаний и сделал плату управления этим двигателем. В процессе работы пришлось пойти на некоторое усложнение и удорожание — добавил токовую защиту, интерфейс связи RS485. но что-то можно будет и убрать потом, был бы спрос. Также для дешевизны нужен  серийный выпуск, но об этом думать пока рано,  сперва нужно довести разработку до ума, поэтому буду благодарен за любые советы и подсказки. Также могу поделиться своим опытом.

Вот что получилось в результате:

на фото 2 платы — плата дисплея 101х45мм и плата управления двигателем 98х50мм.

и эти же платы снизу:

Основные характеристики платы управления бесколлекторным двигателем:

• Напряжение питания 24..44В
• Максимальный ток 10А
• режимы работы: контроль напряжения / контроль скорости
• управление: RS485 MODBUS / потенциометр и кнопки
• встроенный источник +5V 1A
• Себестоимость единичного изготовления — 2000р. (+1000р. — плата индикации)

Немного пояснений:
1. Нестандартное напряжение питания 44В может пригодиться, чтобы питать 36В двигатели от 48В  блоков питания, имеющих подстройку напряжения. В принципе можно расширить диапазон до 48В, немного потеряв в параметрах.
2. Ток в 10А подходит для работы самого мощного 36В двигателя FL56BLS04 в номинальном режиме. Допускается повышение тока при принудительном охлаждении. Можно ставить транзисторы мощнее в больших корпусах, но тогда потребуется и мощный дорогой блок питания. Целесообразность можно обсудить.
3. Поддержание скорости хорошо работает только с малоинерционной нагрузкой и частотой вращения до половины номинальной.
4. К блоку разработана панель управления с интерфейсом RS485. При необходимости можно внести в панель изменения, либо могу выложить её схему и программу для контроллера attiny2313.
5. Изготовление корпусов для платы планируется только при положительных отзывах и наличии спроса. Без корпуса эта плата — источних мощных помех, тест на электромагнитную совместимость она не пройдет.
6. Отсутствует опторазвязка логической части схемы, правда за всё время разработки необходимости в ней не возникало. Таже отсутствует защита от переполюсовки входного питания. Отсутствуют выходные фильтры на фазы двигателя, поэтому силовые провода от платы управления до двигателя должны быть как можно короче.

Вобщем эта разработка — попытка найти компромисс между ценой драйвера и его возможностями. Китайские блоки управления наверняка имеют все защиты и проходят тест на электромагнитную совместимость, но ситуация, когда для управления двигателем ценой в 2000р. нужен блок ценой в 5000р., мне кажется неправильной. Цель — получить блок управления стоимостью 2500р. (добавится ещё корпус) и плату индикации стоимостью 1000р.

А теперь немного теории.

 1. Что такое бесколлекторный двигатель и зачем он нужен.

Если кто-нибудь нашел эту запись, то он уже в общих чертах представляет, что это такое. Поэтому я лучше начну с фотографий внутренностей обычных китайских двигателей и расскажу, в каких случаях стоит его использовать.

На фотографии 2 китайских двигателя FL42BLS01 и FL57BLS04. Характеристики их легко найти в яндексе или гугле. Именно FL42BLS01 я изначально выбрал для привода мешалки, а FL57BLS04 приобрел потом как более мощный для проверки платы. Есть ещё более мощная серия FL86, но пока я не вижу, где её можно применить.

А вот и разобранный FL42BLS01. Как видно, качество исполнения довольно неплохое для китайского двигателя. Крышки аллюминиевые с посадочными местами под подшипники, в задней крышке располагается плата с 3 датчиками холла. Датчики никак не выравниваются, просто торчат из платы, что не очень хорошо. Небольшое пояснение — для переключения обмоток статора нужно знать угол поворота ротора — датчики холла нахотятся вблизи ротора и срабатывают(или выключаются) при изменении направления магнитного поля. Это самые распостраненные датчики. Статор набран из стальных пластин, вообще в его конструкции нет ничего необычного. Ротор точеный, с наклеенным на него магнитным кольцом, которое выкрашено черной краской.

А это уже фото FL57BLS04, здесь датчики холла находятся в пластиковой обойме и на роторе для них сделано отдельное магнитное кольцо, что лучше ) Передний подшипник на роторе больше заднего, и это тоже правильно. Магнит ротора набран из 4 штук, унификация однако. Например в младшей модели FL57BLS01 на роторе будет только 1 такой магнит.

Теперь неплохо бы разместить фото коллекторного двигателя для сравнения, но оказалось довольно сложно найти небольшой качественный коллекторный двигатель с подшипниками. Дорогую экзотику от Maxon motor я не рассматривал. Правда есть советские двигатели типа ДПР и ДПМ, но они давно не выпускаются и закладывать их в новые конструкции нежелательно. Хотя потом наверное размещу фотографию его устройства.

Главные достоинства бесколлекторного двигателя, которые и определяют применение — долговечность, высокие динамические характеристики, высокая мощность и крутящий момент при небольших габаритах.
Недостаток один и самый главный — цена связки двигатель+блок управления+блок питания.
В тех случаях, когда не нужна долговечность — лучше использовать коллекторные двигатели, что и делают производители электроинструмента, и совершенно правы. В стационарном оборудовании, где не важны габариты и динамические характеристики лучше использовать асинхронные двигатели. Но в диапазоне малых мощностей асинхронные двигатели существенно крупнее бесколлекторных, вот почему для привода мешалки я остановился на бесколлекторнике.
Наиболее известная область, где бесколлекторные двигатели вне конкуренции — авиамоделизм.

Какими бывают бесколлекторные двигатели:
— бездатчиковые, с датчиками холла, с энкодером.
 На самом деле для работы двигателя всё равно нужно как-либо определять положение ротора и бездатчиковые двигатели не совсем бездатчиковые — положение ротора определяется по напряжениям в обмотках(противоЭДС), возникающих при вращении ротора и зависящих от его скорости и положения. Главная проблема — раскрутить ротор, стабильно определять положение таким методом можно только на высокой скорости. Про высокие динамические характеристики при таком управление можно забыть. Плюс такого решения — уменьшение цены. Именно такие двигатели используются в авиамоделизме, в шпинделе жестких дисков, в вентиляторах.
Датчики Холла устанавливаются на двигатели, от которых требуется уверенный старт, возможность работать на небольших оборотах и высокий момент с начала движения, но к точности положения ротора требования невысоки. Такие двигатели можно найти в капстанах видеомагнитофонов, в сидиромах, в транспортных средствах.
И наконец по энкодеру положение ротора определяют, когда важна точность разгона, позиционирования и торможения. Это сервоприводы станков. Энкодер в простейшем виде можно увидеть в старой мышке с шариком. Диск с множеством прорезей и оптопара дают несколько десятков срабатываний за один оборот. Промышленные энкодеры выполняются с высокой точностью, поэтому стоят дорого. Точность нужна для расчета ускорений привода, к электронике также высокие требования.
-Инраннеры и аутраннеры. Термины пришли из моделизма. Инраннер — цилиндрический ротор находится внтри двигателя(как на фотографях выше). Аутраннер — ротор в виде чашки вращается снаружи, а внутри расположен статор с обмотками. Аутраннеры имеют больше момент, но несколько меньшую мощность. Практически все промышленные двигатели — инраннеры, я знаю только линейку аутраннеров от Japan Servo. Но в моделизме аутраннеры распространены.
Кстати шаговые двигатели — это разновидность бесколлекторных двигателей, но с очень большим числом полюсов. Поэтому они имеют больше момент, но меньшую мощность. Бесколлекторый двигатель также можно использовать как шаговый, но шаг будет значительно больше, а момент удержания значительно меньше. Если же шаговый двигатель оснастить энкодером — можно значительно улучшить его динамические характеристики, получится дешевая альтернатива серводвигателям.

О контроллерах бесколлекторных двигателей и их схемотехнике я написал в следующей записи.

Управление бесколлекторным двигателем постоянного тока, принцип работы

Бесколлекторные двигатели применяются в самых разных областях, так как это надежные, долговечные и стойкие к поломкам агрегаты. В быту чаще всего используется двигатель постоянного тока на 12 вольт, но бывают модели с большей мощностью.

Преимущества бесколлекторного двигателя

По сравнению со своими коллекторными «собратьями» бесколлекторные механизмы обладают некоторыми преимуществами:

• Компактность и небольшой вес. Двигатели можно установить на маленькие устройства.
• Очень высокий КПД. Их использование выгодно.
• Отсутствие контактов переключения и крутящего момента. Поскольку функции постоянных магнитов выполняют транзисторы МОП, источники потерь отсутствуют.
• Отсутствие стирающихся и ломающихся элементов.
• Широкий диапазон изменения скорости вращения.
• Способность переносить большую нагрузку по моменту.

Бесколлекторный двигатель оснащается электронным блоком управления, который стоит достаточно дорого – это, пожалуй, единственный его недостаток.

Как работает бесколлекторный двигатель постоянного тока

Принцип работы бесколлекторного двигателя постоянного тока тот же, что и у агрегатов других моделей. Но, как видно из названия, основная особенность механизма – отсутствие коллектора (этот узел сложен, тяжел, требует обслуживания и может искрить). Роль ротора выполняет шпиндель, вокруг которого установлены проволочные обмотки с разными магнитными полями. Количество прямоугольных магнитов, установленных у ротора, может быть разным, но обязательно четным (как и число полюсов). В случае если несколько магнитов составляют один полюс, число полюсов меньше числа магнитов.

Вращение достигается благодаря смене направления магнитного поля в определенной последовательности. Взаимодействуя с магнитными полями ротора, постоянные магниты приводят статор в движение. От их мощности зависит момент силы.

Управление бесколлекторным двигателем постоянного тока

В двигателях подобного типа управление коммутацией осуществляется с помощью электроники. Регуляторы хода бывают двух видов:

• Без датчиков, используемые при отсутствии существенного изменения пускового момента или необходимости в управлении позиционированием (в вентиляторе). Широкое распространение этого вида регуляторов объясняется простотой их изготовления.
• С датчиками, устанавливаемые в агрегатах с существенным варьированием пускового момента (в низкооборотистых механизмах).

Положение ротора при подаче токовых сил на обмотки определяется электронной системой и датчиком положения. Наиболее распространены следующие типы датчиков:

• Датчик Холла. Этот узел изменяет свои выводы при переключении обмоток. Для измерения тока и частоты вращения применяется устройство с разомкнутым контуром. К датчику присоединяются три ввода. При изменении показаний запускается переработка прерывания. Если нужно обеспечить быстрое реагирование обработки прерывания, датчик следует подключить к младшим выводам порта.
• Датчик положения с микроконтроллером. Управление бесколлекторным двигателем постоянного тока осуществляется с помощью AVR ядра (чипа для выполнения тех или иных задач). Программа, вшитая в плату AVR, максимально быстро запускает двигатель при отсутствии дополнительных внешних приборов и управляет скоростью.
• Система arduino. Эта аппаратная вычислительная платформа представляет собой плату, состоящую из микроконтроллера Atmel AVR и элементарной обвязки программирования. Ее задача – конвертирование сигналов с одного уровня на другой. Нужную программу можно установить через USB.

Для устранения погрешностей в определении положении ротора, провода при подключении контроллера делают максимально короткими (12-16 см). Среди программных настроек контроллеров можно перечислить:

• смену направления;
• плавное выключение и торможение;
• ограничение тока;
• опережение КПД и мощности;
• жесткое/плавное выключение;
• быстрый/жесткий/мягкий старт;
• режим газа.

Некоторые модели контроллеров содержат драйвера двигателя, что дает возможность его запуска напрямую, без установки дополнительных драйверов.

Управление бесколлекторным двигателем, связь по Bluetooth и новое поколение транзисторов в одном проекте от Texas Instruments

Интерес потребителей к различным беспроводным решениям как никогда высок. Возможность подключения к информационным сетям и облачным серверам появляется даже у тех устройств, которые раньше слабо ассоциировались с беспроводными технологиями (счетчики, электроинструменты, бытовые приборы и т.д.). Одним из наиболее популярных беспроводных интерфейсов является Bluetooth. Интеграция Bluetooth может существенно увеличить габариты, стоимость и сложность устройств. Однако современные интегральные решения помогают решить эти проблемы.

Постоянное расширение функционала характерно не только для смартфонов. Аналогичные тенденции проявляются в сегменте бытовых приборов и электроинструментов: дрели, циркулярные пилы, шлифовальные машины, пылесосы, садовое оборудование (например, газонокосилки).

Так же, как в сегменте портативных мобильных устройств, разработчикам электроинструментов приходится как следует потрудиться, чтобы расширить функционал и обеспечить уменьшение массо-габаритных показателей. В свое время большим шагом вперед стал отказ от сетевого шнура и переход на питание от батареи. Необходимость экономии заряда аккумуляторов привела к тому, что вместо традиционных щеточных электродвигателей стали использовать бесколлекторные двигатели (BLDC), даже несмотря на то, что BLDC требуют более сложного алгоритма управления и дополнительных датчиков и драйверов.

С точки зрения компоновки деталей и составляющих современный электроинструмент с бесколлекторным двигателем представляет собой настоящее техническое чудо (рис. 1). В нем оптимально используется все свободное пространство внутри корпуса. Но ручные инструменты следующего поколения задирают планку еще выше. В них добавляется поддержка беспроводной связи, причем речь идет не только о профессиональных приборах, но и о бытовых электроинструментах.

Рис. 1. Даже без добавления BLE-модуля в корпусе электроинструмента едва хватало свободного места, чтобы разместить контроллер BLDC-двигателя (он находится в ручке)

Почему беспроводной?

Для профессиональных строителей беспроводная связь с инструментом дает широкий спектр новых возможностей, таких как аутентификация, отслеживание местоположения, интеллектуальное управление, создание отчетов об ошибках, информирование о состоянии батареи или общем времени работы. Также может быть реализована защита от кражи: если кто-то попытается вынести инструмент за пределы строящегося объекта, то аккумулятор будет автоматически отключен.

Новый функционал пригодится и в быту. Например, если требуется отыскать и вернуть газонокосилку, «одолженную» соседом, можно воспользоваться функцией отключения аккумулятора. При этом сосед получит соответствующее оповещение на смартфон, а владельцу и не придется рушить добрососедские отношения способом, изображенным на рис. 2.

Рис. 2. Поддержка беспроводной связи помогла определить местонахождение газонокосилки. Однако Уолтер понял, что добавление огнемета было излишним

Самым простым способом реализации беспроводной связи является установка модуля Bluetooth Low Energy (BLE), который можно разместить либо внутри существующего корпуса, либо прикрепить снаружи.

Типовая блок-схема электроприбора с поддержкой беспроводного интерфейса связи включает в себя два микроконтроллера (МК): один для управления бесколлекторным BLDC-двигателем, а другой для беспроводной связи Bluetooth.

Для такого разделения есть веские причины. Дело в том, что для реализации беспроводной связи и для управления BLDC-двигателем требуются абсолютно разные периферийные блоки и функции. Для управления BLDC-двигателем микроконтроллер должен иметь «на борту» высокоскоростные таймеры с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с заданным быстродействием, универсальные порты ввода-вывода (GPIO) с поддержкой прерываний, проводные коммуникационные интерфейсы. Для беспроводной связи микроконтроллеру потребуется ВЧ-передатчик, высокочастотный генератор, схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и модем.

При работе с бесколлекторным двигателем приходится иметь дело с большими напряжениями и токами, а также с сигналами с крутыми фронтами и срезами. Они могут генерировать значительные электромагнитные помехи, тем самым создавая проблемы для чувствительных аналоговых схем и ВЧ-блоков. При использовании двух отдельных микроконтроллеров разводка печатной платы упрощается, так как в таком случае гораздо легче разделить землю между сильноточными и слаботочными частями схемы и защитить питание ВЧ-блоков от шума.

На бумаге все выглядит хорошо. Однако разработчики должны добиться того, чтобы конечное устройство обладало не только отличной эффективностью, но и имело адекватную стоимость и компактные габариты. Какие шаги следует предпринять для достижения этих целей?

Объединение разных функций в одном микроконтроллере

Разделение беспроводных и BLDC-функций между отдельными микроконтроллерами является проверенным решением, но все же лучших результатов можно добиться, если объединить все функции в одном микроконтроллере (рис. 3). Такой подход позволяет уменьшить габариты, снизить потребление и сократить стоимость. Разумеется, выбранный микроконтроллер должен иметь соответствующие периферийные блоки, обладать необходимой вычислительной мощностью и достаточным объемом памяти для управления BLDC-двигателем и поддержки беспроводной связи.

Рис. 3. Объединение функционала двух микроконтроллеров (a) в одном (b) позволяет уменьшить габариты, снизить потребление и сократить стоимость

Микроконтроллеры SimpleLink от Texas Instruments объединяют процессорные ядра Cortex-M с различными проводными и беспроводными интерфейсами, в том числе Ethernet, CAN, USB, sub-1-GHz (субгигагерцовые радиоканалы и интерфейсы), Wi-Fi, Zigbee и Bluetooth.

Например, микроконтроллер CC2640R2F хорошо подходит для создания ручных электроинструментов с ограниченным пространством для размещения электроники (рис. 4). CC2640R2F обеспечивает минимальное потребление и компактные габариты. Особенностями данного микроконтроллера являются:

• Основное вычислительное ядро: 32-битный процессор с ядром ARM Cortex-M3 с рабочей частотой 48 МГц, флэш-память 128 КБ, 20 КБ ОЗУ, JTAG-интерфейс для программирования и отладки.
• Беспроводная связь: ВЧ-модуль CC2640R2F обеспечивает поддержку Bluetooth 4.2 и Bluetooth 5. Он включает в себя вспомогательный сопроцессор с ядром ARM Cortex-M0 с выделенной оперативной памятью, ПЗУ, контроллер Bluetooth и библиотеки хостов.
• Периферийные устройства: GPIO, таймеры, сторожевой таймер и блок шифрования AES. CC2640R2F также оснащен уникальным малопотребляющим контроллером датчиков, который может самостоятельно собирать аналоговые и цифровые данные от внешних сенсоров, в то время как остальные блоки микроконтроллера будут находиться в спящем режиме.
• Режимы пониженного потребления: C2640R2F отличается сверхнизким потреблением. Например, потребление основного процессорного ядра Cortex-M3 составляет 61 мкА/ МГц, а радиопередатчик в режиме передачи Tx потребляет 9,1 мА при уровне мощности + 5 дБм. В режиме ожидания контроллер потребляет 1,1 мкА, а в выключенном состоянии около 100 нА, что гарантирует длительный срок службы батарей.

Рис. 4. Микроконтроллер C2640R2F обеспечивает беспроводную связь BLE и управление бесколлекторным двигателем

Микроконтроллер C2640R2F способен одновременно обеспечивать беспроводную связь BLE и управлять бесколлекторным двигателем. Чтобы убедиться в этом, достаточно ознакомится с референсной платой TIDA-01516 и прилагаемым программным обеспечением, которое можно скачать с сайта Texas Instruments. В состав ПО входит интегрированная среда разработки Code Composer Studio (CCS) v7.2, платформа RF SmartRF Studio для Windows и файлы конфигурации для периферийных устройств.

Специализированный драйвер упрощает работу с BLDC-двигателем и сокращает количество компонентов

Разработчики уделяют много времени созданию схемы питания и управления BLDC-двигателем. Бесколлекторные двигатели оказываются гораздо эффективнее, чем щеточные двигатели постоянного тока, но для них требуется сложная схема управления (рис. 5). В самых простых случаях для работы с щеточным двигателем потребуется всего один драйвер и один силовой транзистор. При работе с BLDC необходим полноценный трехфазный мост с шестью транзисторами.

Рис. 5. Схема управления щеточным двигателем оказывается намного проще, чем схема управления бесколлекторным BLDC-двигателем

Кроме управляющего микроконтроллера для работы с бесколлекторным двигателем потребуется:

• Трехфазный силовой каскад с заданной мощностью
• Драйверы для управления МОП-транзисторами
• Датчик положения для выполнения точной коммутации фаз двигателя

Обычно для создания трехфазного моста используют шесть силовых транзисторов, каждый со своим драйвером и цепями защиты.

Специализированный интегральный драйвер, объединяющий несколько функций, позволяет уменьшить размер, стоимость и сложность системы управления. DRV8323, например, может управлять тремя независимыми полумостовыми схемами, состоящими из полевых N-канальных транзисторов. В состав DRV8323 входит шесть драйверов (три для транзисторов верхнего плеча и три для транзисторов нижнего плеча), линейный стабилизатор и повышающий регулятор для формирования управляющих напряжений. DRV8323 также включает три датчика тока и дополнительный понижающий преобразователь с выходным током до 600 мА.

Управляющий контроллер может настраивать различные параметры драйвера и выполнять диагностику с помощью обычного SPI-интерфейса. Кроме того, в качестве альтернативы, для настройки параметров драйвера могут использоваться внешние резисторы.

DRV8323 имеет четыре различных режима ШИМ-управления. Простейший режим 1xPWM позволяет контроллеру управлять трехфазным BLDC-двигателем с помощью одного входного ШИМ-сигнала. При этом коммутация обмоток двигателя производится в соответствии с таблицей, хранящейся в драйвере DRV83823. Управляющий ШИМ-сигнал, поступающий от контроллера, задает частоту и коэффициент заполнения при коммутации полумостов. С помощью портов ввода-вывода можно формировать дополнительные сигналы управления, например, для остановки двигателя. Для получения дополнительной информации по DRV8323 следует обратиться к документации, доступной на сайте производителя.

Решаем проблему генерации и отвода тепла

Поиск свободного места для размещения шести силовых транзисторов в корпусе современного электроинструмента может оказаться настоящей проблемой даже для самого опытного инженера. Задача дополнительно усложняется тем, что обычно транзисторы выпускаются в громоздких корпусных исполнениях, таких, например, как TO-220, DPAK или D2PAK. Отвод тепла также становится головной болью для разработчиков. По этой причине выбор силовых ключей с минимальным уровнем потерь и оптимальным корпусом является одной из основных задач при создании электроинструментов.

В процессе развития МОП-транзисторов потери мощности постоянно сокращались, в том числе: статические потери проводимости, динамические потери при коммутации, потери на встроенном диоде. Потери проводимости определяются сопротивлением открытого канала RDS (ON), а другие виды потерь связаны с внутренними паразитными емкостями силового ключа.

NexFET – это MOSFET-технология третьего поколения от Texas Instruments, которая обеспечивает низкое сопротивление канала RDS(ON) и уменьшает паразитные емкости примерно на 50% по сравнению с современными транзисторами, созданными по технологии TrenchFET. Снижение емкости позволяет увеличить рабочую частоту и уменьшить потери при переключении.

Кристалл является важной, но не единственной частью транзистора. Паразитные параметры корпуса (индуктивность и емкость) также играют большую роль и ограничивают максимальную рабочую частоту силового ключа. Мультикристальные модули (MCM) уменьшают паразитные составляющие за счет установки нескольких кристаллов в одном корпусе. Первоначально проектировщики были ограничены двумя измерениями, но новые корпуса допускают трехмерное многослойное размещение кристаллов.

Трехмерная упаковка обеспечивает улучшение электрических и тепловых характеристик. Вертикальное протекание тока в NexFET делает его идеальным для создания полумостовых схем, так как в этом случае исток транзистора верхнего плеча оказывается непосредственно над стоком транзистора нижнего плеча. Такой подход практически исключает переходное сопротивление и паразитную индуктивность между силовыми ключами и позволяет использовать повышенные частоты коммутации. Кроме того, исток транзистора нижнего плеча может размещаться непосредственно на массивной открытой площадке корпуса, что позволит обеспечить высокоэффективную передачу тепла.

Внутри корпуса подключение контактов кристалла производится не с помощью традиционной технологии «wire-bond» (отдельными тонкими проводами), а с помощью прижимной технологии, использующей сплошные медные мосты. Это существенно снижает сопротивление канала RDS (ON) и потери проводимости, а также обеспечивает отличные тепловые характеристики.

Силовой полумостовой блок CSD88584Q5DC NexFET с рабочим напряжением 40 В оптимизирован для работы с мощными двигателями постоянного тока в электроинструментах. CSD88584Q5DC использует описанную выше трехмерную технологию упаковки кристаллов и поставляется в корпусном исполнении DualCool размером 5 × 6 мм с открытой металлической площадкой наверху. Этот корпус позволяет отводить тепло как через печатную плату, так и через расположенный сверху радиатор, что обеспечивает отличные тепловые характеристики.

При входном напряжении 24 В и максимальной температуре перехода TJ = 125 °C потери мощности CSD88584Q5DC составляют всего 3,5 Вт при коммутации тока 35 A на частоте 20 кГц. В документации на эту силовую сборку рассматриваются вопросы, связанные с безопасной рабочей SOA, а также разбирается подробный пример использования CSD88584Q5DC в составе силового устройства.

Референсная плата со схемой управления BLDC-двигателем и поддержкой BLE

Референсная плата TIDA-01516 представляет собой готовое решение, объединяющее все рассмотренные выше компоненты (рис. 6). По сути TIDA-01516 является компактным (70 × 45 мм) безрадиаторным приводом для BLDC-двигателя мощностью 600 Вт со среднеквадратичным непрерывным током до 27 A. Устройство также включает схему защиты от перегрузки по току, которая выполняет мониторинг напряжения сток-исток силовых транзисторов.

Рис. 6. Референсная схема TIDA-01516 представляет собой компактный привод BLDC-двигателя мощностью 600 Вт

Микроконтроллер СC2640R2F используется для обеспечения беспроводной связи BLE и выполнения алгоритма управления BLDC-двигателем. Драйвер DRV8323 и три силовых блока CSD88584Q5DC реализуют трапецеидальное управление бесколлекторным двигателем. Устройство работает с напряжением питания 6…21,6 В. Это объясняется тем, что обычные ручные электроинструменты, как правило, используют сборки литий-ионных батарей с напряжением 18 В.

Схема также содержит датчик температуры LMT87-Q1 для измерения температуры печатной платы и диодную сборку TPD1E10B06 для защиты от статики. Линейный регулятор TPS709 с выходным током до 150 мА преобразует входное напряжение 18 В до 3,3 В для питания микроконтроллера.

Устройство демонстрирует чувствительность BLE RX -96 дБм даже в момент, когда работает двигатель. Полные результаты испытаний можно найти в руководстве TIDA-01516.

Заключение

Добавление беспроводной связи приводит к необходимости использования высокоинтегрированных микросхем и компонентов, позволяющих обеспечить компактные размеры, низкое потребление и минимальную стоимость. Еще более сложной проблемой становится решение задачи по снижению уровня потерь и улучшению качества теплоотвода. Обеспечение низкого перегрева является важным фактором как с точки зрения комфорта потребителя, так и с точки зрения увеличения срока службы аккумуляторов.

Чтобы решить перечисленные проблемы, Texas Instruments предлагает ряд передовых технологий: беспроводные микроконтроллеры, интеллектуальные драйверы, силовые MOSFET третьего поколения. Референсная плата TIDA-01516 демонстрирует эти технологии в действии.

Блок управления вентильными двигателями BLSD-50

Блок управления BLSD-50 предназначен для управления трехфазными бесколлекторными двигателями с датчиками Холла (вентильными двиателями). Блоки управляют скоростью, направлением и активным торможением двигателей. Управление блоком BLSD-50 может осуществляться в ручном режиме и в режиме управления по шине RS-485.

Скорость, ускорение и время торможения регулируются внешним потенциометром на корпусе контроллера. Скорость также можно устанавливать с помощью аналогового сигнала 0-5В или внешнего потенциометра.

Изменение направления, пуск и остановка осуществляются нажатием кнопки или внешним сигналом.

Контроллер BLSD-50 оснащен цифровым счетчиком,что позволяет узнать текущее положение вала бесколлекторноо двигателя.

Условия эксплуатации блока:

• температура окружающего воздуха – (-25…+50)ºС
• относительная влажность воздуха до 90%
• атмосферное давление (650…800)мм. рт. ст.

Особенности устройства:

• Управление скоростью вращение с помощью ШИМ.
• Плавное ускорение и торможение двигателя задается пользователем.
• Аналоговый датчик скорости, как встроенный, так и внешний.
• Входы сигналов направления, тормоза,  разрешения.
• Автоматическая синхронизация при старте с вращающимся двигателем.

Управление по интерфейсу RS-485:

• Пуск и остановка
• Установка направления
• Регулирование скорости
• Реулирование торможения
• Опрос состояния (стабилизация, текущее направление и скорость, состояние счетчика энкодера

Управление скоростью:

• аналоговый вход
  — напряжение: 0 — 5В
  — сопротивление: 5 кОм
• встроенным потенциометром

Управление направлением:

• Направление вращения в момент запуска зависит от положения переключателя «Reverse». В ходе работы направление вращения меняется сигналом «Reverse» — типа сухой контакт.
• Для управления ускорением и торможением двигателя предназначен потенциометр «ACCEL». Для резкого торможения  предназначена кнопка «BRAKE».