BLE

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

Интерес потребителей к различным беспроводным решениям как никогда высок. Возможность подключения к информационным сетям и облачным серверам появляется даже у тех устройств, которые раньше слабо ассоциировались с беспроводными технологиями (счетчики, электроинструменты, бытовые приборы и т.д.). Одним из наиболее популярных беспроводных интерфейсов является Bluetooth. Интеграция Bluetooth может существенно увеличить габариты, стоимость и сложность устройств. Однако современные интегральные решения помогают решить эти проблемы
2863
В избранное

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

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

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

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

Даже без добавления BLE-модуля в корпусе электроинструмента едва хватало свободного места, чтобы разместить контроллер BLDC-двигателя

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

Почему беспроводной?

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

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

Поддержка беспроводной связи помогла определить местонахождение газонокосилки

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

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

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

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

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

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

Объединение разных функций в одном микроконтроллере

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

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

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

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

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

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

Микроконтроллер C2640R2F обеспечивает беспроводную связь BLE и управление бесколлекторным двигателем

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

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

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

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

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

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

Кроме управляющего микроконтроллера для работы с бесколлекторным двигателем потребуется:

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

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

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

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

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

Решаем проблему генерации и отвода тепла

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

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

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

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

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

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

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

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

Референсная плата со схемой управления BLDC-двигателем и поддержкой BLE

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
CSD88584Q5DC
CSD88584Q5DC
Texas Instruments
Арт.: 2301496 PDF RD
Поиск
предложений
MOSFET 40V POWERBLOCK N CH MOSFET
CSD88584Q5DC
-
Поиск
предложений
CSD88584Q5DCT
CSD88584Q5DCT
Texas Instruments
Арт.: 2301497 PDF RD
Поиск
предложений
MOSFET 40V POWERBLOCK N CH MOSFET
CSD88584Q5DCT
-
Поиск
предложений
DRV8323RHRGZR
DRV8323RHRGZR
Texas Instruments
Арт.: 2320764 PDF AN RD
Поиск
предложений
DRV8323RHRGZR
-
Поиск
предложений
DRV8323RHRGZT
DRV8323RHRGZT
Texas Instruments
Арт.: 2320765 PDF AN RD
Поиск
предложений
MOSFET DRIVER, HIGH/LOW SIDE, VQFN-48
DRV8323RHRGZT
-
Поиск
предложений
DRV8323RSRGZR
DRV8323RSRGZR
Texas Instruments
Арт.: 2320766 PDF AN RD
Поиск
предложений
DRV8323RSRGZR
-
Поиск
предложений
DRV8323RSRGZT
DRV8323RSRGZT
Texas Instruments
Арт.: 2320767 PDF AN RD
Поиск
предложений
MOSFET DRIVER, HALF BRIDGE, VQFN-48
DRV8323RSRGZT
-
Поиск
предложений
DRV8323HRTAR
DRV8323HRTAR
Texas Instruments
Арт.: 2537443 PDF AN RD
Поиск
предложений
DRV8323HRTAR
-
Поиск
предложений
DRV8323HRTAT
DRV8323HRTAT
Texas Instruments
Арт.: 2537444 PDF AN RD
Поиск
предложений
MOSFET DRIVER, HALF BRIDGE, WQFN-40
DRV8323HRTAT
-
Поиск
предложений
DRV8323SRTAR
DRV8323SRTAR
Texas Instruments
Арт.: 2537445 PDF AN RD
Поиск
предложений
DRV8323SRTAR
-
Поиск
предложений
DRV8323SRTAT
DRV8323SRTAT
Texas Instruments
Арт.: 2537446 PDF AN RD
Поиск
предложений
MOSFET DRIVER, HALF BRIDGE, WQFN-40
DRV8323SRTAT
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()