Motorbesturing Gedemystificeerd: Een Uitgebreide Gids voor PWM-signaalgeneratie

Pulsbreedtemodulatie (PWM) is een krachtige techniek die wereldwijd veel wordt gebruikt in toepassingen voor motorbesturing. De veelzijdigheid, efficiëntie en eenvoudige implementatie hebben het tot een hoeksteen gemaakt van moderne embedded systemen en vermogenselektronica. Deze uitgebreide gids heeft als doel een diepgaand inzicht te geven in de generatie van PWM-signalen, waarbij de onderliggende principes, verschillende implementatiemethoden, praktische overwegingen en geavanceerde onderwerpen die relevant zijn voor internationale engineeringprojecten, aan bod komen.

Wat is Pulsbreedtemodulatie (PWM)?

PWM is een methode om het gemiddelde vermogen dat aan een elektrische belasting wordt geleverd te regelen door de voeding met een hoge frequentie aan en uit te schakelen. De "pulsbreedte" verwijst naar de hoeveelheid tijd dat het signaal in de 'aan'-toestand (hoge spanning) is in vergelijking met de totale periode van de cyclus. Deze verhouding, uitgedrukt als een percentage, staat bekend als de duty cycle (inschakelduur).

Bijvoorbeeld, een duty cycle van 50% betekent dat het signaal de helft van de periode 'aan' is en de andere helft 'uit'. Een hogere duty cycle komt overeen met meer vermogen dat aan de belasting wordt geleverd, terwijl een lagere duty cycle overeenkomt met minder vermogen.

Belangrijke Parameters van een PWM-signaal

• Frequentie: De snelheid waarmee het PWM-signaal zijn cyclus herhaalt (gemeten in Hertz - Hz). Hogere frequenties leiden over het algemeen tot een soepelere werking van de motor, maar kunnen de schakelverliezen verhogen.
• Duty Cycle: Het percentage van de tijd dat het signaal 'aan' is binnen elke cyclus (uitgedrukt als een percentage of een decimale waarde tussen 0 en 1). Dit regelt direct de gemiddelde spanning die op de motor wordt toegepast.
• Resolutie: Het aantal discrete duty cycle-niveaus dat beschikbaar is. Een hogere resolutie biedt fijnere controle over de snelheid en het koppel van de motor. De resolutie wordt vaak uitgedrukt in bits. Bijvoorbeeld, een 8-bit PWM heeft 256 (2^8) mogelijke duty cycle-waarden.

Waarom PWM gebruiken voor motorbesturing?

PWM biedt verschillende voordelen ten opzichte van traditionele analoge methoden voor motorbesturing, waardoor het in veel toepassingen de voorkeurskeuze is:

• Efficiëntie: PWM werkt in schakelmodus, waardoor de vermogensdissipatie in de schakelcomponenten (bijv. MOSFET's, IGBT's) wordt geminimaliseerd. Dit resulteert in een hogere energie-efficiëntie in vergelijking met lineaire spanningsregelaars, die overtollig vermogen als warmte afvoeren. Dit is met name belangrijk bij apparaten op batterijen of toepassingen waar energiebesparing cruciaal is.
• Nauwkeurige regeling: Door de duty cycle te variëren, maakt PWM een precieze regeling van de gemiddelde spanning op de motor mogelijk, wat resulteert in nauwkeurige snelheids- en koppelregeling.
• Flexibiliteit: PWM kan eenvoudig worden gegenereerd met microcontrollers, digitale signaalprocessors (DSP's) en speciale PWM-controllers. Dit biedt flexibiliteit in systeemontwerp en maakt integratie met andere regelalgoritmen mogelijk.
• Verminderde warmteafvoer: Omdat de schakelcomponenten ofwel volledig aan of volledig uit zijn, wordt de warmteafvoer aanzienlijk verminderd in vergelijking met lineaire regelmethoden. Dit vereenvoudigt het thermisch beheer en vermindert de noodzaak voor omvangrijke koellichamen.

Methoden voor het genereren van PWM-signalen

PWM-signalen kunnen worden gegenereerd met behulp van verschillende technieken, variërend van eenvoudige analoge circuits tot geavanceerde, op microcontrollers gebaseerde oplossingen. Hier zijn enkele veelvoorkomende methoden:

1. Analoge PWM-generatie

Analoge PWM-generatie omvat doorgaans het gebruik van een comparator om een referentiespanning (die de gewenste duty cycle vertegenwoordigt) te vergelijken met een zaagtand- of driehoeksgolfvorm. Wanneer de zaagtandgolfvorm de referentiespanning overschrijdt, schakelt de uitgang van de comparator om, waardoor het PWM-signaal wordt gecreëerd.

Voordelen: Eenvoudig te implementeren met direct verkrijgbare componenten. Nadelen: Beperkte nauwkeurigheid en flexibiliteit. Gevoelig voor componentvariaties en temperatuurdrift. Niet geschikt voor complexe regelalgoritmen.

Voorbeeld: Het gebruik van een operationele versterker (op-amp) geconfigureerd als een comparator met een zaagtandgolf gegenereerd door een RC-circuit en een variabele spanningsdeler om de duty cycle in te stellen. Deze methode wordt vaak gebruikt in eenvoudige motorbesturingscircuits of educatieve demonstraties.

2. PWM-generatie met een microcontroller

Microcontrollers zijn het meest gebruikte platform voor het genereren van PWM-signalen in moderne motorbesturingssystemen. De meeste microcontrollers hebben ingebouwde PWM-modules (timers/tellers) die kunnen worden geconfigureerd om PWM-signalen te genereren met nauwkeurige controle over frequentie, duty cycle en resolutie.

Voordelen: Hoge nauwkeurigheid, flexibiliteit en programmeerbaarheid. Eenvoudig om complexe regelalgoritmen te implementeren en te integreren met andere randapparatuur. Breed scala aan opties voor frequentie, duty cycle en resolutie. Minimale externe componenten vereist. Nadelen: Vereist programmeervaardigheden en begrip van microcontroller-randapparatuur.

Implementatiestappen:

1. Configureer de Timer/Counter: Selecteer een geschikte timer/counter-module binnen de microcontroller en configureer de bedrijfsmodus (bijv. PWM-modus, vergelijkingsmodus).
2. Stel de PWM-frequentie in: Bereken de vereiste timer-prescaler en vergelijkingswaarde om de gewenste PWM-frequentie te bereiken. Dit is afhankelijk van de klokfrequentie van de microcontroller.
3. Stel de Duty Cycle in: Schrijf de gewenste duty cycle-waarde naar het juiste vergelijkingsregister. De microcontroller genereert automatisch het PWM-signaal op basis van deze waarde.
4. Activeer de PWM-uitgang: Configureer de overeenkomstige microcontroller-pin als een uitgang en activeer de PWM-uitgangsfunctie.

Voorbeeld (Arduino):

```arduino int motorPin = 9; // Digitale pin verbonden met de motordriver int speed = 150; // Motorsnelheid (0-255, komt overeen met 0-100% duty cycle) void setup() { pinMode(motorPin, OUTPUT); } void loop() { analogWrite(motorPin, speed); // Genereer PWM-signaal met gespecificeerde duty cycle delay(100); // Houd de snelheid 100ms aan } ```

Voorbeeld (STM32):

Dit omvat het configureren van de TIM (Timer) peripheral met behulp van de STM32 HAL-bibliotheek.

```c // Voorbeeld gaat ervan uit dat TIM3 wordt gebruikt op kanaal 1 (PA6-pin) TIM_HandleTypeDef htim3; // Configureer de Timer void MX_TIM3_Init(void) { TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0}; TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0}; TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0}; htim3.Instance = TIM3; htim3.Init.Prescaler = 71; // Pas Prescaler aan voor de gewenste frequentie htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim3.Init.Period = 999; // Pas Period aan voor de gewenste frequentie htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; HAL_TIM_Base_Init(&htim3); sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL; HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig); HAL_TIM_PWM_Init(&htim3); sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET; sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE; HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig); sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; sConfigOC.Pulse = 500; // Pas Pulse aan voor de duty cycle (0-999) sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_MspPostInit(&htim3); } // Start de PWM HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); ```

3. Speciale PWM-controllers

Speciale PWM-controller-IC's bieden een handige en vaak efficiëntere oplossing voor het genereren van PWM-signalen, met name in motorbesturingstoepassingen met hoog vermogen. Deze IC's bevatten doorgaans ingebouwde beveiligingsfuncties, zoals overstroom- en overspanningsbeveiliging, en kunnen geavanceerde regelfunctionaliteiten bieden.

Voordelen: Hoge prestaties, geïntegreerde beveiligingsfuncties, vereenvoudigd ontwerp, vaak geoptimaliseerd voor specifieke motortypes. Nadelen: Minder flexibiliteit in vergelijking met op microcontrollers gebaseerde oplossingen, hogere kosten in vergelijking met losse componenten.

Voorbeeld: Het gebruik van de Texas Instruments DRV8301 of DRV8305 gate driver IC, die meerdere PWM-kanalen en beveiligingsfuncties bevat die specifiek zijn ontworpen voor driefasige motorbesturingstoepassingen. Deze IC's worden vaak gebruikt in borstelloze DC (BLDC) motoraandrijvingen voor robotica, drones en industriële automatisering.

Toepassingen van PWM in Motorbesturing

PWM wordt gebruikt in een breed scala aan motorbesturingstoepassingen, waaronder:

• Snelheidsregeling van DC-motoren: Door de duty cycle van het PWM-signaal dat op een DC-motor wordt toegepast te variëren, kan de snelheid nauwkeurig worden geregeld. Dit wordt veel gebruikt in robotica, elektrische voertuigen en consumentenapparaten.
• Besturing van servomotoren: Servomotoren gebruiken PWM-signalen om hun positie te regelen. De pulsbreedte bepaalt de hoekpositie van de motoras. Servomotoren worden veel gebruikt in robotica, modelvliegtuigen en industriële automatisering.
• Besturing van stappenmotoren: Hoewel stappenmotoren doorgaans worden bestuurd met speciale stappenmotordrivers, kan PWM worden gebruikt om de stroom in de motorwikkelingen te regelen, wat microstepping en verbeterde prestaties mogelijk maakt.
• Besturing van borstelloze DC-motoren (BLDC): BLDC-motoren vereisen elektronische commutatie, wat doorgaans wordt bereikt met een microcontroller of een speciale BLDC-motorcontroller die PWM-signalen genereert om de fasestromen van de motor te regelen. BLDC-motoren worden gebruikt in diverse toepassingen, waaronder elektrische voertuigen, drones en elektrisch gereedschap.
• Omvormerregeling: Omvormers gebruiken PWM om AC-golfvormen te genereren uit een DC-bron. Door de schakeling van vermogenstransistors (bijv. MOSFET's of IGBT's) met PWM-signalen te regelen, kunnen omvormers een sinusoïdale AC-spanning produceren met instelbare frequentie en amplitude. Omvormers worden gebruikt in hernieuwbare energiesystemen, ononderbroken stroomvoorzieningen (UPS) en motoraandrijvingen.

Overwegingen bij PWM-signaalgeneratie voor motorbesturing

Bij het implementeren van PWM voor motorbesturing moeten verschillende factoren in overweging worden genomen om de prestaties te optimaliseren en een betrouwbare werking te garanderen:

1. Keuze van PWM-frequentie

De keuze van de PWM-frequentie is cruciaal en hangt af van de specifieke motor en toepassing. Hogere frequenties resulteren over het algemeen in een soepelere werking van de motor en minder hoorbaar geluid, maar verhogen de schakelverliezen in de vermogenstransistors. Lagere frequenties kunnen de schakelverliezen verminderen, maar kunnen motortrillingen en hoorbaar geluid veroorzaken.

Algemene richtlijnen:

• DC-motoren: Frequenties tussen 1 kHz en 20 kHz worden vaak gebruikt.
• Servomotoren: De PWM-frequentie wordt doorgaans bepaald door de specificaties van de servomotor (vaak rond de 50 Hz).
• BLDC-motoren: Frequenties tussen 10 kHz en 50 kHz worden vaak gebruikt om schakelverliezen en hoorbaar geluid te minimaliseren.

Houd rekening met de inductantie van de motor en de schakelkarakteristieken van de vermogenstransistors bij het selecteren van de PWM-frequentie. Motoren met een hogere inductantie vereisen mogelijk lagere frequenties om overmatige stroomrimpel te voorkomen. Snellere schakeltransistoren maken hogere frequenties mogelijk zonder significante toename van schakelverliezen.

2. Resolutie van de Duty Cycle

De resolutie van de duty cycle bepaalt de granulariteit van de controle over de snelheid en het koppel van de motor. Een hogere resolutie maakt fijnere aanpassingen en een soepelere werking mogelijk, vooral bij lage snelheden. De vereiste resolutie hangt af van de precisie-eisen van de toepassing.

Voorbeeld: Een 8-bit PWM biedt 256 discrete duty cycle-niveaus, terwijl een 10-bit PWM 1024 niveaus biedt. Voor toepassingen die een nauwkeurige snelheidsregeling vereisen, heeft een PWM met een hogere resolutie over het algemeen de voorkeur.

Microcontrollers met PWM-modules met een hogere resolutie (bijv. 12-bit of 16-bit) bieden de beste prestaties in veeleisende motorbesturingstoepassingen.

3. Invoegen van 'Dead Time'

In H-brug motoraandrijvingen is het essentieel om een korte vertraging ('dead time') in te voegen tussen het uitschakelen van de ene transistor en het inschakelen van de tegenoverliggende transistor. Dit voorkomt 'shoot-through'-stromen, die de transistors kunnen beschadigen. 'Shoot-through' treedt op wanneer beide transistors in dezelfde tak van de H-brug tijdelijk tegelijkertijd aan staan, wat een kortsluiting over de voeding veroorzaakt.

Berekening van de 'Dead Time': De vereiste 'dead time' hangt af van de schakelsnelheid van de transistors en de parasitaire inductantie in het circuit. Deze ligt doorgaans in het bereik van enkele honderden nanoseconden tot enkele microseconden.

Veel PWM-modules van microcontrollers hebben ingebouwde functies voor het genereren van 'dead time', wat de implementatie van H-brug motoraandrijvingen vereenvoudigt.

4. Filtering en EMI-reductie

PWM-signalen kunnen elektromagnetische interferentie (EMI) genereren door het snelle schakelen van stromen. Filteringtechnieken kunnen worden gebruikt om EMI te verminderen en de algehele systeemprestaties te verbeteren. Veelvoorkomende filtermethoden zijn:

• Ferrietkralen: Geplaatst op de voedingskabels van de motor om hoogfrequente ruis te onderdrukken.
• Condensatoren: Gebruikt om de voeding te ontkoppelen en spanningspieken weg te filteren.
• Afgeschermde kabels: Minimaliseren uitgestraalde emissies van de motorkabels.

Een zorgvuldige PCB-layout is ook cruciaal voor het minimaliseren van EMI. Houd sporen met hoge stroom kort en breed, en gebruik aardvlakken om een retourpad met lage impedantie voor stromen te bieden.

5. Terugkoppelingsregeling (Feedback Control)

Voor nauwkeurige motorbesturing worden vaak terugkoppelingsregelingstechnieken gebruikt. Terugkoppelingsregeling omvat het meten van de snelheid, positie of stroom van de motor en het dienovereenkomstig aanpassen van de PWM duty cycle om de gewenste prestaties te handhaven. Veelvoorkomende algoritmen voor terugkoppelingsregeling zijn:

• PID-regeling: Proportioneel-Integraal-Derivatief (PID) regeling is een veelgebruikt algoritme voor terugkoppelingsregeling dat de PWM duty cycle aanpast op basis van de fout tussen de gewenste en de werkelijke motorsnelheid of -positie.
• Field-Oriented Control (FOC): FOC is een geavanceerde regeltechniek die wordt gebruikt voor BLDC- en AC-motoren. Het regelt het koppel en de flux van de motor onafhankelijk, wat resulteert in een hoge efficiëntie en dynamische prestaties.

Het implementeren van terugkoppelingsregeling vereist een microcontroller met analoog-naar-digitaal-converter (ADC) mogelijkheden om de terugkoppelingssignalen te meten en voldoende verwerkingskracht om de regelalgoritmen in real-time uit te voeren.

Geavanceerde PWM-technieken

Naast de basisgeneratie van PWM zijn er verschillende geavanceerde technieken die de prestaties van de motorbesturing verder kunnen verbeteren:

1. Space Vector PWM (SVPWM)

SVPWM is een geavanceerde PWM-techniek die wordt gebruikt in driefasige omvormeraandrijvingen. Het biedt een verbeterd spanningsgebruik en verminderde harmonische vervorming in vergelijking met traditionele sinusoïdale PWM. SVPWM berekent de optimale schakelvolgorde voor de omvormertransistors om de gewenste uitgangsspanningsvector te synthetiseren.

2. Sigma-Delta Modulatie

Sigma-delta modulatie is een techniek die wordt gebruikt om PWM-signalen met een hoge resolutie te genereren. Het omvat het oversamplen van het gewenste signaal en het gebruik van een terugkoppelingslus om de kwantisatieruis te vormen, wat resulteert in een signaal met een hoge signaal-ruisverhouding. Sigma-delta modulatie wordt vaak gebruikt in audioversterkers en zeer nauwkeurige motorbesturingstoepassingen.

3. Willekeurige PWM (Random PWM)

Willekeurige PWM omvat het willekeurig variëren van de PWM-frequentie of duty cycle om het EMI-spectrum te spreiden. Dit kan de piek-EMI-niveaus verlagen en de algehele EMC (elektromagnetische compatibiliteit) prestaties van het systeem verbeteren. Willekeurige PWM wordt vaak gebruikt in toepassingen waar EMI een belangrijke zorg is, zoals in de auto- en luchtvaartindustrie.

Internationale Standaarden en Regelgeving

Bij het ontwerpen van motorbesturingssystemen voor internationale markten is het belangrijk om te voldoen aan relevante standaarden en regelgeving, zoals:

• IEC 61800: Elektrische aandrijfsystemen met regelbaar toerental
• UL 508A: Standaard voor Industriële Schakelpanelen
• CE-markering: Geeft conformiteit aan met de gezondheids-, veiligheids- en milieubeschermingsnormen van de Europese Unie.
• RoHS: Beperking van Gevaarlijke Stoffen Richtlijn
• REACH: Registratie, Evaluatie, Autorisatie en Restrictie van Chemicaliën

Deze normen behandelen aspecten zoals veiligheid, EMC en milieuconformiteit. Het raadplegen van experts op het gebied van regelgeving wordt aanbevolen om te zorgen voor naleving van de toepasselijke eisen in de doelmarkten.

Wereldwijde Voorbeelden en Casestudy's

Voorbeeld 1: Motorbesturing van Elektrische Voertuigen (EV)

EV's maken gebruik van geavanceerde motorbesturingssystemen op basis van PWM om de snelheid en het koppel van de tractiemotor te beheren. Deze systemen maken vaak gebruik van FOC-algoritmen en geavanceerde PWM-technieken (bijv. SVPWM) om de efficiëntie en prestaties te maximaliseren. Internationale bedrijven zoals Tesla (VS), BYD (China) en Volkswagen (Duitsland) lopen voorop in de technologie voor motorbesturing van EV's.

Voorbeeld 2: Industriële Robotica

Industriële robots vertrouwen op nauwkeurige motorbesturing om complexe taken uit te voeren. Servomotoren en BLDC-motoren worden vaak gebruikt, waarbij PWM wordt ingezet om hun positie en snelheid te regelen. Bedrijven zoals ABB (Zwitserland), Fanuc (Japan) en KUKA (Duitsland) zijn toonaangevende fabrikanten van industriële robots en motorbesturingssystemen.

Voorbeeld 3: Hernieuwbare Energiesystemen

Omvormers in zonne-energiesystemen en windturbines gebruiken PWM om gelijkstroom om te zetten in wisselstroom voor aansluiting op het net. Geavanceerde PWM-technieken worden gebruikt om harmonische vervorming te minimaliseren en de energie-efficiëntie te maximaliseren. SMA Solar Technology (Duitsland) en Vestas (Denemarken) zijn belangrijke spelers in de sector van hernieuwbare energie en ontwikkelen geavanceerde omvormerbesturingssystemen.

Conclusie

PWM-signaalgeneratie is een fundamentele techniek in moderne motorbesturingssystemen. Deze gids heeft de principes van PWM, verschillende implementatiemethoden, praktische overwegingen en geavanceerde onderwerpen die relevant zijn voor internationale engineeringprojecten, onderzocht. Door de nuances van PWM te begrijpen en zorgvuldig rekening te houden met de vereisten van de toepassing, kunnen ingenieurs efficiënte, betrouwbare en hoogwaardige motorbesturingssystemen ontwerpen voor een breed scala aan toepassingen over de hele wereld. Of het nu gaat om een eenvoudige snelheidsregelaar voor een DC-motor of een geavanceerde BLDC-motoraandrijving, het beheersen van PWM is essentieel voor elke ingenieur die werkzaam is op het gebied van motorbesturing en vermogenselektronica.