Motorstyrning

Elmotorer står för den enskilt största andelen av världens elkonsumtion vilket gör motoreffektivitet avgörande för att minska förbrukningen av våra ändliga resurser.

Omkring 45 % av vår globala energiförbrukning går åt till att driva motorer (World Energy Council: 2013 Survey Summary). De är en energikrävande men oumbärlig del av vårt vardagsliv och finns överallt – från små apparater i hemmet, som hushållsutrustning och verktyg, till elbilar och tåg i transportsektorn ända till de största industriella motorerna på oljeplattformar och i dammar.

Sedan den industriella revolutionen har vi sparat tid och arbete genom att driva praktiskt taget allt som går med motorer. En mängd olika eldrivna apparater har gjort vårt vardagsliv i hemmet lättare och bekvämare liksom våra arbetsplatser effektivare och mer lönsamma. Men till vilket pris?

Energislukande motorer och miljön

I en värld med försvinnande oljetillgångar, och en tid av oro för ekologi och miljö, ställs alla tillverkare av motordrivna produkter inför stora utmaningar. Samtidigt som förnybara energikällor ännu inte utgör några storskaliga alternativ kompliceras problemet i och med en ökande efterfrågan från växande ekonomier i Afrika, Asien och Sydamerika och en snabbt ökande global befolkning.

Regeringar över hela världen har de senaste åren infört allt strängare lagstiftning för att minska energiförbrukningen, och allt tyder på att denna utveckling kommer att fortsätta. Kunder i detaljhandeln har dessutom blivit mycket smartare och letar rutinmässigt efter produkter med låg energiförbrukning, vilket även gäller för kunder inom industrin som vill investera i mer effektiv utrustning.

Motorer som tar mindre plats

Konstruktörer står inte bara inför utmaningen att minimera energiförbrukningen, de måste även konstruera allt mindre motorer, driv- och styrenheter. En större trumma på en tvättmaskin är ett säljargument för kunderna, samtidigt som maskinen fortfarande måste hålla sig inom standardmåtten. Om man minskar utrymmet för elektronikkomponenter uppstår värmehanteringsproblem som medför ytterligare designutmaningar för ingenjörerna. Att bygga in kylning ökar energiförbrukningen, så motorerna måste konstrueras med förbättrade effektivitetsnivåer som ger en lägre värmeutveckling från första början.

Beståndsdelarna i ett system för motorstyrning




System för motorstyrning

Diagrammet ovan visar hur ett typiskt system för motorstyrning är uppbyggt beroende på motortyp, tillämpning, styrningens omfattning och eventuell övervakning.

Styrenhet – Vanligen mikrokontroller eller DSP. Klarar kommandon som riktning, hastighet och vridmoment. Genererar sedan en eller flera signaler för att driva motorn, vanligen som pulsbreddsmodulering (PWM). Styrenheten tar även emot återkoppling i form av ström- och positionsavkänning, vilket ger noggrannare styrning, skyddar motorn och detekterar fel.

Drivkrets – För att motorn kunna åstadkomma tillräcklig effekt krävs oftast en drivkrets. Den förstärker signalerna som genereras av styrenheten.

Sensorer – Ibland används en shunt eller halleffektenhet för att mäta den faktiska strömmen. Den faktiska motoråterkopplingen kan ske via induktiva sensorer, halleffektsensorer eller kodomvandlare. Återkopplingen kan användas för att implementera mer sofistikerad styrning i en sluten krets som använder värden kring motorn för att bättre generera utdata.

Filtrering – Tillämpas vanligtvis vid ett antal punkter i ett motorstyrningssystem för att dämpa EMI-källor. Filtreringstyper är bland annat ferritkärnor och spolar.

Isolering – Galvanisk isolering används vanligtvis för att isolera motorstyrningen från resten av systemet som kan vara känsligt mot transienter och ha annan jordpotential.

Motorer med och utan återkoppling

Den enklaste formen av motorstyrning är den utan återkoppling (open loop). Motorhastigheten ställs in till ett angivet värde som kan variera beroende på belastning med den slags system.

I ett system med återkoppling (closed loop) sänds information tillbaka till ingångssteget så att systemet kan anpassa sig självt. När hastigheten ställs in till ett angivet värde och belastningen förändras, reglerar styrenheten hastigheten så den kommer tillbaka till det angivna värdet. Ett bra exempel på detta är en positionsmotor på ett teleskop som ständigt återanpassar sig för att följa de rätta koordinaterna.


closed Loop diagram

Borstlösa likströmsmotorer (BLDC)

Av Elvir Kahrimanovic, Senior Application System Engineer på Infineon.

Allt fler tillämpningar inom motorstyrning byggs nu kring den borstlösa likströmsmotorn (BLDC), inom allt från sladdlösa kraftverktyg till industriell automation och från elcyklar till fjärrstyrda drönare. Även om BLDC-lösningar kräver mer komplicerad styrelektronik än borstade alternativ så har de här motorerna en mängd driftsfördelar, som högre effektivitet och kraftdensitet. Det gör att mindre, lättare och billigare motorer kan användas. Samtidigt utsätts de för mindre mekaniskt slitage vilket ger bättre tillförlitlighet, längre livslängd och mindre behov av kontinuerligt underhåll. BLDC-motorer drivs dessutom med mindre hörbart och elektriskt buller än borstade motsvarigheter.

BLDC-motorer kallas ibland för ECM-motorer (elektroniskt kommuterade motorer) och har en trefasstator som vrider rotorn via ett elektroniskt styrschema med en trefas inverterarkrets. Den här kretsen växlar kontinuerligt strömmen i statorns lindningar så att de synkroniseras med rotorpositionen, som identifieras via givare eller beräkningar baserade på den elektromotoriska kraften (EMF) vid varje givet ögonblick. Flödet som genereras i statorn interagerar med rotorns flöde, som definierar motorns vridmoment och varvtal.

När ingenjörer ska designa en BLDC-tillämpning kan de välja mellan diskreta komponenter och integrerade halvledare som samlar en mängd viktiga drivnings- och styrfunktioner i en och samma enhet.

Läs mer ingående om detta i Infineons faktablad: Power Loss and Optimised MOSFET Selection in BLDC Motor Inverter Designs available via DesignSpark.

Läs vidare om andra motortyper – borstade likströms- och växelströmsmotorer.

Utvalda BLCD produkter

Utvalda produkter för motorstyrning

En genväg til att konstruera en kompaktare, stabilare och effektivare motorstyrning med ON Semiconductors integrerade effektmoduler.

Utvalda märken för motorstyrning

Ytterligare resurser för motorstyrning

Motortyper

Elmotorer använder magnetism för att skapa rörelse. Det finns två huvudsakliga motorkategorier: växelströms- och likströmsmotorer.

Likströmsmotorn uppfanns först och är fortfarande den enklaste motortypen. Likströmsmotorer drivs genom att ett strömflöde passerar genom en ledare i ett magnetfält och frambringar ett roterande vridmoment. Huvudtyperna av likströmsmotorer är borstad likströmsmotor och borstlös likströmsmotor, där borstade motorer ger mer effekt genom att ansluta en strömkällas motsatta poler för att leverera negativ och positiv laddning till kommutatorn när den kommer i kontakt med borstarna.

Som namnet antyder saknar borstlösa motorer borstar och har i stället permanenta magneter monterade omkring motorn. Detta gör att det inte behövs några kommutatorer, anslutningar eller borstar. Borstade motorer är enkla och har ett lägre pris, men kräver i gengäld mer underhåll eftersom borstarna regelbundet behöver rengöras och bytas ut. Borstlösa motorer är å sin sida generellt mer exakta för användningsområden som kräver kontrollerad positionering och har den ytterligare fördelen att de kräver lite eller inget underhåll. Detta har dock sitt pris, då borstlösa motorer är dyrare att tillverka och kräver en motorstyrning som kan kosta lika mycket som själva motorn.

Växelströmsmotorer kan också delas in i två huvudtyper: asynkron- och synkronmotorer. Därtill kommer en tredje, ovanligare typ: linjära växelströmsmotorer.

På en grundläggande nivå består växelströmsmotorer av två huvudsakliga delar: motorns ytterdel kallas för stator – motorns stationära del – med spolar som matas med växelström för att skapa ett roterande magnetfält. På insidan är rotorn ansluten till en axel som frambringar ett annat roterande magnetfält. Linjära motorer fungerar på ett sätt som liknar roterande motorers, men har rörliga och stationära delar i en rak linje, vilket skapar en linjär rörelse i stället för rotation.

Asynkrona motorer benämns också ibland induktionsmotorer eftersom vridmomentet skapas genom elektromagnetisk induktion. De kallas ibland för ”ekorrburar” (squirrel cage) eller motorer med lindad rotor.

Synkronmotorer skiljer sig från asynkronmotorer genom att de drivs i precis synkronisering med nätfrekvensen. Induktionsmotorer däremot förlitar sig på induktion av ström för att skapa magnetfält och behöver en viss eftersläpning (något långsammare rotation) för att faktiskt generera en ström.

Vad du ska tänka på när du väljer motor

När du väljer en motor finns det ett antal grundegenskaper som du ska tänka på:

Checklista för konstruktion av motordriv- och styrsystem

Varvtal: Vilket varvtal behöver motorn köras med? Detta kommer att avgöra vilket slags varvtalsstyrning som behövs. Behöver du flera olika accelerationsförlopp?
Vridmoment: Är ett mått på rotationsvridkraften och mäts vanligtvis i Nm (newtonmeter)
Inbyggd växellåda: Inbyggd växellåda sänker varvtalet och ökar vridmomentet.
Effektkrav: Vilken märkeffekt behöver du? Gäller den för full belastning, normal belastning eller lätt belastning?
Märkeffekt: Anges vanligtvis i watt (W) eller hästkrafter (hk). Kontrollera normal drift och överlastvärden.
Strömförsörjning: Kontrollera krav på strömförsörjning: spänning och ström eller specifika styrenheter.
Mekanisk konfiguration: Motorstorlek och mått beror på användningsområdet. Allmän storlek, axelstorlek, monteringspunkter och vikt måste alla beaktas.

Produktlänkar för motorstyrning