Perangkat celah pita lebar menyempurnakan desain kontrol motor
Sistem kontrol motor terdiri dari komponen perangkat lunak dan perangkat keras, termasuk IGBT, semikonduktor WBG, dan MCU, yang menjadi semakin kompleks.
Kendali motor memegang peran strategis yang penting dalam perkembangan teknologi Industri 4.0. Salah satu perhatian utama dalam pengembangan industri adalah penggunaan energi. Konsumsi listrik tumbuh secara signifikan sebagian karena permintaan listrik dari motor listrik industri. Sebagai akibat dari tuntutan yang berkembang ini, pencarian solusi yang efisien di bidang kontrol motor menjadi prioritas bagi pengembang dan produsen komponen.
Seiring dengan konsumsi energi, kompleksitas desain meningkat karena persyaratan kontrol yang ketat yang melibatkan banyak teknologi elektronik yang memerlukan upaya signifikan. Salah satu contohnya adalah penggunaan material wide-bandgap (WBG).
Dari sudut pandang fungsional, kontrol motor terdiri dari beberapa tingkatan. Misalnya, kontrol gerak memerlukan eksekusi algoritma kontrol yang sangat canggih dan intensif secara komputasi. Kontrol motor mencakup berbagai aplikasi, dari kontrol sederhana kipas dan pompa hingga masalah kontrol industri yang lebih kompleks, termasuk robotika dan mekanisme servo. Di sini, kita melihat komponen utama dari sistem kontrol motor.
Motor dan pengemudi
Motor DC adalah yang paling umum, karena lebih murah dan terdiri dari stator (bagian tetap) — yaitu magnet permanen — dan bagian bergerak (rotor), yang menampung belitan yang terhubung ke komutator yang memasok arus. Kontrol kecepatan motor dicapai dengan mengatur arus searah. Untuk tujuan ini dan tergantung pada sifat aplikasinya, konverter jembatan-penuh, jembatan-setengah, atau step-down digunakan untuk menggerakkan motor DC.
Motor AC pada dasarnya terdiri dari transformator dengan bagian primer terhubung ke tegangan AC dan bagian sekunder, yang mengalirkan arus sekunder induksi. Elektronik berbasis mikroprosesor, inverter, dan pengkondisi sinyal digunakan untuk mengontrol kecepatan motor ini.
Pengendali adalah suatu alat elektronik yang berperan sebagai “otak” dalam suatu sistem kendali. Jumlah pengontrol yang digunakan bervariasi berdasarkan jumlah proses individu yang perlu dikendalikan. Untuk sistem yang kompleks, mungkin ada banyak pengontrol. Masing-masing pengontrol ini dapat mengirim perintah ke motor dan, pada saat yang sama, menerima instruksi dari aktuator itu sendiri.
Sistem robotik yang digunakan dalam aplikasi industri terutama menggunakan motor tiga fase yang ditenagai oleh tegangan bolak-balik (AC). Sebagai contoh, Gbr. 1 menunjukkan diagram blok sirkuit kontrol elektronik di mana mikrokontroler khusus (MCU) menghasilkan sinyal PWM. Sebagai alternatif MCU, solusi DSP atau FPGA lebih cocok untuk menerapkan algoritme pemfilteran digital yang kompleks.
Gambar 1:Diagram blok kontrol motor induksi tiga fasa bertenaga AC (Sumber:Texas Instruments)
Contoh pengontrol untuk motor DC adalah modul tipe slot TMCM-1637 5-A RMS dan TMCM-1638 7-A RMS Trinamic dengan dua pengontrol/driver berorientasi medan yang menambahkan fungsionalitas enkoder Hall dan ABN untuk kontrol berorientasi medan (atau vektor kontrol). Modul-modul ini mendukung motor DC satu fasa, motor stepper bipolar dua fasa, dan motor brushless DC (BLDC) tiga fasa (Gbr. 2 ).
IGBT
Transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBTs) mewujudkan inovasi nyata dalam elektronik kontrol daya listrik. Sebagai solusi switching, inovasi datang dari frekuensi switching yang tinggi. IGBT mewakili fungsionalitas dasar perangkat kontrol daya listrik yang sangat cocok untuk memecahkan masalah kontrol motor yang kompleks.
Solusi terbaru telah mengembangkan hubungan yang sangat baik antara kecepatan switching dan stabilitas perilaku dalam kondisi penggunaan yang sangat ekstrem, seperti di sektor otomotif saat menerapkan inverter untuk menggerakkan motor listrik. Salah satu contohnya adalah seri IGBT S 1.200-V dari STMicroelectronics. IGBT ini dioptimalkan untuk digunakan pada frekuensi rendah (hingga 8 kHz) dan dicirikan oleh V ce(sat) yang rendah . Seri IGBT S 1.200-V didasarkan pada teknologi field-stop gerbang parit generasi ketiga.
GaN dan SiC
Namun, bahan WBG, galium nitrida dan silikon karbida, membuat terobosan dalam aplikasi kontrol motor sebagai pengganti perangkat berbasis silikon. Dalam elektronika daya, keunggulan utama yang ditawarkan oleh material WBG termasuk rugi-rugi daya yang lebih rendah, efisiensi yang lebih tinggi, frekuensi switching yang lebih tinggi, ukuran yang lebih ringkas, suhu pengoperasian yang lebih tinggi (jauh melampaui batas atas 150 °C yang dapat dicapai oleh silikon), keandalan yang lebih besar dalam kondisi pengoperasian yang sulit. , dan tegangan tembus tinggi.
Misalnya, mobilitas elektron yang lebih tinggi dari transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT) GaN diterjemahkan menjadi kecepatan switching yang lebih besar, karena muatan yang biasanya terakumulasi dalam sambungan dapat tersebar lebih cepat. Waktu naik yang lebih cepat, resistansi saluran ke sumber yang lebih rendah (R DS(on) ) nilai, dan pengurangan gerbang dan kapasitansi keluaran yang dapat dicapai dengan GaN semuanya berkontribusi pada kerugian switching yang rendah dan kemampuannya untuk beroperasi pada frekuensi switching hingga 10× lebih tinggi daripada silikon.
Mengurangi kerugian daya membawa manfaat tambahan, seperti distribusi daya yang lebih efisien, pembuangan panas yang lebih sedikit, dan sistem pendinginan yang lebih sederhana. Banyak aplikasi kontrol motor memerlukan kipas untuk menyediakan pendinginan udara paksa untuk beroperasi dalam batas pengoperasian perangkat yang aman. Dengan menggunakan GaN, disipasi daya dapat dikurangi dan memungkinkan operasi "tanpa kipas", yang sangat penting dalam aplikasi berbobot rendah seperti drone elektronik.
Dalam aplikasi daya industri, perancang elektronik dapat memperoleh manfaat dengan juga menggunakan SiC MOSFET, yang menawarkan peningkatan efisiensi yang signifikan, ukuran heat-sink yang lebih kecil, dan biaya yang lebih rendah daripada solusi berbasis Si tradisional seperti IGBT. Teknologi SiC mencapai R DS(on) . yang sangat rendah per satuan luas, frekuensi switching yang tinggi, dan kehilangan energi yang dapat diabaikan selama fase pemulihan balik yang terjadi setelah matinya dioda bodi.
Penggunaan perangkat SiC dalam aplikasi kontrol motor dan kontrol daya listrik merupakan terobosan nyata berkat fitur-fitur seperti penghematan energi, pengurangan ukuran, integrasi yang lebih tinggi, dan keandalan. Fitur-fitur ini membuatnya sangat cocok untuk sektor dengan keandalan tinggi seperti kontrol otomasi industri dan otomotif.
Dalam penggerak industri, perhatian khusus harus diberikan pada kecepatan pergantian nyala dan mati. Faktanya, SiC MOSFET dV/dt dapat mencapai level yang jauh lebih tinggi daripada IGBT. Jika tidak ditangani dengan benar, komutasi tinggi dV/dt meningkatkan lonjakan tegangan pada kabel motor yang panjang dan mungkin menghasilkan arus parasit mode umum dan diferensial yang, seiring waktu, menyebabkan kegagalan pada isolasi belitan dan bantalan motor. Meskipun penyalaan/penonaktifan yang lebih cepat meningkatkan efisiensi, dV/dt tipikal pada penggerak industri sering kali disetel pada 5 hingga 10 V/n untuk alasan keandalan.
Perbandingan yang dilakukan oleh STMicroelectronics pada dua transistor daya 1,2-kV yang serupa — MOSFET SiC dan IGBT berbasis Si — telah membuktikan bahwa perangkat SiC MOSFET dapat menjamin kehilangan energi yang jauh lebih sedikit untuk menghidupkan dan mematikan, dibandingkan dengan Si IGBT, bahkan di bawah kondisi yang dipaksakan sebesar 5 V/ns (Gbr. 3 ).
Gambar 3:Penggerak dua tingkat, tiga fase berbasis inverter (Sumber:STMicroelectronics)
Penggunaan perangkat SiC dalam aplikasi kontrol motor dan kontrol daya listrik secara umum merupakan terobosan nyata berkat fitur-fitur seperti penghematan energi, pengurangan ukuran, peluang integrasi, dan keandalan. Di antara opsi lainnya, sekarang dimungkinkan untuk menggunakan frekuensi switching yang optimal di sirkuit inverter untuk motor yang terhubung, yang menghasilkan keuntungan penting dalam desain motor.
Misalnya, CoolSiC MOSFET berbasis SiC dari Infineon Technologies dengan teknologi interkoneksi .XT dalam paket D²PAK-7 SMD 1.200-V yang dioptimalkan memungkinkan pendinginan pasif di segmen penggerak motor kritis dengan kepadatan daya seperti drive servo, sehingga mendukung industri robotika dan otomasi dalam menerapkan inverter motor bebas perawatan dan tanpa kipas (Gbr. 4 ).
Dalam otomatisasi, solusi tanpa kipas memungkinkan peluang desain baru, didorong oleh fakta bahwa solusi tersebut menghemat biaya dan upaya pemeliharaan dan material. Solusi chip MOSFET parit CoolSiC dari Infineon dengan teknologi interkoneksi .XT menawarkan kemampuan termal yang menarik dalam faktor bentuk yang kecil, menjadikannya sangat cocok untuk integrasi penggerak dalam lengan robot, sebagai contoh. Perangkat CoolSiC MOSFET SMD memiliki waktu tahan hubung singkat 3 s dan dinilai dari 30 mΩ hingga 350 mΩ. Ini memenuhi persyaratan motor servo.
Gambar 4:Pengurangan rugi konduksi di semua mode operasi (Sumber:Infineon Technologies)
Mikrokontroler
Solusi kontrol motor terdiri dari komponen perangkat keras dan perangkat lunak. Komponen perangkat keras adalah perangkat kontrol elektronik seperti IGBT, MOSFET SiC dan GaN, dioda daya, dll., sedangkan komponen perangkat lunak menangani kontrol perangkat keras yang semakin kompleks dan canggih. Ketersediaan arsitektur komputasi yang dioptimalkan untuk kontrol dan pengelolaan perangkat daya memungkinkan pengembang memperoleh kinerja yang tidak mungkin dilakukan di bidang kontrol.
Beberapa contoh datang dari NXP Semiconductors dan Renesas Electronics. Rangkaian prosesor 32-bit MPC57xx NXP didasarkan pada teknologi Power Architecture untuk aplikasi powertrain otomotif dan industri di samping kontrol otomotif dan kemungkinan manajemen fungsional lainnya. Prosesor menawarkan kualitas AEC-Q100, perlindungan enkripsi keamanan on-chip untuk anti-kerusakan, dan dukungan keamanan fungsional ASIL-D dan SIL-1 (ISO 26262/ IEC 61508). Mereka menyediakan Ethernet (FEC), FlexRay saluran ganda, dan hingga 6 SCI/8 DSPI/2 I
2
C untuk protokol komunikasi yang berbeda.
Renesas menawarkan RA6T1 32-bit MCU berdasarkan inti Arm Cortex-M4 untuk beroperasi pada 120 MHz dengan koleksi periferal yang dioptimalkan untuk kinerja tinggi dan kontrol motor presisi. Sebuah MCU RA6T1 tunggal dapat secara bersamaan mengontrol hingga dua motor BLDC. Selain itu, framework Google TensorFlow Lite Micro untuk aplikasi TinyML menambahkan deteksi kegagalan yang ditingkatkan ke MCU RA6T1, menawarkan sistem motor tanpa sensor yang cerdas, mudah digunakan, dan hemat biaya untuk pemeliharaan prediktif kepada pelanggan.
Persyaratan motor bervariasi tergantung pada aplikasi, yang mungkin perlu dioptimalkan dan disesuaikan untuk kasus penggunaan tertentu. Pasar menyediakan beberapa solusi dalam hal IGBT, semikonduktor WBG, dan MCU untuk memenuhi persyaratan tersebut. Namun, perangkat keras baru perlu dikembangkan yang melepaskan tugas-tugas penting real-time dari prosesor, sekaligus memungkinkan lebih banyak diagnostik, pemeliharaan prediktif dan AI, dan sistem keamanan fungsional.
>> Artikel ini awalnya diterbitkan di situs saudara kami, Power Electronics News.
Konten Terkait:
Kinerja powertrain EV yang mulus dengan algoritme kontrol berorientasi lapangan
Desain referensi menyederhanakan kontrol motor robot industri
Perangkat lunak memudahkan desain driver motor BLDC
Faktor utama dalam merancang kontrol kecepatan elektronik drone
Untuk lebih banyak Tertanam, berlangganan buletin email mingguan Tersemat.
