Auteur: Thor van Rijk Student nummer: 2027671
Datum: 30-01-12 t/m 22-06-12
2
Voorwoord
De opdracht is sensorless BLDC motor control of small BLDC fans/pumps.
Deze opdracht is door een vierdejaars student van de opleiding Mechatronica van de Avans Breda uitgevoerd als afstudeeropdracht. De opdracht besloeg een tijdsspanne van 5 maanden. Tijdens de opdracht heeft de afstudeerder verantwoording afgelegd aan de opdrachtgever en de begeleider. Belangrijk tijdens dit project was dat het proces goed werd gedocumenteerd en dat de afstudeerder kon laten zien dat hij competent is.
De opdrachtgever is Melexis. Het hoofdkantoor bevindt zich in Belgie. Maar Melexis heeft vele kantoren verspreid over de wereld zoals bijvoorbeeld in
Duitsland, Zwitserland, Bulgarije,Oekraine en de Filippijnen. Melexis heeft ongeveer 750 medewerkers verdeelt over 10 landen.
Melexis ontwerpt en ontwikkelt voornamelijk auto-elektronica systemen. Bijna alle grote automerken gebruiken Melexis IC's. Natuurlijk zijn ze ook bezig met de toekomst. Hierbij kan gedacht worden aan:
TPMS (tire pressure monitoring), acceleration sensors, solid state gyroscopes, automotive CMOS cameras, heads-up-displays (HUD), optical bus, integrated LIN microcontroller family, 360-degree position sensing, ultra high-voltage (650V) engine ignition IC’s en vele andere.
Dit productverslag is geschreven voor studenten, leraren en anderen die
geïnteresseerd zijn in de theorie en de toepassing van het aansturen en regelen van sensorless brushless dc motoren.
Het productverslag kan gebruikt worden als naslag werk bij het ontwikkelen van een aansturing en regeling voor sensorless brushless dc motoren.
Graag wil ik iedereen die, heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van dit
productverslag en het product, bedanken voor hun inzet, mening en expertise.
Allereerst wil ik graag Marcel Braat, Marc Lamberts en Dirc Leman van Melexis bedanken voor de mogelijkheid om dit onderzoek te doen en hun deskundige begeleiding. Verder wil ik Peter Klijn van de Avans hogeschool bedanken voor de goede begeleiding en ondersteuning tijdens mijn afstuderen.
3
Inhoudsopgave
Voorwoord ... 2
Samenvatting ... 5
1. Inleiding ... 6
2 Definitie en Theorie ... 7
2.1 Aansturing BLDC motoren ... 7
2.2 BEMF meten ... 7
2.3 BEMF van feed-forward naar feed-back ... 8
2.4 Zero-Crossing ... 9
2.5 Constanten tegenover variabelen ... 10
2.6 Regelbaar maken met PI(D) ... 10
3 Ontwerp voor implementatie... 11
3.1 Aansturing voor BLDC motoren ... 11
3.2 BEMF meten ... 12
3.3 Van feed-forward naar feed-back ... 13
3.4 Zero-Crossing meten ... 13
3.5 Van constanten naar variabelen ... 15
3.6 PI(D) regelaar ... 16
4 Realisatie van ontwerp ... 18
4.1 Six-step aansturing ... 18
4.2 BEMF meetmethode ... 19
4.3 Van feed-forward naar feed-back ... 20
4.4 Zero-Crossing meting ... 20
4.5 Variabel programma ... 20
4.6 PI(D) regelaar ... 20
5 Testrapport ... 21
5.1 Specificaties ... 21
5.2 Opstelling ... 21
5.3 Test ... 22
6 Conclusie / Aanbevelingen ... 25
Literatuur ... 26
Verklarende woordenlijst ... 27
4 Bijlage 1 PMD ...
Bijlage 2 Gebruikte hardware ...
Bijlage 3 Testresultaten...
Bijlage 4 External-HB V1.0 ...
Bijlage 5 ADC.c ...
Bijlage 6 Main.c ...
Bijlage 7 MotorDriver.c ...
Bijlage 8 PID_Control.c ...
Bijlage 9 Timer.c ...
5
Samenvatting
De opdracht is sensorless BLDC motor control of small BLDC fans/pumps.
Deze opdracht is door Thor van Rijk, een vierdejaars student van de opleiding
Mechatronica van de hogeschool Avans Breda, uitgevoerd als afstudeeropdracht. De opdracht besloeg een tijdsspanne van 5 maanden. De opdrachtgever is Melexis. Dit bedrijf ontwerpt en ontwikkelt voornamelijk auto-elektronica systemen en is een onderneming met ongeveer 750 medewerkers verdeelt over 10 landen.
De hoofdredenen voor dit onderzoek zijn kostprijs en betrouwbaarheid.
Het product wordt in miljoenen aantallen geproduceerd en hoe minder componenten benodigd zijn, des te beter dit is voor de kostprijs.
Hetzelfde argument heeft ook betrekking op de betrouwbaarheid van het product. Als het product minder componenten bevat, wordt de kans op storing kleiner.
De hoofddoelstelling is: Maak een variabel en modulair programma voor de
MLX81300 waarmee kleine sensorless BLDC motoren tot 3A 30/40W aangestuurd en via snelheid geregeld kunnen worden.
Aan de hand van de resultaten wil Melexis bewijzen dat hun product de MLX81300 geschikt is voor motoren van de klanten.
De aansturing van de motor wordt gedaan met een zes stappen algoritme.
Als meetsignaal wordt gebruik gemaakt van elektrische spanning, die wordt gegenereerd door een draaiend magnetisch veld in een motor.
Om te zorgen dat het meetsignaal betrouwbaar is wordt deze geoptimaliseerd.
Met een methode genaamd Zero-Crossing worden de resultaten van het meetsignaal omgezet naar bruikbare informatie. Met een proportioneel en integraal regeling wordt de snelheid gehandhaafd. Door een gestandaardiseerde structuur te gebruiken is het programma variabel en modulair.
Er is met succes een variabel en modulair programma voor de MLX81300 gemaakt.
Hiermee kunnen kleine sensorless BLDC motoren tot 3A 30/40W aangestuurd en via snelheid geregeld worden. Alle relevante functionaliteiten zijn gevalideerd en voldoen aan de eisen. Dit wordt ondersteund door de testresultaten. Deze resultaten tonen aan dat de MLX81300 geschikt is voor tenminste één motor. Er is geen reden om aan te nemen dat dit programma niet werkt voor andere motoren omdat het programma variabel en modulair is opgebouwd. Hierdoor hoeven er alleen motor parameters ingevoerd te worden om een andere motor aan te sturen. Daarnaast is gebleken dat het programma zeer robuust is.
Het programma voldoet aan alle eisen maar er is ruimte voor verbetering.
Als eerste moet het programma getest worden met meerdere motoren. Voor deze motoren moeten de proportioneel en integraal coëfficiënten worden bepaald.
Vervolgens moet er gekeken worden naar de vertragingssnelheid van de motor.
Hoewel deze binnen de marges valt is hier nog ruimte voor verbetering.
Uitbreidingen voor de toekomst zijn om een Leadangle te implementeren zodat de motor hogere snelheden kan behalen. Ook een stall detectie is een erg belangrijke ontwikkeling. Dit zodat kan worden gedetecteerd of de motor nog draait.
6
1. Inleiding
Melexis ontwerpt en ontwikkelt voornamelijk auto-elektronica systemen. Bijna alle grote automerken gebruiken Melexis IC's. Het bedrijf is constant bezig met het ontwikkelen en verbeteren van hun producten en diensten.
De afdeling Basic Motor Control heeft een aantal Applications Engineers die zich bezig houden met het ontwikkelen van software voor demo’s en producten van klanten.
Het doel van dit verslag is het vastleggen van de resultaten die tot stand zijn
gekomen tijdens het sensorless bldc motor controll for small fans/pumps onderzoek.
De hoofdredenen voor dit onderzoek zijn kostprijs en betrouwbaarheid.
Het product wordt in miljoenen aantallen geproduceerd en hoe minder componenten benodigd zijn, des te beter is dit voor de kostprijs
Hetzelfde argument heeft ook betrekking op de betrouwbaarheid van het product. Als het product minder componenten bevat, wordt de kans op storing kleiner.
Op het moment heeft Melexis al stukken software voor een aantal 3A 30/40W motoren. De bestaande software is echter verouderd en niet geschreven voor de MLX81300.
Daarnaast moeten deze stukken software nog geïntegreerd worden tot één coherent geheel.
De hoofddoelstelling van de opdracht luid:
Maak een variabel en modulair programma voor de MLX81300 waarmee kleine sensorless BLDC motoren tot 3A 30/40W aangestuurd en via snelheid geregeld kunnen worden.
Melexis is van plan om de resultaten van het sensorless bldc motor control for small fans/pumps onderzoek te gebruiken voor de verkoop. Aan de hand van de resultaten kan aangetoond worden dat hun product de: MLX81300 geschikt is voor motoren van de klanten.
De opbouw van dit verslag is als volgt. Hoofdstuk 2 geeft de definitie en theorie per subdoelstelling weer. Hoofdstuk 3 betreft ontwerpen voor implementatie per
subdoelstelling. Hoofdstuk 4 bevat de realisaties van de ontwerpen. In hoofdstuk 5 wordt het product getest. Als laatste worden in hoofdstuk 6 de conclusies en aanbevelingen behandeld.
7
2 Definitie en Theorie
In dit hoofdstuk wordt per subdoelstelling de theorie behandeld. Minder bekende termen en woorden zijn terug te vinden in de verklarende woordenlijst. Extra informatie over de onderwerpen is te vinden via de literatuurlijst.
2.1 Aansturing BLDC motoren
De BLDC motor wordt aangestuurd door gebruik te maken van het zogeheten Six-step (Figuur 1). De verschillende states worden de commutatie states genoemd.
Hier betekent commutatie de verwisseling van stroomrichting.
Figuur 1 Six-step aansturing voor 3 fases in ster
Hierbij wordt één omwenteling van de rotor opgedeeld in 6 states. Voorbeeld van state 1: Wanneer phase A hoog is en phase C laag is gaat er een stroom lopen waardoor een magnetisch veld wordt gegenereerd. Aangezien de rotor permanente magneten bevat, wordt de rotor naar het veld toe getrokken. Door op het juiste
moment naar de volgende state te gaan, met het daarbij behorende magnetisch veld, gaat de rotor draaien.
2.2 BEMF meten
BEMF (Back Electro Motive Force) is de elektrische spanning, die wordt gegenereerd in een spoel door een draaiend magnetisch veld. De grote van de BEMF is
afhankelijk van het toerental.
State 1 State 2
State 3
State 5
State 4
State 6
State 1 State 2 State 3
State 4 State 5
State 6
C
B
A
C
B
A
C
B
A C
B
A C
B
A C
B
A
8
Figuur 2 Voorbeeld van een theoretisch BEMF signaal van 3 fase.
Bij Sensorless BLDC motoren met drie fasen wordt de BEMF gemeten op de zwevende fase. Alle drie de fases kunnen zich in drie toestanden bevinden. Dit betekent hoog, laag of zwevend. Omdat altijd maar twee fases aangestuurd worden blijft er één fase over, welke gebruikt wordt als sensor.
De redenen, dat BEMF wordt toegepast, zijn:
- Het is bruikbaar voor een grote reeks motoren.
- Het kan gebruikt worden voor Y(Ster) 3 fase motoren.
- Er is geen uitgebreide kennis van motor eigenschappen nodig.
- Het is relatief ongevoelig voor tolerantie variatie in de motor productie.
- Het is te gebruiken voor spanning en stroom regeling.
Het grootste nadeel van de BEMF methode is dat deze niet werkt voor applicaties waarbij de motor snelheid bijna nul is. Daarentegen is BEMF uitermate geschikt voor ventilatoren en pompen.
2.3 BEMF van feed-forward naar feed-back
Om over te kunnen stappen van feed-forward naar BEMF met Zero-Crossing moet voor sommige motoren eerst het BEMF signaal geconditioneerd worden. Deze conditionering is nodig om een betrouwbare en leesbare BEMF te maken voor de Zero-cross methode. Dit houd in dat de Flyback puls van het BEMF signaal zo klein mogelijk moet zijn. Hiernaast moeten de hellingen van de Falling en Raising BEMF schuin genoeg zijn.
Figuur 3 Signaal van six-step aansturing van een Magna motor
In Figuur 3 zijn met de rode ovalen de flyback pulsen omcirkeld. Een flyback puls is het gevolg van de stroom door een spoel. De stroom in de spoel moet eerst nog “nul”
worden voordat de stroom de andere richting op kan gaan. Tussen de zwarte lijnen is met pijlen aangegeven wat het BEMF signaal is. In het signaal zijn ook duidelijk de slope’s te zien van eerst de Falling gevolgd door de Raising BEMF.
9
2.4 Zero-Crossing
Figuur 4 Ideale BEMF voor Zero-crossing methode
In Figuur 4 zie je zes sectoren van ieder 60º. Deze sectoren vormen samen één elektrische rotatie. Iedere keer als er wordt gecommuteerd, dan wordt van sector gewisseld. Om een efficiënte en vloeiende motor regeling te hebben is het nodig om een offset van 30º tussen de Zero-Crossings te hebben. Het midden van de Zero- Crossing is de spanning in de zwevende fase wanneer deze nul is. Dit bevindt zich op 30º nadat gecommuteerd is. Na nog eens 30º is de volgende commutatie.
Figuur 5 Hardware voorbeeld Z-Crossing
Een hardware voorbeeld over Zero-Crossing wordt uitgelegd aan de hand van Figuur 5.
Wanneer Q1 en Q6 worden aangestuurd volgens sector 1 uit figuur 4, geldt dat positieve stroom in fase R(gedefineerd als stroom die richting het sterpunt gaat) en negatieve stroom in fase B gaat lopen. Als we er vanuit gaan dat de twee uiteinden van de actieve fases symetrisch verbonden zijn met de tegenovergestelde DC rails dan ligt het ½ Vdc punt altijd in het sterpunt. Dit ongeacht de polariteit van het voltage over de twee actieve spoelen.
Echter zal de ½ Vdc waarde alleen waar zijn wanneer de fases gelijk zijn in de termen: R,L en BEMF en wanneer de schakelaar en diode spanningsafname gelijk zijn. Kleine afwijkingen geven echter geen waarneembare problemen voor het gros van de systemen. Eventuele problemen zijn te verhelpen met software.
10
2.5 Constanten tegenover variabelen
Met een computer kunnen we gegevens verwerken. Dit betekent dat een computer gegevens opslaat en daarna manipuleert. In een programma doen we dit met behulp van variabelen en constanten. Een constante kan toegekend worden aan een
variabele en deze variabele kan in de loop van het programma gewijzigd worden.
Een constante daarentegen kan niet gewijzigd worden.
In dit verslag heeft variabel nog een betekenis. Hiermee wordt bedoeld dat het programma flexibel moet zijn en dat de variabelen in hun functies los moeten staan van de motoren. Hierdoor kunnen de functies hergebruikt worden voor andere toepassingen zonder dat deze aangepast hoeven worden.
2.6 Regelbaar maken met PI(D)
De PID-regelaar is zowat de meest voorkomende regelaar in de procesregeling.
De letters PID staan hier voor Proportioneel, Integrerend en Differentiërend.
P-actie: Proportioneel betekent dat het verschil in wenswaarde en gemeten waarde met een ingestelde factor wordt versterkt.
I-actie: De integrerende term zorgt voor een constante sommatie van de fout en blijft meer signaal uitsturen afhankelijk van hoe lang er een fout bestaat tussen gemeten en gewenste waarde. Ti noemt men hier wel de nastel tijd, dit wil zeggen de tijd (in seconden) die nodig is om een even grote waarde te krijgen als de P-actie. Een kleine Ti geeft een krachtige I-actie.
D-actie: De differentiërende term wordt minder gebruikt dan de twee voorgaande. De D-actie reageert op de snelheid van de verandering van de fout. Dus enkel bij het aanleggen van een stap (directe verandering van de wenswaarde bijvoorbeeld van 10°C naar 30°C) zal de D-actie haar bijdrage in een regelaar geven.
11
3 Ontwerp voor implementatie
Figuur 6 Aansluitschema voor BLDC motor met MLX 81300
Figuur 6 is een overzicht van het ontworpen systeem. Er is te zien welke communicatie er plaatsvindt en in welke richtingen deze werkt. De aansturing
gebeurd vanuit de computer met behulp van de Melexis USB LIN Master V2.1 en er wordt gebruik gemaakt van een al bestaande GUI. De Mini E-MLx wordt gebruikt om te debuggen. De onderste laag bestaat uit een regelbare voeding, het externe HB board met de MLX81300 of het MLX81300 Development board. Één van deze twee stuurt de 3 fase BLDC motor aan.
3.1 Aansturing voor BLDC motoren
Om te kunnen commuteren moeten de drie fases aangestuurd worden. Dit wordt gedaan door de MLX81300 chip van Melexis volgens Figuur 7.
Figuur 7 Aansluitschema voor BLDC motor met MLX 81300
12 Er wordt gebruik gemaakt van een tabel met daarin zes verschillende states. Iedere state bevat de driverconfiguratie voor de drie fasen. De tabel wordt aangeroepen in een interrupt. De interrupt frequentie wordt bepaald door de commutatie tijd. Er is geen bekende startpositie dus wordt langzaam begonnen tot de rotor mee gaat lopen met het magnetisch veld. De commutatietijd wordt in stappen ingekort tot deze de ingestelde snelheid heeft bereikt. De opstart gebeurd dus openloop met een vaste opstartstroom.
Figuur 8 Aansluitschema voor BLDC motor met MLX 81300 en External HB
Bijlage 4 “External-HB V1.0” is het elektrische schema van het in figuur 8 voorgestelde ontwerp. Voor het aansluitschema in Figuur 8 geld dezelfde
opstartprocedure als voor het schema in Figuur 7. Hier wordt de feedback van de stroom en het BEMF signaal echter op externe I/O terug gekoppeld.
3.2 BEMF meten
Om dit te realiseren moet iedere keer dat er wordt gecommuteerd, gekeken worden naar de zwevende fase. Bij het “81300 Development board” is dit redelijk eenvoudig omdat de MLX81300 al standaard functies heeft om de BEMF te meten. Bij het
“External HB bord” is dit een stuk lastiger omdat de interne functies nu niet gebruikt kunnen worden. Het principe blijft echter hetzelfde waardoor de code grotendeels hetzelfde blijft. Alleen de tabel met driverconfiguraties moet worden uitgebreid en moet er naar andere I/O gekeken worden voor de BEMF en de Stroombeveiliging.
Omdat de flyback puls niet gemeten moet worden, wordt voor een percentage van de commutatietijd de ADC uitgezet. Dit percentage is motorafhankelijk en is dus een motorparameter. Uit ervaring blijkt dat 25% een goed uitgangspunt is.
13
3.3 Van feed-forward naar feed-back
Om van Openloop naar Closedloop te gaan moet het BEMF signaal voldoen aan een aantal criteria om de Zero-Crossing methode toe te kunnen passen. Een groot aantal motoren hebben een aanloopstroom nodig, die hoger ligt dan de stroom die
benodigd is om te kunnen draaien. Wanneer het verschil tussen de twee te groot is dan wordt de BEMF onbruikbaar voor de Zero-crossing methode omdat de hellingen wegvallen en de flyback puls te groot wordt. Een voorbeeld hiervan is te zien in Figuur 11.
Figuur 11 Voorbeeld van onbruikbaar BEMF signaal Figuur 12 Voorbeeld van goed BEMF signaal
Wanneer dit het geval is wordt deze tussenstap gebruikt. In deze stap wordt de stroom vermindert tot het punt waarop de BEMF “schoon” genoeg is voor de Zero- Crossing methode(zoals te zien in Figuur 12). De stroomvermindering werkt door te kijken of er ononderbroken een aantal Zero-Crossings gedetecteerd kunnen worden.
Zo niet dan wordt de stroom verminderd. Dit wordt herhaald tot het signaal “schoon”
genoeg is. Een voorbeeld hiervan is te zien in figuur 13 en 14.
Er dient echter ook rekening gehouden te worden met de minimaal benodigde snelheid om voldoende BEMF te genereren die betrouwbaar gemeten kan worden.
De minimaal benodigde snelheid is afhankelijk van de hoeveelheid BEMF die een motor opwekt. Dit gegeven is dan ook opgenomen in de motorparameters.
3.4 Zero-Crossing meten
Om de Zero-Crossing te detecteren, wordt een thresshold op de BEMF gezet.
Wanneer dit punt wordt gepasseerd dan is er sprake van een Zero-crossing.
Figuur 13 Voorbeeld van onbruikbaar BEMF signaal Figuur 14 Voorbeeld van goed BEMF signaal
De groene lijn in figuur 13 en 14 is een weergave van de zerocross detectie.
Wanneer de zerocross is gevonden wordt de lijn hoog. Wanneer er wordt gecommuteerd wordt de lijn weer laag.
Wanneer de ZC wordt gedetecteerd wordt de waarde uit een counter gekopieerd.
Hiermee wordt het volgende commutatiemoment berekend. Deze waarde wordt gemiddeld met de vorige ZC waarde zodat het signaal stabieler wordt.
14
Figuur 15 Voorbeeld commutatietijd berekenen
Een voorbeeld van de commutatietijd berekening wordt gegeven met behulp van figuur 15. Bovenin de afbeelding staan de commutatietijden. Daaronder staan de Zerocrossing tijden. De derde rij met nummers is de tijd van twee zerocrossings.
Onderaan staat de nieuw berekende waarde voor de volgende halfcommutatietijd.
Alle tijden zijn in milliseconden.
In bovenstaand verhaal wordt er gemeten aan het “midden” van het PWM signaal.
Het midden betekent hier wanneer de zwevende fase in het midden is. Wanneer de snelheid erg laag wordt, dan wordt het meetmoment op je PWM signaal te klein. Om toch op lagere snelheden BEMF met ZC te gebruiken moet de “bovenkant” van het signaal gemeten worden De bovenkant betekent hier wanneer de zwevende fase hoog is. De bovenkant heeft namelijk ook een helling. Deze is niet zo schuin als de helling van het “midden” maar is nog steeds bruikbaar. In de code hoeft nu alleen nog de thresshold verlegd te worden.
Figuur 16 MIdden meten van PWM bij 3300RPM Figuur 17 Bovenkant meten van PWM bij 850RPM
In figuur 16 en 17 wordt het Zerocross moment getoond door de groene lijn. In beide afbeeldingen wordt gekeken naar de gele lijn. Er is duidelijk te zien dat bij de lage snelheid gemeten wordt aan de “bovenkant” van het PWM / BEMF signaal en bij hogere snelheid gemeten wordt op het “midden” van het PWM / BEMF signaal.
15
3.5 Van constanten naar variabelen
Het programma wordt verdeeld in een aantal losse bestanden. De belangrijkste vijf bestanden zijn: de analoog naar digitaal conversie, het hoofdprogramma , de motorsturing, de PI(D) regelaar en de Timers.
Ieder van deze bestanden heeft zijn eigen functies. Deze functies hebben hun eigen variabelen en zijn dus niet afhankelijk van andere programma’s. Hierdoor zijn ze herbruikbaar.
Deze bestanden worden opgenomen in het zogeheten “Unirom” van Melexis. Dit is een collectie van bestanden voor alle huidig ondersteunde hardware en motoren.
Doormiddel van parameters kan het Unirom ingesteld worden voor verschillende motoren. Dit gebeurd op de volgende manier:
Wanneer in een c programma ”#if” en “#endif” wordt gebruikt, dan wordt alleen de code tussen de twee commando’s gecompileerd wanneer er voldaan wordt aan de voorwaarde van het “#if” commando. De voorwaarde voor dit commando wordt gecodeerd als een “#define”. Een define is een constante.
In een aparte file kunnen alle parameters per motor worden ingevuld. Wanneer je de motor selecteert, wordt de rest van het programma automatisch ingesteld. Hierna kun je het programma compileren voor iedere aparte motor. Het grote voordeel hiervan is dat het programma zo klein mogelijk blijft voor iedere motor en dat het bouwen van het programma voor een motor erg eenvoudig is.
16
3.6 PI(D) regelaar
Er is een PI regelaar ontworpen aangezien er geen D-actie nodig is. De D-actie is niet nodig omdat een PI regelaar het systeem al snel genoeg corrigeert voor de toepassing in ventilatoren en pompen. De regelaar werkt als volgt.
Error berekenen:
Om de 10 milliseconden wordt de regelaar aangeroepen. Tijdens deze 10 milliseconden zijn de commutatietijden en het aantal commutaties opgeteld.
De commutatietijden wordt gedeeld door het aantal commutaties. Dit levert een stabielere meting.
De gemiddelde commutatietijd wordt nu vergeleken met de gewenste commutatietijd.
De uitkomst hiervan is de error. Deze error wordt gebruikt om de correctiefactor te bepalen.
(versnellen) (vertragen)
Om te voorkomen dat de correctie te groot wordt, word deze beperkt door twee limieten. De limieten heten RampUp en RampDown. Deze limieten beperken de snelheid waarmee de snelheid wordt aangepast.
(
I-actie berekenen:
Nu de Error definitief is berekend word deze vermenigvuldigd met de I-actie coëfficiënt
De I-actie wordt als volgt uitgerekend.
Ter beveiliging wordt er nog een voorwaarde ingezet zodat er geen negatieve getallen kunnen ontstaan.
17 P-actie berekenen:
De P-actie is te berekenen door de error te vermenigvuldigen met het P_Coëfficiënt.
P- en I-actie resultaat:
Beide acties worden nu samengevoegd.
Ter controle worden er nog een paar beveiligingen bij gezet. Deze hebben te maken met de minimale en maximale correctiefactor.
Dit resultaat moet nog vertaald worden naar een bruikbare waarde voor het programma, maar dit valt buiten de PI regelaar.
Conversie:
Het resultaat van de PI regelaar wordt omgerekend naar een waarde om de duty cycle van het PWM signaal aan te passen. De duty cycle van het PWM is ook afhankelijk van de voedingspanning.
Ook deze waarde wordt beveiligd tegen under- en overflow. Dus wordt de minimale en maximale correctiefactor gecontroleerd.
18
4 Realisatie van ontwerp
Figuur 17 Overzicht van Project MLX81300 met daarin de relevante bestanden en hun functies.
In figuur 17 is te zien hoe de relevante bestanden zijn opgedeeld. Deze bestanden bevinden zich in Project MLX81300. Alle vijf de bestanden bevatten hun bijhorende functies. De werking van de meest relevante functies wordt hieronder uitgelegd. De bijhorende C-code is opgenomen in de bijlage. Het bestand “LIN_Communication.c”
staat er alleen bij om duidelijk te maken waar de communicatie met de computer zich bevindt in het project.
4.1 Six-step aansturing
Voor de Six-step aansturing zijn onderstaande functies nodig. Deze beschrijvingen bevatten alleen de direct relevante acties.
MotorDriver.c Tabel met driverconfiguratie
Dit is een integer constanten tabel genaamd space_vector_table. Deze bevat voor alle zes stappen de juiste configuratie(waarde).
MotorDriver.c Instelling Opstarttabel
In deze tabel staan de snelheden voor het openloop opstarten van het type motor.
19 MotorDriver.c Functie MotorDriverInit()
Om de motor aan te sturen wordt er een waarde gegeven voor de hoeveelheid stroom en de initiele snelheid. Timer1 wordt ingesteld en aangezet. Het PWM wordt ingesteld en de I/O worden ingesteld.
MotorDriver.c Functie MotorDriverStart()
De commutatieperiode krijgt de initiele snelheid. Timer1 krijgt de juiste
commutatiewaarde en wordt gestart. De bedieningsmodus wordt ingesteld. de motor wordt opgestart met de eerste waarde uit de opstart tabel. Iedere commutatie krijgt de motor een nieuwe waarde uit de opstart tabel tot de ingestelde snelheid is bereikt.
MotorDriver.c Functie MotorDriverStop()
De motordriver en Timer1 worden uitgezet doormiddel van configuratie. Ook worden de I/O goed ingesteld.
MotorDriver.c Interrupt routine voor commutatie TMR1_Commutation_Interrupt() De draairichting wordt gecontroleerd en aan de hand hiervan wordt de actuele positie bepaald. Indien de motor de gewenste positie heeft bereikt, wordt deze uitgezet.
De motordriver wordt geladen met de volgende waarde uit de space_vector_table.
De ingestelde hoeveelheid stroom wordt omgezet naar de PWM waarde. Er wordt gecontroleerd of bStepperModeA is ingesteld en of er één electrische rotatie heeft plaats gevonden. De huidige commutatie tijd wordt vergeleken met de ingestelde commutatietijd aan de hand hiervan wordt de commutatietijd aangepast. Wanneer de huidige commutatietijd kleiner of gelijk ia aan de ingestelde commutatietijd wordt er overgeschakeld naar de volgende modus
4.2 BEMF meetmethode
Om de BEMF te meten zijn onderstaande functies nodig. Deze beschrijvingen bevatten alleen de direct relevante acties.
ADC.c Functie ADC_Init()
Deze functie stelt de ingebouwde beveiliging van de chip in. ADC_IT wordt ingesteld met een hogere prioriteit dan TMR_1_Commutation_Interrupt() zodat de ADC
interrupt nooit kan worden onderbroken behalve door interrupts met een hogere prioriteit zoals errors. Ten slotte wordt de interrupt aangezet.
ADC.c Functie ADC_Stop()
Hier wordt gekeken of er geen conversies meer bezig zijn. Zijn er geen conversies meer bezig, dan wacht de ADC maximaal 3 PWM cyclussen en kijkt niet meer naar nieuwe waardes totdat de conversie gedaan is. Vervolgens wordt het ADC register op 0 gezet.
ADC.c Interrupt routine voor ADC meting ADC_IT()
Er wordt gekeken in welke van de zes stappen het programma zich bevindt zodat de juiste fasewaarde van het BEMF signaal aan het fase voltage wordt gekoppeld.
20
4.3 Van feed-forward naar feed-back
Deze beschrijving bevat alleen de direct relevante acties. Meer informatie is terug te vinden in de bijlagen.
Conditionering van het signaal TMR1_Commutation_Interrupt()
Wanneer de motor dreigt stil te vallen, omdat er te weinig stroom in wordt gestopt voor de huidige snelheid, wordt de PWM snelheid verhoogd. Wanneer er te veel stroom in wordt gestopt, waardoor de flybackpuls te groot wordt, wordt de PWM snelheid verlaagd. Indien de flybackpuls lengte voldoet aan de criteria wordt de controlmode ingesteld op bEmfMode.
4.4 Zero-Crossing meting
Voor de Zero-Crossing zijn onderstaande functies nodig. Deze beschrijvingen bevatten alleen de direct relevante acties..
ADC.c Functie ADC_IT()
Er wordt gecontroleerd of de periode wanneer er niet naar de ADC wordt gekeken al voorbij is. Vervolgens wordt er gekeken of het signaal een rising of falling edge betreft en welke richting de motor op draait. Er wordt gekeken of het BEMF signaal voeldoet aan de thresshold. Wanneer dit waar is wordt de tijd uit timer1 gekopieerd.
Met deze waarde wordt de nieuwe commutatietijd berekend. Om de thresshold te controleren wordt de voedingsspanning gemeten. Deze thresshold waarde wordt gebruikt bij de volgende commutatie.
4.5 Variabel programma
Het programma is in zijn geheel variabel en modulair dit is te herleiden uit de structuur van het project en de opbouw van de functies. De variabelen hebben een logische benaming.
MotorDriver.h
Dit bestand bevat alle parameters die benodigd zijn om het programma in te stellen voor een bepaald type motor.
4.6 PI(D) regelaar
Voor de PI regelaar zijn onderstaande functies nodig. Deze beschrijvingen bevatten alleen de direct relevante acties.
PID_Control.c Functie PID_Init()
In deze functie worden de waardes van de regelaar op nul gezet.
PID_Control.c Functie PID_Control()
Hier wordt de error van het systeem berekend en wordt de PI correctie factor
berekend. Ook wordt deze factor omgezet naar de PWM correctiefactor. Als laatste wordt de nieuwe waarde voor het PWM signaal geschreven.
21
5 Testrapport
Het product is een variabel en modulair programma voor de MLX81300 waarmee kleine sensorless BLDC motoren tot 3A 30/40W aangestuurd en via snelheid geregeld kunnen worden. Dit programma is getest op één motortype.
5.1 Specificaties
Het programma is geschikt voor 3 fase in ster geschakelde brushless dc motoren en de volgende functionaliteiten zijn getest:
- Openloop start up
- Sensorless closed loop op basis van BEMF en Zero-Crossing - Spanningsmeting
- PI regeling
5.2 Opstelling
In figuur 18 is de gebruikte opstelling te zien. In bijlage 2 “Gebruikte Hardware”, zijn meer specificaties terug te vinden.
Figuur 18 De Opstelling zoals gebruikt tijdens testen.
De opstelling bestaat uit: een regelbare voeding, het MLX81300 HB board v1.0, een laptop, de Melexis USB LIN Master V2.1, de Mini E-MLx , een oscilloscoop en een Papst motor.
Oscilloscoop
Laptop
Regelbare voeding
Mini E-MLx LIN Master
MLX81300 HB board v1.0
Papst motor
22 Grafical User Interface
Figuur 19 Graphical User Interface zoals gebruikt tijdens testen.
Zoals aangegeven in figuur 19 kan de actuele positie gemonitord worden en kan de snelheid ingesteld worden op vier standen. De motor kan gestart worden met de “set”
knop. Stoppen gebeurd door de “stop mode” te selecteren en te bevestigen met de
“set mode” knop. Onderaan kan de initiële positie worden ingesteld.
5.3 Test
Het product is per functionaliteit getest. Additionele testen met testresultaten zijn terug te vinden in de bijlage 3 “Testresultaten”.
Openloop start up
De openloop start up is te controleren met behulp van een scope. Door de drie fasen te meten, is te zien op welk moment er wordt gecommuteerd en of dit in de goede volgorde gebeurd. Door er vervolgens een motor aan te koppelen, is gecontroleerd of de commutatiesnelheid en de hoeveelheid stroom goed zijn. De rotor is het draaiend magnetisch veld netjes gaan volgen, dus zonder schokken, en er is bepaald wat de minimale opstartstroom is.
Voor de Papst motorparameter is dit 10% PWM dutycycle Snelheid 1 t/m 4
Stop Set Gewenste Positie
Initiële positie
Actuele positie
Mode selectie
23 Sensorless closed loop op basis van BEMF en Zero-Crossing
Deze test is verdeeld in een paar stukken. De BEMF is gecontroleerd met behulp van een scope. Wanneer de vrije fase op het juiste moment in sper wordt gezet, kan je het BEMF signaal zien op de scope. Dit is alleen het geval wanneer de motor draait, anders wordt er geen BEMF opgewekt. Vervolgens is de Zero-Crossing getest door een vrije I/O te toggelen wanneer er een Zero-crossing plaatsvindt.
Als laatste is het de closed loop getest door de commutatietijd te berekenen op basis van de Zero-Crossing momenten. Wanneer dit goed werkt zal de snelheid van de motor zichzelf aanpassen. Zodat deze optimaal draait met de gegeven stroom. Deze resultaten zijn te zien in figuur 20.
Figuur 20 Resultaat van Sensorless closed loop op basis van BEMF en Zero-Crossing
Spanningsmeting
Met behulp van de debugger zijn de gemeten waardes gedurende het draaien van de motor opgeslagen achteraf is er vergeleken of deze waardes overeen kwamen met de instelling op de regelbare voeding. Ook is te zien dat de spanningsmeting goed werkt doordat de Zero-Crossing momenten worden bekeken op de scope.
De Zero-Crossing thresshold wordt gebaseerd op de voedingsspanning. De grote van het BEMF signaal is ook afhankelijk van de voedingsspanning. Hierdoor moet de Zero-Crossing altijd plaatsvinden op de helft van de voedingspanning (wanneer de thresshold hierop is ingesteld).
24 PI regeling
De PI regeling is getest door snel te wisselen van snelheid dus van de minimale tot maximale snelheid en omgekeerd. Daarnaast is er weerstand uitgeoefend op de roterende as van de motor om te kijken of de regeling snel genoeg zou reageren zodat de motor niet stilvalt. Ook is de regeling getest door spontaan de extra
weerstand op de roterende as weg te halen. Doormiddel van deze testen zijn de P en I Coëfficiënten en maximale rampup en rampdown snelheden bepaald.
Parameters Papst motor P Coëfficiënt = (64/256) I Coëfficiënt = (16/256)
RampUp = 200 waarde voor ControlError RampDown = 50 waarde voor ControlError
Alle extra motor parameters zijn terug te vinden in de bijlage 9 “Motor parameters”.
25
6 Conclusie / Aanbevelingen
Conclusies:
Er is met succes een variabel en modulair programma voor de MLX81300 gemaakt.
Hiermee kunnen kleine sensorless BLDC motoren tot 3A 30/40W aangestuurd en via snelheid geregeld worden.
Dankzij het External HB Board v1.0 is het mogelijk om kleine 3 fase BLDC motoren tot 3A 30/40W aan te sturen en te regelen.
Het nieuwe programma is gemaakt voor de MLX81300 en is geschreven in de stijl van de Melexis programmeer standaard.
De motor aansturing werkt doormiddel van Six-step en de sensorless closed loop regeling werkt op basis van BEMF met de Zero-Crossing methode.
Om de snelheid te beheersen is een PI regelaar ontworpen. De coëfficiënten van de regelaar zijn bepaald voor de Papst motor.
Alle relevante functionaliteiten zijn gevalideerd en voldoen aan de eisen. Dit wordt ondersteund door de resultaten uit hoofdstuk vijf “Testrapport” en de bijlage “Test resultaten”.
Deze resultaten tonen aan dat de MLX81300 geschikt is voor tenminste de Papst motor. Er is geen reden om aan te nemen dat dit programma niet werkt voor andere motoren. Dit omdat het programma variabel en modulair is opgebouwd. Hierdoor hoeven er alleen motor parameters ingevoerd te worden om een andere motor aan te sturen. Daarnaast is het programma zeer robuust zoals eerder uit de testen is gebleken.
Aanbevelingen:
Hoewel het programma voldoet aan alle eisen is er nog steeds ruimte voor
verbetering. Als eerste moet het programma getest worden met meerdere motoren.
Voor deze motoren moeten de PI coëfficiënten worden bepaald. Vervolgens moet er gekeken worden naar de ramp down snelheid. Hoewel deze binnen de marges valt is hier nog ruimte voor verbetering.
Uitbreidingen voor de toekomst zijn om een Leadangle te implementeren zodat de motor hogere snelheden kan behalen. Ook een stall detectie is een erg belangrijke ontwikkeling. Dit zodat kan worden gedetecteerd of de motor nog draait.
26
Literatuur
Titel: 00901a.pdf Auteur: Charlie Elliott Datum: 1 augustus 2004
Omschrijving: Using the dsPIC30F for Sensorless BLDC Control (pagina 3 & 4) Titel: ATM0841Handleiding afstuderen 2011-2012 definitief.pdf
Auteur: Martine Mulder Datum: september 2011
Omschrijving: Handleiding stage 2010-2011 voor voltijd: E, M, W, TI, IV, TB, GZT Titel: doc8138.pdf
Auteur: ATMEL
Datum: augustus 2004
Omschrijving: AVR194: Brushless DC Motor Control using ATmega32M1 Titel: MLX81300BA_device_spec_8Feb11.pdf
Auteur: Melexis
Datum: 8 februari 2011
Omschrijving: Specificatie van de MLX81300 chip van Melexis Titel: MLX_ACTUATOR_Nov11.ppt
Auteur: Melexis
Datum: november 2011
Omschrijving: Uitleg over de Business Unit Actuators van Melexis Titel: Installation_Melexis_tools.pdf
Auteur: Melexis Datum: Revision 1.2
Omschrijving: Installatie procedure voor de Melexis development tools
Website:
http://www.microchip.com/pagehandler/en_us/technology/motorcontrol/motortypes/
Datum: 15 februari 2012
Omschrijving: Gebruikt voor theorie aansturing 6 step Website:
http://www.acroname.com/robotics/info/articles/back-emf/back-emf.html Datum: 20 februari 2012
Omschrijving: Gebruikt voor theorie BEMF
27
Verklarende woordenlijst
BLDC motor
Brushless Direct Current motor MLX81300
De chip die ontwikkeld en gemaakt is door Melexis.
BEMF
Back electromotive force Zero-Crossing
Punt waarop de BEMF ½ is van de voedingspanning Flyback puls
In dit verslag wordt met flyback puls bedoeld: de demagnetisatie van de fasewikkeling
Ster
Manier waarop de motorspoelen in een stervorm zijn aangesloten Delta
Manier waarop de motorspoelen in een deltavorm zijn aangesloten Falling BEMF
De BEMF waarbij de spanning van voedingspanning naar nul gaat Raising BEMF
De BEMF waarbij de spanning van nul naar voedingspanning gaat Elektrische rotatie
R
De Letter R wordt in de elektrotechniek gebruikt om de “Resistance” van een weerstand in Ohm weer te geven
L
Geeft de inductantie van een spoel in Henry aan GUI
Graphical user interface welke hier wordt gebruikt voor de communicatie tussen Mens en Laptop / ontwikkelbord
Bijlage 2 Gebruikte hardware
Om de opdracht uit te voeren zijn onderstaande middelen gebruikt.
Software:
Microsoft Windows XP Professional Service Pack 3, MLX16 IDE (Eclipse) Melexis Interactive Debugger, LIN controller (GUI cooling appilcatie) Hardware:
Laptop IBM Thinkpad T60:
Dualcore T5500 @1,66Ghz en 1GB geheugen MLX81300BA EVB V1.0:
Evaluatie bord uitgerust met de MLX81300BB.
Melexis USB LIN Master V2.1:
Zorgt voor de lin communicatie van de laptop naar de MLX81300BA EVB V1.0 Mini E-MLx:
Wordt gebruikt om te debuggen.
Externe HB-brug bord:
Het MLX81300 external HB board V1.0 Laboratoriumvoeding:
PS613 van Velleman en digimess SM5020.
Oscilloscoop:
Tektronix TDS 2024B
Externe Hardware Magna Motor in Ster.
Papst motor in Ster.
Bijlage 3 Testresultaten
Voltage validatie:
Voltage compensatie moet werken tussen 8 en 18 Volt DC. De stap grote is 1V en de snelheid wordt ingesteld op 2000 RPM. 41uS is de duur van één PWM Periode. Het eerste percentage is de tijd dat er geen vermogen in gaat. En het tweede getal is het benodigde PWM percentage om de motor op 2000 RPM te houden. De
omgevingstemperatuur is 21 ºC.
Door de Dutycycle van het PWM te controleren wordt tevens getest of de PI regelaar en de Zero-Crossing methode werken.
Voltage DC PWM DutyCycle in % Speed = 2000 RPM Pass 8V Minimal operating voltage 21 van 41 uS Hoog 21/0,41 = 51% 49% OK
9V 23 van 41 uS Hoog 23/0,41 = 57% 43% OK
10V 26 van 41 uS Hoog 26/0,41 = 64% 36% OK
11V 27 van 41 uS Hoog 27/0,41 = 67% 33% OK
12V Normal operating voltage 28 van 41 uS Hoog 28/0,41 = 70% 30% OK
13V 29 van 41 uS Hoog 29/0,41 = 71% 29% OK
14V 30 van 41 uS Hoog 30/0,41 = 72% 28% OK
15V 30 van 41 uS Hoog 30/0,41 = 73% 27% OK
16V 31 van 41 uS Hoog 31/0,41 = 76% 24% OK
17V 32 van 41 uS Hoog 32/0,41 = 78% 22% OK
18V Maximal operating voltage 33 van 41 uS Hoog 33/0,41 = 80% 20% OK Uit een additionele test is gebleken dat de Zero-Crossing methode bij 1650 RPM en 3,4 Volt nog steeds werkt. Hieronder valt de chip uit omdat deze een minimale spanning van 3,4 Volt nodig heeft . Er is gekozen voor 8 Volt als voorwaarde omdat de LIN communicatie minimaal 7,5 Volt nodig heeft.
Snelheid validatie:
Om de berekende snelheid van het systeem te controleren is er fysiek gemeten met een tachometer(DT-623B). De tolerantie voor het slagen is +/- 50 RPM
Speed setpoint in RPM Measured speed in RPM Pass
850 862 OK
1650 1664 OK
3300 3313 OK
6600 6614 OK
Uit de resultaten hierboven is blijkt dat de waardes ruim binnen de toleranties vallen.
Er is met de hand gemeten, dit kan de statische fout van 12 tot 14 RPM verklaren.
Sensorless closed loop validatie:
Om te controleren dat de Sensorless Closed Loop goed werkt is deze getest op vier snelheden. Iedere snelheid wordt per richting voor drie minuten lang getest. Er mogen niet meer dan 2 ZC gemist worden. De voedingspanning is 12V DC en de omgevingstemperatuur is 21 graden ºC
Speed in RPM Direction tested for 3 minutes each Missed Zero-Crossings Pass
850 Clockwise 0 OK
1650 Clockwise 0 OK
3300 Clockwise 0 OK
6600 Clockwise 0 OK
850 Counter Clockwise 0 OK
1650 Counter Clockwise 0 OK
3300 Counter Clockwise 0 OK
6600 Counter Clockwise 0 OK
PI validatie:
Om de PI regelaar te testen zijn een aantal metingen gedaan. De voorwaarden voor de Ramp up Ramp down zijn als volgt. Binnen 4 seconden moet de motor van
850RPM naar 6600 RPM gaan en binnen 9 seconden van 6600 RPM naar 850 RPM gaan. De voedingspanning is 12V DC en de omgevingstemperatuur is 21 graden ºC Per onderdeel zijn vijf metingen gedaan.
Ramp Up Gemeten tijd in seconden Pass
850 RPM to 6600 RPM 2.6 OK
850 RPM to 6600 RPM 2.5 OK
850 RPM to 6600 RPM 2.7 OK
850 RPM to 6600 RPM 2.8 OK
850 RPM to 6600 RPM 2.7 OK
Ramp Down Gemeten tijd in seconden Pass
6600 RPM to 850 RPM 8.4 OK
6600 RPM to 850 RPM 8.4 OK
6600 RPM to 850 RPM 8.2 OK
6600 RPM to 850 RPM 8.3 OK
6600 RPM to 850 RPM 8.3 OK
Na een zware verstoring moet de motor binnen 3 seconden weer op de ingestelde snelheid zijn. Een zware verstoring is in deze test een spontane vermindering van de weerstand op de motor as.
Zware verstoring Gemeten tijd in seconden Pass
850 RPM 1.2 OK
850 RPM 1.4 OK
850 RPM 1.1 OK
850 RPM 1.3 OK
850 RPM 1.2 OK
Zware verstoring Gemeten tijd in seconden Pass
1650 RPM 1.3 OK
1650 RPM 1.1 OK
1650 RPM 1.5 OK
1650 RPM 1.3 OK
1650 RPM 1.3 OK
Zware verstoring Gemeten tijd in seconden Pass
3300 RPM 1.7 OK
3300 RPM 1.5 OK
3300 RPM 1.8 OK
3300 RPM 1.7 OK
3300 RPM 1.6 OK
Zware verstoring Gemeten tijd in seconden Pass
6600 RPM 1.6 OK
6600 RPM 1.6 OK
6600 RPM 1.4 OK
6600 RPM 1.5 OK
6600 RPM 1.7 OK
Uit de testen is gebleken dat het systeem op alle snelheden binnen de marges blijft.
De acceleratie en deceleratie van het systeem zijn voldoende. En het herstel na een zware verstoring voldoet ruim aan de marge.
