ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA 28260620102004 NÁVRH A REALIZÁCIA RIADENIA POHONU S BLDC MOTOROM V 4Q REŽIME 2010 Bc. Zdeno Biel

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA NÁVRH A REALIZÁCIA RIADENIA POHONU S BLDC MOTOROM V 4Q REŽIME DIPLOMOVÁ PRÁCA Študijný program: 2675836 Výkonové elektronické systémy Študijný odbor: 5.2.9 Elektrotechnika Školiace pracovisko: Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra mechatroniky a elektroniky Školiteľ: Ing. Vladimír Vavruš, PhD. 2010 Bc. Zdeno Biel

Abstrakt Práca rieši návrh meniča pre pohon BLDC motora s možnosťou rekuperácie. V prvej časti práce sú popísané vlastnosti pohonov s jednosmernými motormi, ich výhody a nevýhody, a stručný prehľad používaných meničov pre ich riadenie. Ďalej je v práci popísaný BLDC motor, jeho vlastnosti, rôzne typy BLDC motorov, princíp komutácie, riadenie otáčok pomocou PWM. Ďalšia časť práce sa zaoberá návrhom meniča pre riadenie daného BLDC motora. Popisuje návrh výkonovej časti meniča, budiacich obvodov, obvodov pre snímanie napätí a prúdov, napájacieho zdroja pre tieto obvody. V poslednej časti práce je popísaný návrh DC/DC meniča pre riadenie toku energie medzi pohonom a napájacím akumulátorom. Rieši sa tu návrh výkonovej časti tohto meniča a návrh štruktúry regulačného obvodu. Pre daný menič je zostavený simulačný model, pomocou ktorého je overená funkčnosť zvolenej riadiacej štruktúry pre rôzne prevádzkové stavy pohonu.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY ANOTAČNÝ ZÁZNAM DIPLOMOVÁ PRÁCA Meno a priezvisko: Bc. Zdeno Biel Akademický rok: 2009/2010 Názov práce: Návrh a realizácia riadenia pohonu s BLDC motorom v 4Q režime Počet strán: 41. Počet obrázkov: 40 Počet tabuliek: 2 Počet grafov: 0 Počet príloh: 7 Počet použ. lit.: 10 Anotácia v slovenskom jazyku: Táto práca sa zaoberá návrhom meniča pre riadenie BLDC motora s možnosťou rekuperačného brzdenia. V práci je tiež popísaný návrh obojsmerného DC/DC meniča pre riadenie toku energie medzi motorom a akumulátorom. Anotácia v anglickom jazyku: This work deals with design of converter for BLDC motor with the possibility of regenerative braking. Work also describe design of bidirectional DC/DC converter to control the flow of energy between motor and battery. Kľúčové slová: BLDC motor, DC/DC menič, rekuperačné brzdenie, 3-fázový striedač Vedúci diplomovej práce: Ing. Vladimír Vavruš, PhD. Recenzent: Dátum odovzdania práce: 7. máj 2010

Obsah 1 Úvod... 1 2 Vlastnosti pohonov s jednosmernými motormi... 2 3 Štruktúry meničov pre jednosmerné pohony... 3 3.1 Meniče so sieťovou komutáciou:... 3 3.2 Meniče s nútenou komutáciou... 4 3.3 Meniče pre štvorkvadrantové aplikácie... 5 4 BLDC motor... 7 4.1 Konštrukcia BLDC motora... 8 4.2 Komutácia BLDC motora... 10 4.3 Princíp komutácie s použitím Hallových snímačov... 11 4.4 Riadenie otáčok BLDC motora pomocou PWM... 15 5 Návrh meniča pre pohon BLDC motora... 17 5.1 Požadované vlastnosti meniča... 17 5.2 Výkonová časť meniča... 18 5.3 Budiaci obvod... 19 5.4 Obvody snímania prúdu a napätia... 25 5.5 Ochranné funkcie budiča... 26 5.6 Obvod napájacieho zdroja... 28 5.7 Riadiaci obvod... 29 6 Návrh obojsmerného DC/DC meniča... 30 6.1 Výkonová časť meniča... 31 6.2 Návrh cievky meniča... 32 6.3 Návrh riadenia obojsmerného DC/DC meniča... 35 6.4 Návrh schémy zapojenia obojsmerného DC/DC meniča... 39 7 Záver... 41

Zoznam obrázkov a tabuliek Obr. 3.1: Typy usmerňovačov a priebehy výstupných napätí... 4 Obr. 3.2: Jednosmerný impulzový menič pre pohon JSM... 5 Obr. 3.3: Mechanické charakteristiky jednosmerného motora s cudzím budením... 5 Obr. 3.4: Štvorkvadrantový pohon s riadenými usmerňovačmi... 6 Obr. 3.5: Intervaly činnosti štvorkvadrantového meniča... 6 Obr. 4.1: Valcový typ BLDC motora... 8 Obr.4.2: Diskový motor s vnútorným rotorom... 9 Obr. 4.3: Diskový motor s vonkajším rotorom... 9 Obr. 4.4: Možnosti usporiadania permanentných magnetov na rotore... 10 Obr. 4.5:Bloková schéma riadenia BLDC motora... 12 Obr. 4.6: Rozloženie vektorov magnetického poľa statora... 12 Obr. 4.7: Princíp komutácie BLDC motora... 13 Obr. 4.8: Priebehy napätí, prúdov a signálov z Hallovych snímačov BLDC motora... 14 Obr. 4.9: Smery prúdov pri unipolárnej PWM... 15 Obr. 4.10: Priebehy PWM signálov a fázových prúdov... 15 Obr. 4.11: Smery prúdov pri bipolárnej PWM... 17 Obr. 4.12: Priebehy PWM signálov a fázových prúdov... 17 Obr. 4.13: Priebehy PWM signálov pri nezávislom spínaní... 17 Obr. 4.14: Priebehy PWM signálov pri komplementárnom spínaní... 17 Obr. 5.1: Schéma zapojenia výkonovej časti meniča... 19 Obr. 5.2: Principiálna schéma aplikácie budiaceho obvodu... 21 Obr. 5.3: Princíp činnosti budiča horných tranzistorov... 22 Obr. 5.4: Schéma zapojenia budiaceho obvodu... 23 Obr. 5.5: Priebehy napätí a prúdov tranzistora pri vypínaní... 24 Obr. 5.6: Priebehy napätí a prúdov tranzistora pri zapínaní... 24 Obr. 5.7: Schéma zapojenia obvodu merania prúdu... 25 Obr. 5.8: Schéma zapojenia nadprúdovej ochrany... 27 Obr. 5.9: Priebehy signálov pri detekcí desaturácie... 27 Obr. 5.10: Priebehy veličín fázového komparátora... 28 Obr. 5.11: Schéma zapojenia obvodu napájacieho zdroja... 28 Obr. 5.12: Bloková schéma regulácie BLDC motora... 30 Obr. 6.1: Obojsmerný DC/DC menič v znižovacom režime... 31 Obr. 6.2: Obojsmerný DC/DC menič vo zvyšovacom režime... 32 Obr. 6.3: Bloková schéma riadenia obojsmerného DC/DC meniča... 36 Obr. 6.4:Priebehy veličín DC/DC meniča... 37 Obr. 6.5: Príklad zmeny zaťažovacieho momentu pri zmene sklonu terénu... 38 Obr. 6.6: Priebehy veličín pri nabíjaní akumulátora na maximálne napätie... 38 Obr. 6.7: Schéma zapojenia výkonovej časti obojsmerného DC/DC meniča... 39 Obr. 6.8: Obvod snímania prúdov... 39 Obr. 6.9: Schéma zapojenia budiacich obvodov DC/DC meniča... 40 Tab. 4.1: Kombinácie signálov pre rotáciu v smere hodinových ručičiek... 14 Tab. 4.2: Kombinácie signálov pre rotáciu v protismere hodinových ručičiek... 14

Zoznam skratiek Skratka Anglický význam Slovenský význam BLDCM Brushless Direct Current motor Bezkomutátorový jednosmerný motor PWM Pulse width modulation Šírkovo impulzová modulácia JSMCB Jednosmerný motor s cudzím budením EC Electronically commutated Elektronicky komutovaný DC Direct current Jednosmerný prúd MOSFET IGBT OZ SMD Metal oxide semiconductor field effect transistor Insulated gate bipolar transistor Surface mount devices Tranzistor riadený poľom Bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom Operačný zosilňovač Súčiastky pre povrchovú montáž A/D Analog to digital Analógovo číslicový DSC Digital sgnal controller Digitálny signálový kontrolér

Zoznam symbolov Symbol Jednotka Význam symbolu M e [Nm] Elektromagnetický moment ω [rad s -1 ] Uhlová rýchlosť Ψ S [Wb] Spriahnutý magnetický tok statora Q g [C] Náboj hradla U f [V] Napätie na dióde v priepustnom smere R DSon [Ω] Odpor kanála MOSFET tranzistora v zopnutom stave I D [A] Prúd MOSFET tranzistora A [-] Zosilnenie operačného zosilňovača U DCB [V] Napätie jednosmerného medziobvodu δ [-] Činiteľ plnenia U O [V] Výstupné napätie meniča U 1 [V] Vstupné napätie meniča f [Hz] Spínacia frekvencia I [A] Zvlnenie napätia I O [A] Výstupný prúd T [s] Perióda L [H] Indukčnosť I ef [A] Efektívna hodnota prúdu S Cu [m 2 ] Prierez drôtu σ [A/m 2 ] Prúdová hustota B S [T] Indukcia nasýtenia N [-] Počet závitov S e [m 2 ] Efektívny prierez jadra a v [-] Činiteľ vinutia S V [m 2 ] Plocha okna pre vinutie V e [m 3 ] Efektívny objem jadra L e [m] Efektívna dĺžka siločiary µ 0 [H m -1 ] Permeabilita vákua µ e [H m -1 ] Efektívna permeabilita

1 Úvod Bezkomutátorové jednosmerné motory (BLDC motory) v mnohých aplikáciách nahrádzajú klasické jednosmerné motory. Hlavným dôvodom je to, že pri zachovaní výhodných vlastností klasických jednosmerných motorov odstraňujú ich nedostatky. BLDC motory pre svoje výhodné vlastnosti bývajú často používané aj pre pohon rôznych dopravných prostriedkov napr. elektromobily, bicykle, motocykle atď. Takéto dopravné prostriedky sa stávajú dnes veľmi populárne. Dôvodom je jednoduchá prevádzka a údržba, nízke prevádzkové náklady, a nezaťažujú životné prostredie emisiami. Táto diplomová práca sa zaoberá návrhom meniča s možnosťou rekuperácie pre pohon kolobežky využívajúci práve BLDC motor. Tento motor je umiestnený priamo v kolese, čím dochádza k úspore miesta, zníženiu mechanických strát a hmotnosti. V práci je tiež riešený návrh DC/DC meniča pre riadenie nabíjacieho prúdu pri rekuperácií. 1

2 Vlastnosti pohonov s jednosmernými motormi Pohony s jednosmernými motormi dosahujú veľmi dobé regulačné vlastnosti, ktoré vyplývajú z princípu činnosti jednosmerných strojov. Jednosmerný motor svojou konštrukciou zabezpečuje optimálny uhol medzi vektormi magnetického poľa statora a rotora, a tým maximálny moment v širokom rozsahu otáčok a dobré vlastnosti v dynamických režimoch. V jednosmerných pohonoch bývajú najčastejšie používané jednosmerné motory s cudzím budením. U pohonov menších výkonov to môžu byť tiež motory s permanentnými magnetmi. Otáčky takéhoto motora sú priamo úmerné napätiu kotvy a moment je priamo úmerný prúdu kotvy. Z toho vyplýva možnosť jednoduchého riadenia otáčok (resp. momentu) v širokom rozsahu a jednoduchá reverzácia. U cudzobudených motorov je tiež možné ďalšie zvyšovanie otáčok odbudzovaním. Ďalšou výhodou je relatívne jednoduchý matematický opis jednosmerného motora. Hlavné nevýhody jednosmerného motora vyplývajú z použitia komutátora, ktorý podlieha mechanickému opotrebeniu, a tým znižuje spoľahlivosť a zvyšuje náklady na údržbu stroja. Zmena prúdu pri komutácií spôsobuje iskrenie na komutátore, čím tiež dochádza k opotrebovávaniu lamiel komutátora a kief, a taktiež ku vzniku elektromagnetického rušenia. So zvyšovaním otáčok sa dĺžka oblúka zvyšuje. Preto musia byť maximálne otáčky obmedzené. V niektorých aplikáciách môže tiež nastať problém s odvodom tepla, keďže hlavná časť Jouleových strát vzniká v rotore JS motora. Jednosmerné pohony sú vyrábané s výkonmi od jednotiek W až do desiatok MW. V priemysle sú nasadzované v oblastiach, kde sa vyžaduje presná regulácia rýchlosti, polohy alebo momentu, ako sú.: pohony papierenských alebo tlačiarenských strojov pohony dopravných zariadení - pojazd a zdvih žeriavov, lanovky, ťažné stroje, rýchlovýťahy oceliarsky priemysel: pohony valcovacích stolíc, navíjačiek a odvíjačiek, dopravníkov, nožníc, profilovacích strojov apod. vrtné súpravy hlavné pohony rotačných pecí v cementárňach gumárenský priemysel: miešačky gumy, kalandre pohony obrábacích strojov elektrická trakcia: pohony lokomotív, električiek, trolejbusov, elektromobilov dynamometre pre testovanie spaľovacích motorov, turbín, prevodoviek a pod. 2

(Zboray, 2000) 3 Štruktúry meničov pre jednosmerné pohony Z hľadiska usporiadania výkonovej časti možno meniče rozdeliť na dve hlavné skupiny: meniče so sieťovou komutáciou - usmerňovače meniče s vlastnou komutáciou - impulzové (Zboray, 2000) 3.1 Meniče so sieťovou komutáciou: Pohony s týmito meničmi sú používané najmä v priemyselných aplikáciách. Využívajú hlavne mostové zapojenia usmerňovačov, ktoré môžu byť: neriadené - sú to diódové usmerňovače, ktoré neumožňujú riadenie výstupného jednosmerného napätia. Používajú sa väčšinou len pre napájanie budiaceho vinutia v aplikáciách, kde nie je potrebná zmena budiaceho prúdu. (Obr. 3.1.a) poloriadené - využívajú kombináciu diód a tyristorov, a umožňujú zmenu výstupného napätia a tým aj zmenu otáčok motora. (Obr. 3.1.b) riadené - sú zložené z tyristorov, umožňujú dosiahnuť na výstupe aj záporné napätie. Tento typ meniča môže pracovať aj v tzv. striedačovom režime, kedy motor pracuje ako dynamo a energia je dodávaná do napájacej siete. Umožňuje riadenie motora v I. a II. kvadrante mechanickej charakteristiky n=f(m). (Obr. 3.1.c,d) Z hľadiska počtu fáz napájacieho striedavého napätia sa delia na: jednofázové - pre napájania pohonov nižších výkonov (do cca 50A ), alebo napájanie budenia. Vyznačujú sa horšou dynamikou a vyšším zvlnením prúdu. V najnepriaznivejšom prípade môže oneskorenie odozvy na výstupe dosiahnuť až 10ms. (Obr. 3.1.a,b,c) trojfázové - používajú sa aj pre pohony najväčších výkonov. Dosahujú menšie zvlnenie prúdu a lepšiu dynamiku ako dvojfázové. (Obr. 3.1.d) viacfázové - sú to hlavne 12 - impulzové usmerňovače. Sú realizované pomocou dvoch trojfázových mostových usmerňovačov napájaných z dvoch trojfázových sústav navzájom posunutých o 30. Toto posunutie sa dosiahne rôznym zapojením dvoch 3-fázových transformátorov (Y/y, D/y). 3

U d U d U d U d U d U d t t t a.) b.) c.) U d 3 U d t d.) Obr. 3.1: Typy usmerňovačov a priebehy výstupných napätí 3.2 Meniče s nútenou komutáciou Sú to jednosmerné impulzové meniče, ktoré slúžia k riadeniu veľkosti jednosmerného napätia. Stredná hodnota výstupného jednosmerného napätia sa mení zmenou pomeru doby zopnutia a doby vypnutia výkonových polovodičových prvkov meniča. Používajú sa v prípadoch jednosmerných pohonov napájaných zo zdroja js napätia (jednosmerná trakcia, pohony napájané z akumulátorov atd.). Takéto meniče sa nazývajú priame jednosmerné meniče. Jednosmerné impulzové meniče tiež nahrádzajú riadené usmerňovače v aplikáciách, kedy je potrebná vyššia dynamika pohonu. V takomto prípade sú napájané z js medziobvodu (nepriame jednosmerné meniče). Schéma zapojenia takéhoto meniča je na Obr. 3.2. Vstupné striedavé napätie je najskôr usmernené a z neho je ďalej napájaný js menič. Takéto zapojenie má oveľa lepšie dynamické vlastnosti ako riadený usmerňovač. Táto vlastnosť vyplýva z toho, že výkonové tranzistory meniča sú riadené šírkovoimpulzovou moduláciou (PWM) s frekvenciou oveľa vyššou ako je frekvencia sieťového napätia (až do 100 khz). 4

u M i M 3 M t Obr. 3.2: Jednosmerný impulzový menič pre pohon JSM 3.3 Meniče pre štvorkvadrantové aplikácie Štvorkvadrantové (4Q) riadenie umožňuje prevádzkovanie js motora vo všetkých štyroch kvadrantoch mechanickej charakteristiky ω=f(m) (Obr. 3.3). Umožňuje riadenie motora pre oba smery otáčania v motorickom aj generátorickom režime. Meniče pre štvorkvadrantové riadenie (4Q meniče) musia byť schopné pracovať s oboma polaritami výstupného napätia aj prúdu. M e ω M e ω II. ω 0 I. ω Generátor Motor Motor Generátor M e M e III. IV. M e ω -ω 0 ω Obr. 3.3: Mechanické charakteristiky jednosmerného motora s cudzím budením Zo skupiny meničov so sieťovou komutáciou je schopný pracovať v 4Q režime tzv. reverzačný usmerňovač. Je zložený z dvoch riadených usmerňovačov zapojených na jednosmernej strane antiparalelne. Potom môže prúd motora pretekať oboma smermi. Kladný prúd dodáva usmerňovač A a záporný usmerňovač B. Oba meniče môžu pracovať aj v striedačovom režime, čím umožňujú rekuperačné brzdenie pohonu. Schéma zapojenia takéhoto meniča je na Obr. 3.4. 5

A B U A M U B Obr. 3.4: Štvorkvadrantový pohon s riadenými usmerňovačmi V aplikáciách náročnejších na dynamiku pohonu, ako sú polohové servomechanizmy, sa používajú štvorkvadrantové js impulzové meniče. Výkonovú časť takéhoto meniča tvorí mostové zapojenie štyroch výkonových tranzistorov doplnených antiparalelne zapojenou diódou. Tranzistory sú spínané šírkovo impulzovou moduláciou, ktorá môže byť bipolárna alebo unipolárna. Činnosť meniča v jednotlivých kvadrantoch je znázornená na Obr. 3.5. Smer prúdu v aktívnej časti periódy je znázornený plnou čiarou a v pasívnej časti čiarkovanou čiarou. T1 D1 D3 T3 T1 D1 D3 T3 U d T4 D4 M D2 T2 U d T4 D4 M D2 T2 I. Kvadrant Motorový režim II. Kvadrant Generátorový režim T1 D1 D3 T3 T1 D1 D3 T3 U d T4 D4 M D2 T2 U d T4 D4 M D2 T2 III. Kvadrant Motorový režim IV. Kvadrant Generátorový režim Obr. 3.5: Intervaly činnosti štvorkvadrantového meniča Vývoj v oblasti výkonových polovodičových meničov a v oblasti mikroelektroniky priniesol možnosť aplikácie moderných spôsobov riadenia (vektorové riadenie, priame momentové riadenie) striedavých motorov, a tým dosiahnuť vlastnosti jednosmerných pohonov. Navyše striedavé motory (asynchrónny motor, synchrónny motor) nepotrebujú ku svojej činnosti komutátor a preto netrpia nedostatkami s mím spojenými. Z toho dôvodu 6

sú jednosmerné pohony v mnohých prípadoch nahradzované striedavými s príslušným riadením. 4 BLDC motor Jednou z možností náhrady klasického jednosmerného motora je použitie BLDC motora. Názov motora je skratkou z anglického Brushless Direct Current motor (bezkomutátorový jednosmerný motor). Často sa tiež používa názov EC motor (Electronically Commutated Motor - Elektronicky komutovaný motor). Ako už z názvu vyplýva jedná sa o jednosmerný motor, v ktorom je mechanický komutátor nahradený elektronickým obvodom. Prepínanie prúdu do jednotlivých sekcií vinutia sa deje prostredníctvom elektronického obvodu (výkonového polovodičového meniča) doplneného o príslušný riadiaci obvod. Hlavné výhody BLDC motora vyplývajú práve z absencie mechanického komutátora. Vďaka čomu dosahuje: dlhšiu životnosť vyššiu spoľahlivosť vyššie otáčky (rádovo desiatky tisíc ot/min) nižšiu hlučnosť Oblasti použitia BLDC motora sú najmä: letectvo a kozmonautika, tj. letecké prístroje, kamery, antény radarov, pohony kozmických sond, automobilová technika, napr. zlepšenie jazdného komfortu, prestavovanie polohy sedačiek, reflektorov, spätných zrkadiel, systémy aktívnej a pasívnej bezpečnosti v dopravných prostriedkoch, lekárska technika, tj. krvné čerpadlá, dentálne zariadenia, elektrokardiografy, elektroencefalografy, mamografy, ortopedické zariadenia, dávkovače liekov, prístrojová technika, napr. vážiace zariadenia, splietanie vláken vláknovej optiky, geotechnické merania, laserové nivelačné prístroje, polohovanie solárnych kolektorov, priemyslová automatizácia a robotika, hlavne manipulátory a koncové efektory robotov, stroje na osadzovanie plošných spojov, výroba CD-ROM, laserové značkovače, výmenníky nástrojov, stroje pre laserové rezanie a zváranie atd. (Singule, 2009) 7

4.1 Konštrukcia BLDC motora BLDC motor má na rozdiel od klasického DC motora vinutie na statore. Jeho konštrukčné usporiadanie je podobné synchrónnemu motoru s permanentnými magnetmi. Statické a dynamické vlastnosti BLDC motora sú však podobné jednosmernému motoru. Stator motora je zložený z plechov. Tieto plechy bývajú zo špeciálnych zliatin kvôli zníženiu strát v železe pri vysokých otáčkach motora. Na statore je uložené najčastejšie trojfázové vinutie, ktoré môže byť zapojené do hviezdy alebo do trojuholníka. Častejšie býva používané zapojenie do hviezdy, ktoré umožňuje použiť vodiče s menším prierezom. Vinutie motora môže byť rovnomerne rozložené po obvode statora. Potom sa jedná o BLDC motor s homogénnym vinutím (Obr. 4.1). Obr. 4.1: Valcový typ BLDC motora Konštrukčné usporiadanie tohto typu motora je veľmi podobné synchrónnemu motoru s permanentnými magnetmi. Podstatnou vlastnosťou tohto typu BLDC motora je, že motor nemá reluktančný moment. Preto sa vyznačuje plynulým chodom a nezvlneným momentom. Vinutie motora môže byť tiež vyhotovené ako sústredné cievky navinuté na póloch statora. V takomto prípade sa jedná o motor s vinutím na póloch statora. Sú určené pre aplikácie, kde je požadovaný veľký moment v celom rozsahu otáčok. Maximálne otáčky sú však menšie, než u motorov s homogénnym vinutím. Tieto motory sa obvykle konštruujú v plochom prevedení s vnútorným statorom a vonkajším rotorom. Vonkajší rotor týchto motorov je tvorený magnetickým prstencom, zloženým z permanentných magnetov na báze vzácnych zemín (obvykle FeNdB). Jedná sa o mnohopólový magnet. Tieto motory je možné konštruovať s podstatne menšou vzduchovou medzerou, než majú motory s rozloženým vinutím. Pretože navyše elektromagnetická sila vzniká na najväčšom možnom priemere, vyznačujú sa tieto motory typicky väčším momentom, než motory 8

s rozloženým vinutím. Na vnútornom statore je na póloch (zuboch) umiestnené trojfázové vinutie s daným počtom zubov na fázu. Konštrukčné usporiadanie EC motorov s vinutím na póloch statora prináša oproti motorom s homogénnym vinutím lepšie využitie medi vinutia v dôsledku redukcie dĺžky vodičov funkčne neužitočných čiel vinutí. Dôsledkom je až o 20 % vyšší moment pri rovnakom objeme stroja v porovnaní s motorom s homogénnym vinutím. Preto dosahujú tieto motory veľkých hodnôt mernej hmotnosti [W/kg] a merných rozmerov [W/m 3 ] pri dobrých dynamických vlastnostiach. Výhodou je tiež nižšia cena motora oproti motoru s homogénnym vinutím zrovnateľného výkonu. Pri návrhu pohonu je však treba počítať s existenciou reluktančného momentu, ktorý je dôsledkom premenlivej magnetickej vodivosti magnetického obvodu stroja. Použitím vhodných magnetických materiálov a rôznymi konštrukčnými opatreniami je však možné tento moment znížiť na minimum. (Singule, 2009) Konštrukčné usporiadania diskového BLDC motora s vinutím na póloch a vnútorným rotorom je na Obr.4.2 a s vonkajším rotorom na Obr. 4.3. Obr.4.2: Diskový motor s vnútorným rotorom Obr. 4.3: Diskový motor s vonkajším rotorom Rotor BLDC motora sa skladá z permanentných magnetov, ktoré môžu tvoriť dve až osem pólových dvojíc. Jednotlivé póly magnetov sú rozložené striedavo po obvode rotora. Permanentné magnety sú vyrábané z materiálov : Neodym (Nd), Samarium Cobalt (SmCo), alebo zo zliatiny Neodym, Železo, Bór (NdFeB). Magnety môžu byť uložené na povrchu alebo vo vnútri rotora Obr. 4.4. 9

Obr. 4.4: Možnosti usporiadania permanentných magnetov na rotore 4.2 Komutácia BLDC motora Komutácia v BLDC motore znamená pripájanie napätia danej polarity,v závislosti od polohy rotora, na jednotlivé fázové vinutia motora. V prípade BLDC motora sú v jednotlivých komutačných intervaloch napájané vždy len dve fázy statorového vinutia, ktoré sa v danom intervale podieľajú na tvorbe požadovaného vektora statorového magnetického toku. Aby bol moment generovaný motorom čo najefektívnejší, musí byť pri komutácií dodržaná podmienka kolmosti vektora magnetického poľa rotora a statora. Aby mohla byť táto podmienka splnená je potrebné poznať aktuálnu polohu vektora magnetického poľa rotora. Pre určenie polohy rotora býva najčastejšie používaná trojica snímačov pracujúcich na princípe Hallovho javu. Tieto snímače bývajú zabudované priamo v motore aj s príslušným elektronickým obvodom. Tento obvod upravuje signály zo sond tak, že na výstupe dostávame trojicu logických signálov, ktoré udávajú polohu rotora. Jednu elektrickú otáčku rotora tak môžeme rozdeliť na 6 sektorov, ktorým prislúcha 6 kombinácií výstupných signálov zo snímačov. Podľa toho, ktorá kombinácia signálov je snímačmi generovaná, vieme určiť natočenie vektora magnetického poľa rotora. V niektorých špeciálnych prípadoch môže byť pre určenie polohy vektora magnetického poľa rotora použitý inkrementálny snímač (IRC). Tento snímač produkuje na výstupe dvojicu pravouhlých signálov so stovkami až tisíckami impulzov za jednu otáčku rotora. Tieto signály sa v riadiacom obvode dekódujú, a tak získame informáciu o polohe vektora magnetického poľa rotora. Tento spôsob snímania má oveľa väčšiu rozlišovaciu schopnosť ako snímač s Hallovými senzormi, ktorý dáva informáciu o zmene polohy rotora u dvojpólového stroja 6 krát za otáčku. Použitie inkrementálneho snímača pri riadení BLDC motora umožňuje spínať výkonové prvky meniča tak aby bol motor napájaný 10

kvázisínusovým prúdom. Takéto riadenie sa vyznačuje oveľa menším zvlnením momentu motora. V súčasnosti je tiež často používané tzv. bezsnímačové riadenie BLDC motorov. Poloha vektora magnetického poľa rotora je v tomto prípade získavaná z priebehu indukovaného napätia. Indukované napätie sa sníma v tej fáze, ktorou v danom komutačnom intervale neprechádza prúd (nieje pripojená k zdroju napätia). Pre určenie polohy vektora magnetického poľa rotora stačí snímať prechod indukovaného napätia jednotlivých fáz nulou. Riadiaci mikroprocesor na základe tejto informácie určí, jednotlivé intervaly komutácie. 4.3 Princíp komutácie s použitím Hallových snímačov Komutácia BLDC motora sa uskutočňuje prostredníctvom trojfázového striedača v mostovom zapojení. Spínaním jednotlivých polovodičových prvkov striedača, je možné dosiahnuť 6 rôznych vektorov statorového magnetického poľa. Rozloženie týchto vektorov pre dvojpólový stroj je znázornené na Obr. 4.6. Tieto vektory rozdeľujú rovinu na 6 sektorov. Pre každý sektor je definovaná iná kombinácia stavov signálov ABC Hallových snímačov. Signály pre spínanie jednotlivých prvkov meniča sú generované riadiacim obvodom na základe informácie o polohe vektora rotorového magnetického toku z Hallových snímačov. Bloková schéma riadenia BLDC motora je na Obr. 4.5. Signály z Hallových snímačov sú privedené do riadiaceho obvodu, ktorý ich vyhodnotí a na základe toho vygeneruje riadiace signály pre polovodičové prvky meniča. Tieto signály sú upravené v budiacom obvode tak, aby boli schopné budiť tranzistory T1 - T6 meniča. Vždy je zopnutá jedna zo šiestich kombinácií, tak aby bola dodržaná podmienka kolmosti magnetického poľa rotora a statora. Vstup meniča je napájaný jednosmerným napätím. Na výstup meniča sú pripojené jednotlivé fázy statorového vinutia motora. 11

+U DC T1 T3 T5 A T2 T4 T6 C B -U DC J S S J Hallove snímače PWM1 PWM2 PWM3 PWM4 PWM5 PWM6 BUDIACI OBVOD RIADIACI OBVOD Obr. 4.5:Bloková schéma riadenia BLDC motora Obr. 4.6: Rozloženie vektorov magnetického poľa statora Na Obr. 4.7 je zobrazený princíp komutácie pre dvojpólový stroj. Aktuálnej pozícií rotora na Obr. 4.7.a zodpovedá kombinácia signálov z Hallových snímačov ABC [110]. Fáza A je pripojená na kladný pól jednosmerného napájacieho napätia +U DC cez zopnutý tranzistor T1 striedača. Fáza C je pripojená na záporný pól -U DC cez zopnutý tranzistor T6. Fáza B zostáva nepripojená. Prúd I M prechádza z napájacieho zdroja cez T1 a fázu A do fázy C a cez zopnutý T6 späť do zdroja. V tomto intervale je generovaný vektor statorového magnetického toku Ψ S1 v smere zobrazenom na Obr. 4.7.a. Pôsobením tohto 12

poľa sa rotor otáča v protismere hodinových ručičiek a uhol medzi vektorom statorového a rotorového toku sa zmenšuje. Keď tento uhol dosiahne hodnotu 60 zmení sa hodnota signálov z Hallových snímačov z ABC [110] na ABC [100]. Riadiaci obvod zachytí túto zmenu a vygeneruje novú kombináciu riadiacich signálov pre striedač. Tranzistor T6 sa vypne a zopne sa T4. Nastane komutácia medzi fázou C a B. Fáza A zostáva pripojená na + U DC a na - U DC sa pripojí fáza B cez zopnutý tranzistor T4. Fáza C zostáva teraz nepripojená. Prúd I M tečie zo zdroja cez T1, Fázu A a B, a cez zopnutý T4 späť do zdroja. Tomuto intervalu zodpovedá vektor statorového toku Ψ S2 v smere zobrazenom na Obr. 4.7.b. Uhol medzi vektormi statorového a rotorového magnetického toku sa zväčší na hodnotu 120 a rotor sa naďalej otáča v protismere hodinových ručičiek. Ďalší komutačný interval nastane, keď sa uhol medzi vektormi magnetických tokov statora a rotora opäť zmenší na hodnotu 60 a zmení sa stav signálov z Hallových snímačov z hodnoty ABC [100] na hodnotu ABC [101]. Podobne sa komutácia opakuje každých 60. Tu je možné vidieť, že týmto spôsobom riadenia (six-step control technique) nieje možné udržať uhol medzi statorovým a rotorovým magnetickým tokom presne 90, ale tento uhol sa mení od 60 do 120 elektrických. Toto má za následok zvlnenie momentu motora. Hodnoty signálov z Hallových snímačov pre jednotlivé komutačné intervaly a im zodpovedajúce kombinácie napätí pripájaných na jednotlivé fázy statorového vinutia sú popísané v Tab. 4.1 pre otáčanie rotora v smere hodinových ručičiek, a v Tab. 4.2 pre otáčanie v protismere hodinových ručičiek. +U DC +U DC smer otáčania rotora I M Fáza A smer otáčania rotora I M Fáza A Fáza C Fáza B Fáza C Fáza B I M I M -U DC -U DC Ψ S1 Ψ S2 a.) b.) Obr. 4.7: Princíp komutácie BLDC motora 13

Tab. 4.1: Kombinácie signálov pre rotáciu v smere hodinových ručičiek Signály z Hallových snímačov Kombinácie výstupných napätí striedača A B C Fáza A Fáza B Fáza C 1 0 0 -U DC +U DC Nezap. 1 0 1 Nezap. +U DC -U DC 0 0 1 +U DC Nezap. -U DC 0 1 1 +U DC -U DC Nezap. 0 1 0 Nezap. -U DC +U DC 1 1 0 -U DC Nezap. +U DC Tab. 4.2: Kombinácie signálov pre rotáciu v protismere hodinových ručičiek Signály z Hallových snímačov Kombinácie výstupných napätí striedača A B C Fáza A Fáza B Fáza C 1 0 0 +U DC -U DC Nezap. 1 1 0 +U DC Nezap. -U DC 0 1 0 Nezap. +U DC -U DC 0 1 1 -U DC +U DC Nezap. 0 0 1 -U DC Nezap. +U DC 1 0 1 Nezap. -U DC +U DC Priebehy fázových prúdov motora i a, i b, i c a indukovaných napätí u ia, u ib, u ic sú zobrazené na Obr. 4.8. Priebehy fázových prúdov BLDC motora majú obdĺžnikový tvar, na rozdiel od synchrónneho motora s permanentnými magnetmi, ktorého fázové prúdy majú sínusový priebeh. Priebehy indukovaných napätia jednotlivých fáz motora majú lichobežníkový tvar. Na obrázku sú tiež priebehy jednotlivých signálov z Hallových snímačov. u ia ωt i a u ib ωt i b u ic ωt Hall A Hall B i c Hall C ωt ωt ωt 0 60 120 180 240 300 360 60 120 180 240 Obr. 4.8: Priebehy napätí, prúdov a signálov z Hallovych snímačov BLDC motora 14

4.4 Riadenie otáčok BLDC motora pomocou PWM U BLDC motora je možné meniť otáčky zmenou veľkosti napájacieho jednosmerného napätia, podobne ako o klasického jednosmerného motora. Pre riadenie strednej hodnoty napájacieho napätia motora býva najčastejšie používaná šírkovo impulzová modulácia (PWM). Pre toto riadenie sa využíva práve trojfázový striedač, ktorý zabezpečuje aj komutáciu motora. Tranzistory meniča, ktoré v danom komutačnom intervale majú byť zopnuté, nebudú trvale otvorené, ale budú spínané pomocou PWM. Potom sa bude stredná hodnota napätia pripájaného na jednotlivé fázy motora meniť v závislosti od striedy PWM signálu. Existuje niekoľko spôsobov PWM používanej na spínanie výkonových prvkov trojfázového mostového striedača. Jednou z možností je tzv. unipolárna PWM. Pri tejto PWM je vždy jeden z hornej trojice tranzistorov (T1, T3, T5) v danom komutačnom intervale trvale zopnutý a tranzistor z dolnej trojice (T2, T4, T6) je spínaný pomocou PWM. Smery toku prúdov pri tomto spôsobe PWM riadenia sú vyznačené na Obr. 4.9. Obrázok popisuje komutačný interval, kedy vedú tranzistory T1 a T4. V aktívnej časti periódy PWM signálu prúd tečie zo zdroja cez zopnutý T1, fázové vinutia A a B, a cez T4 späť do zdroja ( trasa prúdu v tomto intervale je vyznačená červenou čiarou.). Prúd motorom v tejto časti periódy exponenciálne narastá. V pasívnej časti periódy zostáva T1 zopnutý a T2 je vypnutý. Magnetické pole naakumulované v indukčnosti vinutí teraz pretláča prúd cez spätnú diódu tranzistora T3, cez zopnutý T1 a rovnakým smerom cez fázové vinutia A a B. V tejto časti periódy prúd vinutiami motora exponenciálne klesá. Napätie na fázach je nulové. Smer prúdu je na Obr. 4.9 vyznačený modrou čiarou. Priebehy PWM signálov a fázových prúdov motora pre tento druh PWM sú na Obr. 4.10. Obr. 4.9: Smery prúdov pri unipolárnej PWM Obr. 4.10: Priebehy PWM signálov a fázových prúdov 15

Druhým typom je tzv. bipolárna PWM. Pri tejto PWM sú oba tranzistory spínané pomocou PWM signálu naraz. Princíp spínania tranzistorov trojfázového striedača pri tomto type PWM je znázornený na Obr. 4.11. V aktívnej časti periódy PWM signálu sú zopnuté tranzistory T1 a T4. Fázové vinutia A a B sú pripojené na jednosmerné napájacie napätie U DCB. Prúd tečie zo zdroja cez zopnutý T1, fázové vinutia A a B, a cez T4 späť do zdroja. Smer prúdu v tejto časti periódy je rovnaký ako pri unipolárnej PWM a na Obr. 4.11 je vyznačený červenou farbou. V pasívnej časti periódy sú vypnuté oba tranzistory (T1 aj T4). Prúd sa teraz uzatvára cez spätnú diódu tranzistora T3, cez kondenzátor C1, spätnú diódu tranzistora T2 a fázové vinutia A a B. Smer prúdu je na Obr. 4.11 vyznačený modrou farbou. V tejto časti periódy je na fázových vinutiach A a B napätie opačnej polarity ako v aktívnej časti periódy PWM signálu. Prúd v tomto intervale klesá rýchlejšie ako pri unipolárnej PWM. Pri bipolárnej PWM sa na výstupe striedača v danom komutačnom intervale striedajú kladné a záporné napäťové impulzy. Pri unipolárnej PWM sa striedajú kladné napäťové impulzy s nulovým napätím. Obidva druhy PWM boli v predchádzajúcom texte popísané pri tzv. nezávislom spínaní (independent switching). To znamená, že v danom komutačnom intervale, kedy bol jeden z komplementárnej dvojice tranzistorov (T1-T2, T3-T4, T5-T6) spínaný PWM signálom, druhý tranzistor musel byť vypnutý. Priebehy PWM signálov pre tento druh spínania sú zobrazené na Obr. 4.13. Tento druh PWM umožňuje riadiť BLDC motor v dvoch kvadrantoch mechanickej charakteristiky (motorický režim pre obidva smery otáčania). Neumožňuje riadenie motora pri rekuperačnom brzdení. Unipolárna aj bipolárna PWM môžu pracovať tiež s tzv. komplementárnym spínaním (complementary switching). Pri tomto druhu PWM sú komplementárne dvojice tranzistorov (T1-T2, T3-T4, T5-T6) spínané striedavo. To znamená, že v aktívnej časti periódy PWM signálu je zopnutý jeden z komplementárnej dvojice tranzistorov a druhý je vypnutý. V pasívnej časti periódy sa stavy vymenia. Priebehy signálov pri komplementárnom spínaní sú na Obr. 4.14. Pre hodnotu striedy PWM signálu D>50% je stredná hodnota výstupného napätia striedača kladná a pre D<50% je záporná. Pre D=50% je stredná hodnota napätia nulová. Komplementárna PWM umožňuje riadenie BLDC motora vo všetkých štyroch kvadrantoch mechanickej charakteristiky. Čiže umožňuje riadenie motora aj pri rekuperačnom brzdení. 16

Obr. 4.11: Smery prúdov pri bipolárnej PWM Obr. 4.12: Priebehy PWM signálov a fázových prúdov Obr. 4.13: Priebehy PWM signálov pri nezávislom spínaní Obr. 4.14: Priebehy PWM signálov pri komplementárnom spínaní 5 Návrh meniča pre pohon BLDC motora V tejto časti diplomovej práce sa budem zaoberať návrhom meniča pre pohon BLDC motora. Keďže daný BLDC motor je použitý pre pohon kolobežky, základnou požiadavkou bolo aby navrhovaný menič umožňoval rekuperačné brzdenie BLDC motora. Jedná sa o osempólový BLDC motor diskového typu s vnútorným rotorom a vinutím na póloch statora. Motor je určený k inštalácií priamo do kolesa a obsahuje zabudovanú planétovú prevodovku. Menovitý výkon motora je 400W a menovité napájacie napätie je 36V. 5.1 Požadované vlastnosti meniča Schopnosť pracovať s trvalým prúdom minimálne 15 A. - Toto je maximálny krátkodobý prúd, s ktorým môže daný BLDC motor pracovať. Preto by mal byť 17

menič pri riadení motora schopný obmedziť pracovný prúd motora na túto maximálnu hodnotu. Menič má umožňovať rekuperačné brzdenie BLDC motora. Rozsah pracovného napätia min do 50V. - Menič bude napájaný z troch akumulátorov s menovitým napätím 12V zapojených do série. Čiže menovité napájacie napätie bude 36V. Keďže sa však predpokladá schopnosť meniča rekuperovať, môže pri rekuperácií nastať prípad keď otáčky stúpnu nad menovitú hodnotu, a tým aj generované napätie môže prekročiť svoju menovitú hodnotu. Možnosť implementácie snímačov pre snímanie fázových prúdov motora. - Snímanie aktuálneho prúdu motora je potrebné pri regulácií momentu motora. 5.2 Výkonová časť meniča Výkonová časť meniča je vlastne hlavný obvod, ktorý zabezpečuje riadenie toku energie zo zdroja do spotrebiča. V našom prípade sa jedná o trojfázový mostový striedač, ktorý premieňa vstupné jednosmerné napätie na výstupné trojfázové striedavé napätie. Tento typ meniča sa skladá zo šiestich výkonových tranzistorov, ktoré bývajú najčastejšie typu MOSFET alebo IGBT. Pre daný menič sme najskôr zvažovali použitie modulu, ktorý má v sebe integrované už aj budiče koncových tranzistorov. Neskôr sme však zistili, že takéto moduly sú väčšinou dostupné vo vyhotoveniach s IGBT tranzistormi pre napätia min. 600V. Pre danú aplikáciu meniča je však výhodnejšie použiť MOSFET tranzistory, ktoré pri nižších hodnotách záverného napätia (do 100V), dosahujú veľmi malé hodnoty odporu v zopnutom stave R DSon (jednotky až desiatky mω). Preto na nich vznikajú aj menšie vodivostné straty, a tým je možné dosiahnuť vyššiu účinnosť, čo je výhodné pre zariadenia napájané z akumulátorov. Ďalšou výhodou MOSFET tranzistorov oproti tranzistorom IGBT je to, že dosahujú lepšie dynamické vlastnosti a tým umožňujú použiť vyššie spínacie frekvencie. Preto sme sa rozhodli použiť vo výkonovej časti meniča MOSFET tranzistory doplnené o budiaci obvod vo forme integrovaného obvodu schopného budiť šesticu tranzistorov trojfázového mostu. Boli zvolené tranzistory MOSFET s kanálom N typu IRF3710 so záverným napätím U DSS =100V, menovitým prúdovým zaťažením I D =57A a odporom v zopnutom stave R DSon =23mΩ. Ďalšími prvkami, ktoré sa nachádzajú vo výkonovej časti meniča sú snímače prúdu. Pre snímanie fázových prúdov a prúdu v jednosmernom medziobvode boli zvolené rezistory s 18

odporom 5mΩ a stratovým výkonom 5W, ktoré slúžia ako snímacie bočníky. Úbytok napätia na týchto odporoch je úmerný prechádzajúcemu prúdu. Pri uvažovanej maximálnej hodnote prúdu 15A bude toto napätie 75mV, čomu zodpovedá stratový výkon 1,125W. Toto napätie je ďalej upravované vhodným obvodom na takú úroveň, ktorú dokáže spracovávať riadiaci obvod meniča. Schéma zapojenia výkonovej časti meniča je na Obr. 5.1. Diódy D201-206 sú zenerove diódy s napätím 18V. Tieto diódy slúžia ako prepäťová ochrana hradiel tranzistorov, keďže napätie hradla U GS nesmie prekročiť hodnotu 20V. Eliminujú možné napäťové špičky, ktoré sa môžu objaviť v hradlovom signáli vplyvom parazitných indukčností. Transily D208 - D213 slúžia ako prepäťová ochrana tranzistorov, eliminujú prepäťové špičky medzi D a S. Obr. 5.1: Schéma zapojenia výkonovej časti meniča 5.3 Budiaci obvod Pre budenie výkonových MOSFET tranzistorov meniča bol zvolený integrovaný obvod MC33937. Jedná sa o integrovaný obvod v puzdre SMD (SOICW54), ktorý umožňuje budiť šesticu tranzistorov MOSFET trojfázového mosta. Tento obvod má tiež zabudované niektoré ochranné obvody a sériové komunikačné rozhranie SPI pre nastavovanie niektorých funkcií obvodu. Logické vstupy sú kompatibilné s 3,3V logikou. Základné funkcie obvodu: Rozsah pracovného napätia 6-58V. Schopnosť dodať výstupný budiaci prúd min. 1A. 19

Vstavaná nábojová pumpa, umožňujúca plné otvorenie tranzistorov aj pri zníženom napájacom napätí. Možnosť nastavenia ochrannej doby (deadtime) prostredníctvom sériového rozhrania SPI. Nadprúdová ochrana s možnosťou nastavenia hodnoty nadprúdu. Podpäťová ochrana. Detekcia desaturácie (Desaturation Detector). Porovnávanie fázového napätia (Phase Comparator). Generovanie prerušenia pri detekcií poruchy. Principiálna schéma aplikácie budiaceho obvodu je znázornená na Obr. 5.2. PX_HS - sú vstupné riadiace signály pre horné tranzistory striedača. Tieto signály sú aktívne v log. 0, to znamená, že daný MOSFET tranzistor bude otvorený vtedy, keď prislúchajúci vstupný signál bude mať hodnotu log. 0. PX_LS - sú signály pre riadenie dolnej trojice tranzistorov. Tieto signály sú aktívne v log.1. CS, SI, SO, SCLK- sú signály sériového rozhrania SPI. RST - je resetovací signál. Pokiaľ má tento vstup nízku log. úroveň, budiaci obvod je v tzv. stave nízkej spotreby. V tomto stave sú všetky výstupy deaktivované a obvod má minimálnu spotrebu. Reset vnútornej logiky nastane pokiaľ je RST na nízkej log. úrovni po dobu 77ns. PHASEX - sú logické výstupy, ktoré sú na nízkej úrovni pokiaľ napätie na vývode S (source) daného tranzistora z hornej trojice neprekročí 50% napájacieho napätia. INT - je logický výstup, ktorý je v stave log. 1, pokiaľ je niektorým z ochranných obvodov detekovaná porucha. Signál zostáva v stave log. 1, až pokiaľ nie je vynulovaný prostredníctvom SPI. EN1,EN2 - pokiaľ sú tieto vstupy v stave log. 1, sú aktivované výstupné budiče tranzistorov. PA_HS_G, PB_HS_G, PC_HS_G - sú budiace výstupy pre budenie hornej trojice tranzistorov mosta. PA_HS_S, PB_HS_S, PC_HS_S - sú vstupy pre pripojenie vývodov S horných tranzistorov. Tieto signály sú referenčným napätím pre budiče horných tranzistorov. PA_LS_G, PB_LS_G, PC_LS_G - sú budiace výstupy pre budenie dolnej trojice tranzistorov mosta. 20

PX_LS_S - sú vstupy pre pripojenie vývodov S dolných tranzistorov. Tieto vstupy sú potrebné pre funkciu budičov dolných tranzistorov (aby bol uzatvorený okruh budiaceho prúdu). AMP_P, AMP_N - sú vstupy vstavaného operačného zosilňovača OZ pre zosilnenie signálu zo snímacieho bočníka prúdu jednosmerného medziobvodu. AMP_OUT - je výstup tohto OZ VLS - je vstup pre pripojenie externého kondenzátora pre vstavaný 15V stabilizátor. VDD -je vstup pre pripojenie externého kondenzátora pre vstavaný 5V stabilizátor. VSUP - je referenčný vstup pre vstavané ochranné obvody (Phase Comparator a Desaturation Comparator). VPWR - je vstup napájacieho napätia PUMP, VPUMP - sú vývody pre pripojenie externého obvodu nábojovej pumpy. Obr. 5.2: Principiálna schéma aplikácie budiaceho obvodu Konkrétna schéma budiaceho obvodu pre navrhovaný menič je zobrazená na Obr. 5.4. Dôležitými prvkami sú kondenzátory C101, C102 a C103, ktoré zabezpečujú budenie hornej trojice MOSFET tranzistorov. Náboj týchto kondenzátorov je zdrojom prúdu pri zapínaní daných tranzistorov. Princíp činnosti budiča horných tranzistorov je znázornený na Obr. 5.3. Pri zapínaní tranzistora sa tento kondenzátor vybíja do hradla. Hradlová kapacita sa nabíja, a vplyvom tohto náboja dochádza k zopnutiu tranzistora. Smer hradlového prúdu pri zapínaní tranzistora je na Obr. 5.3 vyznačený červenou farbou. Pri vypínaní tranzistora je náboj z hradla odčerpávaný (vybíjanie hradlovej kapacity). Smer tohto prúdu je vyznačený 21

modrou farbou. Kondenzátor je vtedy vnútorným obvodom budiča nabíjaný na napätie 15V (nabíjací prúd je vyznačený zelenou farbou). Obr. 5.3: Princíp činnosti budiča horných tranzistorov Minimálnu kapacitu kondenzátorov C101 - C103 je možné určiť na základe vzťahu 5.1. Kde: U CC je napájacie napätie budiaceho obvodu (5.1) U f je úbytok napätia na dióde, cez ktorú je kondenzátor nabíjaný U LS je max. úbytok napätia na dolnom tranzistore v zopnutom stave U min je minimálne napätie potrebné na úplné otvorenie tranzistora Q bs je náboj kondenzátora, pre ktorý platí: =2 + ( ) + + ( ) (5.2) Kde: Q g je náboj hradla tranzistora I qbs(max) je maximálny záverný prúd budiaceho obvodu Q ls je náboj požadovaný koncovým stupňom vnútorného budiaceho obvodu I Cbs(leak) je zvodový prúd kondenzátora f je spínacia frekvencia 22

Hlavným parametrom, od ktorého závisí veľkosť kapacity kondenzátora je náboj hradla tranzistora Q g. Jeho veľkosť sme určili z katalógových listov, a pre daný tranzistor IRF3710 má hodnotu Q g =130nC. Hodnota maximálneho záverného prúdu budiča bola určená z katalógových listov a má hodnotu I qbs(max) =18µA. Q ls =5nC. Hodnotu I Cbs(leak) môžeme považovať pre zvolený tantalový kondenzátor za nulovú. Po dosadení týchto hodnôt do vzťahu 5.2 dostaneme výsledný náboj kondenzátora. =2 130 10 + 18 10 20 10 +5 10 =265,9nC Po dosadení tejto hodnoty do vzťahu 5.1 dostaneme minimálnu kapacitu kondenzátora. Hodnotu napätia U LS dostaneme pre maximálny prúd tranzistorom zo vzťahu: = =0,023 15=0,345 Úbytok napätia na nabíjacej dióde U f = 1,5V. Minimálne napätie potrebné na úplné otvorenie tranzistora získame z katalógových listov, a pre daný tranzistor má hodnotu U min =10V. 2 265,9 10 15 1,5 0,345 10 =168,5nF Toto je minimálna hodnota kapacity. V praxi sa volí 5 až 15 krát väčšia hodnota. Preto bola zvolená hodnota C=1µF. Obr. 5.4: Schéma zapojenia budiaceho obvodu 23

Dôležitým parametrom pri návrhu budiaceho obvodu je tiež hodnota hradlovej impedancie. Táto impedancia je pre tranzistor T1 tvorená obvodom zloženým z R105, R106 a D101. Rovnaký obvod je použitý aj pre ostatné tranzistory. V obvode je použitá dióda typu Schottky kvôli menšiemu úbytku napätia v priepustnom smere. Aby bolo možné dosiahnuť približne rovnaké časy zopnutia a vypnutia tranzistora, musí byť použitá rozdielna hodnota hradlovej impedancie pri zapínaní a pri vypínaní. Táto rozdielna hodnota je dosiahnutá tým, že pri zapínaní tranzistora prechádza hradlový prúd cez oba odpory (R105 aj R106). Pri vypínaní tečie prúd opačným smerom (hradlová kapacita sa vybíja) len cez R106 a diódu D101. Od hodnoty daných odporov závisí doba zopnutia a vypnutia tranzistorov. Čím je doba zopnutia a vypnutia kratšia, tým sú spínacie straty vznikajúce na tranzistoroch menšie. Vysoká strmosť nárastu (poklesu) prúdu di/dt môže však spôsobovať vznik prepäťových špičiek na parazitných indukčnostiach obvodu. Vplyvom parazitných kapacít môže nastať rezonancia a tieto oscilácie môžu spôsobovať elektromagnetické rušenie. Preto sa pri návrhu volí určitý kompromis medzi stratami a produkovaným rušením. V praxi sa volí doba zopnutia (vypnutia) medzi 50ns a 250ns. Pre určenie hodnôt hradlových odporov bol použitý simulačný model daného tranzistora v programe PSPICE. Hodnoty odporov boli navrhnuté tak, aby bola doba zopnutia približne rovnaká ako doba vypnutia. Boli zvolené hodnoty R105=33Ω a R106=18Ω, pre ktoré bola doba zopnutia a doba vypnutia približne 80ns. Odsimulované priebehy napätí U DS, U GS a prúdov I D, I G tranzistora pri zapínaní sú zobrazené na Obr. 5.6 a pri vypínaní na Obr. 5.5. 40 40.0 20 20.0 0 225.00us 225.10us 225.20us 225.30us U DS U GS I G*10 I D Time 0-8.5 297.0us 297.2us 297.4us 297.6us Time U DS U GS I G*10 I D Obr. 5.6: Priebehy napätí a prúdov tranzistora pri zapínaní Obr. 5.5: Priebehy napätí a prúdov tranzistora pri vypínaní 24

5.4 Obvody snímania prúdu a napätia Aby bolo možné do riadiaceho algoritmu motora implementovať prúdovú regulačnú slučku, prípadne nadprúdovú ochranu, je potrebné merať aktuálnu hodnotu prúdu motora. Pre snímanie prúdu boli použité rezistory s odporom 5mΩ vo funkcií snímacích bočníkov. Úbytok napätia na týchto odporoch je úmerný meranému prúdu. Tento signál je však ďalej potrebné upraviť na napätie v takom rozsahu, ktoré je schopný spracovávať zvolený riadiaci člen. Pre daný menič sme zvolili ako riadiaci prvok DSC (Digital Signal Controller) typu MC56F8006 od firmy Freescale. Tento DSC má vstavané A/D prevodníky schopné pracovať so vstupným analógovým napätím v rozsahu 0-3,3V. Pre úpravu napätia zo snímača na napätie v požadovanom rozsahu 0-3,3V bol použitý obvod znázornený na Obr. 5.7. Prúd fázy C prechádzajúci odporom R210 vyvolá na ňom úbytok napätia. Ak uvažujeme maximálny prúd 15A, potom bude mať toto napätie hodnotu z rozsahu ±75mV v závislosti od veľkosti a smeru daného prúdu. Toto napätie je potom filtrované dolnopriepustným filtrom zloženým z R313, R314 a C303 a privedené na vstupy operačného zosilňovača IC302A. Daný OZ je zapojený ako diferenčný zosilňovač, čo znamená, že zosilňuje len rozdiel napätí privedených na invertujúci a neinvertujúci vstup. Zosilnenie daného OZ určujú rezistory R315=R316 a R317= =R318. Zosilnenie bolo nastavené na základe vzťahu 5.3 na hodnotu A=19,42. Tomuto zosilneniu zodpovedá výstupné napätie OZ v rozsahu ±1,46 V. Toto napätie je však na výstupe OZ posunuté o hodnotu +1,65V prostredníctvom zavedeného referenčného napätia 1,65V na neinvertujúci vstup OZ. Dané referenčné napätie +1,65V sa získava z napätia 3,3V pomocou napäťovej referencie IC303 typu LM385M. Na výstupe OZ potom dostávame napätie v rozsahu 1,65V±1,46V=(0,19-3,,11V). Pričom maximálnemu zápornému prúdu zodpovedá hodnota 0,19V, maximálnemu kladnému prúdu 3,11V a nulovému prúdu 1,65V, čo je stred rozsahu vstupného napätia A/D prevodníka. = (5.3) Obr. 5.7: Schéma zapojenia obvodu merania prúdu 25

Pre snímanie napätia jednosmerného medziobvodu bol použitý jednoduchý napäťový delič zložený z rezistorov R322 a R323. Tento delič upravuje hodnotu napätia medziobvodu na maximálnu úroveň 3,3V, s ktorou dokáže pracovať A/D prevodník v zvolenom DSC. Deliaci pomer deliča je nastavený tak, že napätiu jednosmerného medziobvodu v rozsahu 0-60V zodpovedá napätie na výstupe deliča 0-3,3V. 5.5 Ochranné funkcie budiča Základnou ochrannou funkciou je nadprúdová ochrana. Táto ochrana zabezpečuje zastavenie činnosti meniča, keď prúd v jednosmernom medziobvode presiahne určitú maximálnu hodnotu. Schéma zapojenia nadprúdovej ochrany je na Obr. 5.8. Pre snímanie prúdu jednosmerného medziobvodu je použité rovnaké zapojenie ako pre snímanie fázového prúdu. Napätie zo snímacieho rezistora 0,005Ω je vyfiltrované dolnopriepustným filtrom zloženým z R211, R212 a C201. Ďalej je toto napätie privedené na vývody AMP_P a AMP_N integrovaného obvodu MC33937, čo sú vlastne vstupy vstavaného OZ. Výstup tohto OZ je privedený na vývod AMP_OUT, z ktorého je cez R216 zavedená záporná spätná väzba. Vo vnútri integrovaného obvodu je výstup OZ pripojený aj na vstavaný komparátor. Výstupné napätie OZ je v tomto komparátore porovnávané s napätím privedeným na vstup OC_TH. Pomocou odporového trimra R117 je možné referenčnú hodnotu komparátora meniť od 0 do 3,3V, čím sa vlastne nastavuje hodnota prúdu, pri ktorej má zareagovať nadprúdová ochrana. Pokiaľ je napätie na výstupe OZ väčšie ako napätie nastavené trimrom R117, je detekovaný nadprúd, a na výstupe komparátora je vysoká log. úroveň. Tým dôjde k zablokovaniu výstupných budičov a všetky tranzistory meniča budú vypnuté, čo spôsobí pokles prúdu na nulu. Výstup z komparátora je tiež privedený na vývod OC_OUT. Tento vývod je pripojený na bázu tranzistora T402. Pri detekovanom nadprúde sa tranzistor zopne a LED401 sa rozsvieti, čím indikuje poruchový stav. Signál z tranzistora je tiež ďalej privedený na vstup riadiaceho DSC. Pri detekovanom nadprúde je generované prerušenie, potom je signál na vývode INT v log.1. Opätovné uvedenie meniča do prevádzky je možné až po privedení resetovacieho impulzu (log.0) na vstup RST integrovaného obvodu MC33937. Reset obvodu je možné vykonať stlačením tlačidla S401, alebo privedením log.1 na bázu tranzistora T401. 26

Obr. 5.8: Schéma zapojenia nadprúdovej ochrany Ďalším ochranným prvkom je tzv. detektor desaturácie. Tento obvod je plne integrovaný v IO MC33937. Jedná sa o komparátor, ktorý je integrovaný vo výstupnom budiči. Tento ochranný obvod zareaguje, pokiaľ pri vypínaní dolného tranzistora a zapínaní horného tranzistora v danej vetve meniča, aj po uplynutí ochrannej doby a prídavnej doby t BLANK, je výstupné napätie danej fázy menšie ako napájacie napätie zmenšené o 1,4V (U DCB -1,4V). Po detekovaní tejto poruchy sú všetky výstupné budiče vypnuté a je generované prerušenie na vývode INT. Priebehy fázového napätia, riadiacich a poruchových signálov sú na Obr. 5.9. Plnou čiarou je na obrázku vyznačený priebeh fázového napätia pri správnej činnosti a čiarkovanou čiarou je vyznačené napätie pri poruche. Obr. 5.9: Priebehy signálov pri detekcí desaturácie 27