Zaloguj
Od rozwiązań mechanicznych przez silniki szczotkowe...
Silniki elektryczne są wykorzystywane we współczesnych samochodach do różnych celów. Umożliwiają wykonanie bezpiecznych i wygodnych w prowadzeniu pojazdów przy jednoczesnej dbałości o środowisko naturalne. Obecnie wiele niegdyś pneumatycznych lub napędzanych ręcznie systemów zostało zastąpionych szczotkowymi silnikami prądu stałego (DC).
Są to nie tylko zmiany dotyczące wygody kierowców, jak elektrycznie sterowane okna, ale również urządzenia pod maską silnika, takie jak pompy i wentylatory, co przekłada się również na zmniejszone zużycie paliwa. Silniki szczotkowe prądu stałego mają dużą wydajność i niewielkie wymiary.
Są również tanie w produkcji, a ich sterowanie wymaga jedynie doprowadzenia zasilania. Mają jednak kilka wad - hałas powodowany tarciem szczotek, generowane iskry i zakłócenia elektromagnetyczne oraz ograniczony czas eksploatacji ze względu na zużywanie się szczotek.
...do silników bezszczotkowych
Silniki bezszczotkowe prądu stałego (Brushless DC lub BLDC) nie mają wad silników szczotkowych. W silniku BLDC siła magnetyczna generowana w uzwojeniach stojanu działa na magnesy stałe umieszczone na wirniku. Przełączanie prądu, które w silnikach szczotkowych jest realizowane przez szczotki i komutator, w silniku BLCD odbywa się przy wykorzystaniu czujników i układów elektronicznych.
Dzięki rozwojowi układów półprzewodnikowych, sterowanie silnikami bezszczotkowymi stało się łatwiejsze i dlatego coraz częściej są one wykorzystywane w praktycznych aplikacjach. Silniki BLDC poprzez relację pomiędzy prądem sterowania a momentem obrotowym oraz między napięciem a prędkością obrotową są podobne do innych silników prądu stałego, ale ich struktura wewnętrzna jest zbliżona do silników prądu przemiennego.
Dzięki temu łączą zalety obydwu - są wydajne energetycznie, mają długą żywotność, są ciche, lekkie i niewielkich rozmiarów. Nie generują również iskier, natomiast wytwarzane przez nie zakłócenia elektromagnetyczne są zdecydowanie mniejsze, niż w silnikach szczotkowych. Z tych powodów coraz częściej wykorzystuje się je w przemyśle samochodowym, gdzie łatwiejszy serwis, cicha praca, niewielkie wymiary oraz bezpieczeństwo są istotne.
W typowym, współczesnym samochodzie znajduje się ponad 50 silników elektrycznych, z czego coraz większą część stanowią silniki bezszczotkowe. Przykłady urządzeń wykorzystujących ten typ silników to: pompa wody, wycieraczki, podnośnik szyb lub wentylator chłodnicy.
Sterowanie silnikami bezszczotkowymi w aplikacjach samochodowych - RL78/Fx
Rysunek 1. Mikrokontrolery z rodzin Renesas RL78F13 i RL78F14
Rodziny mikrokontrolerów Renesas Electronics RL78/F13 oraz RL78/F14 to układy zbudowane z użyciem 16-bitowego rdzenia RL78 (rysunek 1). Łączą małe zużycie prądu (jedno z najmniejszych na rynku) z wysoką wydajnością obliczeniową. Mają specjalnie zaprojektowane peryferia przeznaczone do sterowania silnikami (m.in. licznik Timer RD do generowania sygnału PWM wraz z czasem martwym do przełączania falownika MOSFET) oraz zaawansowane możliwości obliczeniowe (mnożenie i dzielenie sprzętowe), które ułatwiają wykonywanie niezbędnych obliczeń.
Dzięki temu są idealnym rozwiązaniem do sterowania wektorowego bezszczotkowymi silnikami prądu stałego. Mikrokontrolery te zaprojektowane zostały do zastosowania w przemyśle samochodowym gdzie kluczowym wymaganiem jest niezawodność. Dzięki możliwości pracy w wysokiej temperaturze (nawet do 150°C) układy sterujące mogą być połączone z silnikiem w jednym elemencie montażowym.
Mikrokontrolery z serii RL78/F13 oraz F14 są produkowane w obudowach mających od 20 do 100 wyprowadzeń (w planach do 144) oraz wyposażone w pamięć Flash mieszczącą od 16 do 256 kB (w planach 512 kB). Jak przystało na mikrokontrolery do aplikacji samochodowych, mogą być zasilane napięciem 5 V (zakres napięcia zasilania: 2,7...5,5 V).
Rysunek 2. Wyposażenie mikrokontrolerów z rodziny RL78F14
Zintegrowany wewnętrzny oscylator generuje przebieg o częstotliwości 32 MHz taktujący pracą rdzenia oraz 64 MHz dla układów peryferyjnych (w szczególności generatora PWM) i ma dużą dokładność w szerokim zakresie temperatury.
Układy integrują również funkcjonalność umożliwiającą implementacje procedur auto-testujących niezbędnych do zastosowań wymagających bezpieczeństwa aplikacji. Oczywiście dostępne są również typowo samochodowe interfejsy komunikacyjne LIN (jeden lub dwa) oraz CAN (wersje z jednym CAN albo bez CAN).
Serie F13 i F14 są kompatybilne pod względem wyprowadzeń oraz programowym, przy czym F14 mają pamięci Flash i RAM mieszczące więcej danych, chociaż są oferowane w tych samych obudowach. Dodatkowo, zawierają: komparator, przetwornik A/C oraz ELC (Event Link Contoller) pozwalający na interakcję między układami peryferyjnymi, bez generowania przerwań (rysunek 2).
Renesas Electronics to lider w światowej produkcji mikrokontrolerów dla przemysłu samochodowego a seria RL78/Fx to następca popularnych i docenianych rodzin 78K0 i R8C. Układy te to najprostsze rozwiązania dla aplikacji samochodowych dostępne od Renesas (dla bardziej zaawansowanych zastosowań proponowana jest rodzina RH850) integrujące jednak wiele funkcji pozwalających stworzyć skuteczny sterownik silnika BLDC w prosty sposób i niewielkim kosztem.
