O modalitate mai bună de a comuta motoarele BLDC

Motoarele electrice cu curent continuu fără perii, sau motoarele BLDC, sunt motoare cu comutare electronică alimentate de o sursă de curent continuu prin intermediul unui controler de motor extern. Spre deosebire de rudele lor cu perii, motoarele BLDC se bazează pe un controler extern pentru a realiza comutația, care este procesul de comutare a curentului în fazele motorului pentru a genera mișcare. Motoarele cu perii au perii fizice pentru a realiza acest proces de două ori pe rotație, în timp ce motoarele BLDC nu au perii fizice, iar datorită naturii proiectării lor, acestea pot avea orice număr de perechi de poli pentru comutație. Acest articol va trece în revistă elementele de bază ale motoarelor BLDC, va examina metodele comune de comutare a motoarelor BLDC și va prezenta o nouă soluție pentru colectarea feedbackului de poziție.

Bazele comutării motorului BLDC

Cea mai comună configurație a motoarelor BLDC este cea trifazată. Numărul de faze corespunde numărului de înfășurări de pe stator, în timp ce polii rotorului pot fi în orice număr de perechi, în funcție de aplicație. Deoarece rotorul unui motor BLDC este influențat de polii rotativi ai statorului, poziția polilor statorului trebuie urmărită pentru a acționa eficient cele trei faze ale motorului. Prin urmare, se utilizează un controler de motor pentru a genera un model de comutație în 6 trepte pe cele trei faze ale motorului. Aceste șase etape, sau faze de comutație, deplasează un câmp electromagnetic care determină magneții permanenți ai rotorului să deplaseze arborele motorului (Figura 1).

Figura 1: model în 6 pași pentru comutația motorului BLDC. (Sursă imagine: Same Sky)

Pentru ca controlerul să comute eficient motorul, trebuie să dispună întotdeauna de informații exacte privind poziția rotorului. Senzorii cu efect Hall au fost o alegere populară pentru feedbackul de comutare încă de la apariția motoarelor fără perii. Într-un scenariu tipic, este nevoie de trei senzori pentru controlul trifazat. Senzorii cu efect Hall sunt încorporați în statorul motorului pentru a detecta poziția rotorului, care este utilizată pentru a comuta tranzistoarele din puntea trifazată pentru a acționa motorul. Cele trei ieșiri ale senzorilor sunt denumite în mod obișnuit canale U, V și W. Din nefericire, această metodă de feedback a poziției prezintă unele dezavantaje. În timp ce costul BOM al senzorilor cu efect Hall este scăzut, costul de integrare a acestor senzori în BLDC poate dubla costul total al motorului. În plus, controlerul primește doar o imagine parțială a poziției motorului de la senzorii cu efect Hall, ceea ce poate cauza probleme în sistemele în care este necesar un feedback precis al poziției pentru a funcționa corect.

Codificatoarele oferă o precizie mai mare

În lumea de astăzi, sistemele care necesită motoare BLDC au nevoie de mult mai multă precizie în măsurarea poziției decât până acum. Pentru a realiza acest lucru, codificatoarele incrementale pot fi cuplate la motorul BLDC pe lângă senzorii cu efect Hall. Acesta prezintă un sistem care oferă un feedback de poziție îmbunătățit, dar care necesită acum ca producătorul motorului să adauge ambii senzori Hall în motor, împreună cu un codificator incremental după asamblare. O opțiune mai bună ar fi să se renunțe complet la senzorii cu efect Hall și să se înlocuiască codificatorul incremental cu un codificator de comutare. Aceste codificatoare de comutare, cum ar fi seria AMT31 sau AMT33 de la Same Sky, au ieșiri incrementale pentru urmărirea precisă a poziției, împreună cu ieșiri de comutație care se potrivesc cu configurația polară specifică a motorului. Fiind digitale, codificatoarele de comutare Same Sky permit programarea acestor parametri, inclusiv a numărului de poli, a rezoluției și a direcției. Acest lucru oferă inginerului flexibilitate în timpul prototipării și testării, precum și un număr redus de coduri SKU ale codificatorului pentru mai multe modele.

Alinierea unui motor de comutare

Atunci când se aplică curent la un motor, acesta se învârte și, invers, atunci când un motor se învârte, acesta generează curent. Dacă ar fi să rotiți un motor BLDC, ați vedea ieșiri pe cele 3 faze similare cu Figura 2 de mai jos. Pentru a alinia în mod corespunzător un codificator de comutare sau chiar senzori cu efect Hall cu un motor BLDC, forma de undă de comutație rezultată trebuie să fie aliniată la forța contraelectromotoare. În mod tradițional, acest lucru duce la un proces iterativ care necesită un al doilea motor pentru a-l acționa pe primul și un osciloscop pentru a observa formele de undă. Acest lucru poate dura mult timp și poate adăuga costuri semnificative în timpul procesului de fabricație.

Figura 2: ieșirile de comutare și fazele motorului (Sursa imaginii: Same Sky)

Cu un codificator capacitiv AMT, procesul de aliniere este aproape instantaneu și necesită doar o sursă de alimentare. Odată ce codificatorul a fost montat, utilizatorul trebuie doar să aplice energie la cele două faze care corespund poziției de pornire dorite a codificatorului AMT și să trimită comanda de aliniere. În acest fel, utilizatorul a stabilit în esență poziția de pornire a formei de undă de comutare a codificatorului și a formei de undă a forței contraelectromotoare a motorului.

Pe lângă ușurința de aliniere, semnalele de comutare ale codificatorului AMT sunt aliniate mult mai precis la polii motorului. Alinierea unui codificator de comutare la un motor stabilește doar poziția de pornire (adică locul în care începe forma de undă a comutației). Dacă se face în mod corespunzător, forma de undă a comutației ar trebui să se potrivească perfect cu forma de undă a forței contraelectromotoare a motorului. Cu toate acestea, acest lucru nu este întotdeauna realizabil. O aliniere tipică cu senzori Hall sau cu un codificator optic este de ordinul a ±1 grade electrice. Codificatoarele AMT, pe de altă parte, pot atinge o precizie mult mai mare, de obicei în limita a ±0,1 grade electrice. Forma de undă a codificatorului AMT începe atunci când U și W sunt amândouă la nivel înalt (a treia stare în forma de undă de mai sus); consultați producătorul motorului dvs. pentru a obține o diagramă corespunzătoare a forței contraelectromotoare pentru a determina ce faze trebuie să fie alimentate în timpul alinierii.

Setări de direcție pentru codificatoarele de comutație AMT

Împreună cu funcțiile de numărare a polilor și de rezoluție programabile, seria AMT oferă o setare a direcției pentru aplicațiile de comutație - o opțiune unică care nu este oferită de majoritatea celorlalți producători de codificatore de comutație. Pe scurt, direcția vă spune în ce direcție trebuie să se rotească arborele codificatorului pentru ca semnalele de comutație să avanseze. În mod obișnuit, codificatoarele de comutare sunt plasate pe arborele din spate al motorului. În acest scenariu, semnalele de comutație avansează prin stările lor atunci când motorul se rotește în sens invers acelor de ceasornic (văzut din spatele motorului). Cu toate acestea, dacă puneți codificatorul pe arborele din față, practic răsturnați codificatorul cu susul în jos și acum, când rotiți motorul în sens invers acelor de ceasornic (văzut din spate), arborele codificatorului se rotește de fapt în sensul acelor de ceasornic (văzut de sus în jos pe codificator). Asta înseamnă că polii motorului se rotesc în direcția opusă polilor codificatorului, așa cum se arată în Figura 3 de mai jos. Alte tehnologii care nu includ această opțiune programabilă necesită înlocuirea fizică a discului de codificator sau a canalelor U, V, W pentru a îndeplini aceeași sarcină. Pentru aplicațiile care utilizează mai multe motoare BLDC cu cerințe direcționale diferite, această caracteristică programabilă poate fi deosebit de utilă.

Figura 3: forma de undă de comutație care merge în sens opus față de forța contraelectromotoare (Sursa imaginii: Same Sky)

Concluzie

Motoarele BLDC continuă să fie din ce în ce mai utilizate și pot excela în multe aplicații atunci când li se oferă o buclă de control strânsă și un feedback de detectare a poziției de înaltă precizie. Senzorii cu efect Hall au fost soluția preferată timp de mulți ani datorită costului redus al BOM-ului, dar adesea nu reușesc să ofere o imagine completă a poziției unui motor decât dacă sunt asociați cu un codificator incremental. Cu toate acestea, codificatoarele de comutație AMT de la Same Sky oferă o soluție completă care elimină în totalitate nevoia de senzori cu efect Hall și codificatore incrementale. Codificatoarele de comutație AMT31 sau AMT33 de la Same Sky sunt cele mai versatile opțiuni de pe piață datorită programabilității lor flexibile și instalării simple. O înțelegere de bază a principiilor de comutare a codificatoarelor, așa cum sunt prezentate în acest articol, poate face din acestea o opțiune convingătoare pentru un viitor proiect de motor BLDC.