המנועים גדלים, הדרייברים קטנים

מאת אליעזר יעקב

גלובל מו"פ בע"מ

דרישות הנעה רק הולכים וגדלים עם הזמן:

• יותר כוח
• יותר מהירות
• יותר דיוק

על מנת להצליח ולספק את הדרישות צריכת האנרגיה גודל, אם בגלל דרישת כוח גדול יותר, או יותר מהירות, או בגלל שנדרש להתמדה במקום ובמהירות של התנעה בדיוק גבוה יותר.

עם כל זה המקום הפנוי לדרייבר הולך וקטן.

זה נשמע כבעיה, אבל עם הטכנולוגיה המשתפרת כל העת יש לנו היום כלים ורכיבים שמאפשרים לנו לעמוד במשימה.

בוא נתקוף ונפתור כל בעיה לגופה:

1. יותר הספק, פחות נפח

מזמן אנו מתכננים דרייברים בשיטת PWM ולא לינארית על מנת לבקר מנועים וכך אנו חוסכים פיזור אנרגיה (בצורת חום) אומנם עדיין עם אנחנו צריכים לספק 1kw, ויש לנו יעילות של כ 90% משתמע מכך שכ100W מבוזבזים ביצירת חום, והדרישות לדרייברים קטנים יותר מקטין יכולת פיזור אנרגיה ולא להפך, כך שאנו צריכים פטרון נוסף.

פתרון שיטת PWM הינה בכיוון הנכון, אומנם יש צורך בלדייק בתזמון על מנת שנוכל להגדיל את היעילות ולהגיע לכ- 98-99%.

לשם כך אנו צריכים למתג את הטרנזיסטורים ההספק בדיוק של ננו שניות, על מנת

שפעולה הBreak Before Make תתקיים באופן מדויק אבל מבלי לפגוע במעבר האנרגיה לעומס.

← אם להפעלה של טרנזיסטורי ההספק יש הפסקות רחבות, Break Before Make מובטח, אבל מעבר אנרגיה לעומס קטן.

← אם להפעלה של טרנזיסטורי ההספק יש הפסקות קצרות, מעבר האנרגיה לעומס רציף יותר אבל מסתכנים אי שמירה על Break Before Make תקין, משיכול לגרום לבזבוז אנרגיה רבה בפרקי זמן קצרים ולפגיע בטרנזיסטורי ההספק.

לכן נדרש מיתוג מדויק מעוד של טרזיסטורי ההספק. רווח נוסף הינו שמיתוג מדויק גם מאפשר עיצוב של זרמי המנוע רציפים יותר, שמקטין בנוסף את ערך הסלילים בפילטרים כך שגם פחות אנרגיה מתבזבז על התנגדות העצמית שלהם ושוב היעילות גודל.

על מנת למתג בדיוק כזאת גבוהה את הטרנזיסטורים אנו משתמשים ברכיבי FPGA.

פיתוח החומרה של הדרייבר ע"י FPGA מאפשר תכנון תזמון מדויק וחזרתי של סיגנל הבקרה.

מיתוג מדויק מקל גם להעביר סטנדרטיים (רגולציות) :

• פחות חום, בטיחותי יותר ואמין יותר
• קל יותר לפלטר, פחות פליטת EMI

Example of a basic FPGA power driver (one phase shown)

Partial design of the FPGA schematics for the above driver
(note: the CAD used will output VHDL from the schematics)

2. יותר דיוק

דרישות הדיוק גם הם הולכים וגדלים.

שימוש באנקודרים, אקסלרומטרים, גירויים, מדי כח ולחץ בדיוקים גבוהים מצריכים גם הם להגיע לגבולות טכנולוגיות.

נפרת בהמשך בקיצור חלק מהאתגרים:

• במקרה של אנקודרים נדרשנו לפתח דריבר המסוגל לדייק במיקום פי 100 מהפולסים של האיקודר עצמו, לכן ממשנו שוב ע"י FPGA ׁׁׁ (אותו FPGA שבצידו השני דואג לדרייב נכון לטרזיסטורי ההספק) אלגוגוריטים שמאפשר חישוב פרדיקציה של המקום בין 2 פולסי האנקודר בדיוק טוב מ 1%.
  התוצאה מדויקת מכיוון ששינוי המהירות של העומס בין שתי פולסי האנקודר קטן יותר מ1% כך שאלוגוריטים הפרדיוקציה יכול לעדכן את החישוב בכל פולס אנקודר ולהיות מדויק כפי שנדרש.

Design of the FPGA encCoder prediction algorithm schematics for the above driver
(note: the CAD used will output VHDL from the schematics)

• במקרה של סנסורים אנלוגיים בנינו קונדיטיונרים בדיוקים של 16bit עף על פי הקרבה הפיזית לאזורי הספק.
  על מנת להגיע לדיוקים האלה סנכרנו את סיגנלי הADC לסיגנלי הדרייב, גם זה מתאפשר מכיוון שהגישה לADC ויצור כל סגנלי התזמון בשבילו מתבצע ע”י אותו FPGA שבצדו השני דואג לדרייב נכון לטרזיסטורי ההספק
  

Partial design of a 16bit conditioner for the above driver
(only one sensor channel shown)

בסיכום

בסופו של התהליך יש לנו דרייבר שכולל רק רכיב FPGA בגודל שיכול להיות גם3X3 מ"מ, טרנזיסטורים באריזות גם מילימטריות על מעגל מודפס, שבעריכה נכונה מסתדר עם מעט שכבות (רצוי רק 2).

דרייבר קטן ביותר המפעיל הספקים לא מבוטלים מבלי להתחמם ומבלי להקרין אנרגיה אלקטרומגנטית לסביבה בדיוקים מדהימים.

גלובל מו"פ בע"מ מתמחה בפתרונות למערכות רב דיסציפלינריות כלל פיתוח אלקטרוניקה חיישניים לאיסוף נתונים, בקרים(מעבדים) ו- FPGA, חומרה אנלוגית ודיגיטלית, אלגוריתמים בביצוע ע"י החומרה דיגיטלית, ותקשורת.