Ako funguje ovládač motora BLDC: komutácia, PWM a praktické ladenie

Ak ste sa niekedy pýtali, ako funguje regulátor motora BLDC, nie ste sami. Počas desaťročí výroby mikromotorov sme videli, že veľa dobre navrhnutých motorov zlyhalo v teréne jednoducho preto, že ovládaču nebola venovaná dostatočná pozornosť. Bezuhlíkový jednosmerný motor je tímový hráč: rotor, stator, snímače a elektronika musia pracovať v rovnakom rytme a regulátor je ten, ktorý udržiava rytmus.

Čo vlastne robí ovládač motora BLDC?

BLDC motor má permanentné magnety na rotore a sadu cievok na statore. Na rozdiel od brúseného motora tu nie je žiadny mechanický komutátor na spínanie prúdu. Riadiaca jednotka musí túto úlohu vykonať elektronicky a musí ju vykonať presne v správnom okamihu vzhľadom na polohu rotora.

Zjednodušene povedané, regulátor vytvára rotujúce magnetické pole. Robí to pomocou jednosmerného na trojfázového meniča, detekcie polohy rotora, elektronickej komutácie, regulácie a ochrany proti poruchám. Spoločne tieto funkcie určujú časovanie a postupnosť prúdových impulzov odosielaných do vinutí statora. Toto načasovanie je podstatou toho, ako funguje ovládač motora BLDC.

Hallove senzory a šesťstupňová komutácia

Najjednoduchší spôsob, ako zistiť, kam smeruje rotor, je použiť Hallove senzory. Tieto malé magnetické spínače sú namontované v motore a vytvárajú logický signál, keď okolo nich prejde magnet rotora. Tri Hallove senzory rozdeľujú jednu elektrickú otáčku do šiestich sektorov.

Šesťstupňová komutácia, nazývaná aj lichobežníkové riadenie, je klasickým spôsobom riadenia. V každom kroku regulátor napája dve z troch fáz: jednu vytiahnutú vysoko, jednu pritiahnuť nízko a tretiu ponechať otvorenú. Každých 60 elektrických stupňov regulátor postúpi do ďalšieho sektora na základe vzoru Hallovho senzora.

Táto jednoduchá tabuľka je praktickou pripomienkou: akonáhle pochopíte krok elektronickej komutácie, väčšina problémov s elektroinštaláciou a spustením sa ľahšie diagnostikuje.

Bezsenzorové riadenie spätného EMF

Hallove senzory zvyšujú náklady a vyžadujú ďalšie káble, takže mnoho regulátorov používa bezsenzorové ovládanie. Samotný motor generuje spätné EMF napätie, keď sa rotor otáča. Regulátor meria prechod cez nulu tohto spätného EMF v nebudenej fáze, aby zistil, kde sa rotor nachádza.

Prechod nulou zvyčajne nie je okamihom komutácie. Pri šesťstupňovom riadení čaká regulátor asi 30 elektrických stupňov po prekročení nuly a potom komutuje. Presný uhol je možné vyladiť pre lepšiu účinnosť alebo vyšší krútiaci moment.

Bezsenzorové ovládanie má jedno známe obmedzenie: pri nulovej rýchlosti nedochádza k spätnému EMF. Riadiaca jednotka musí najskôr zarovnať rotor s pevným napäťovým impulzom a potom rozbehnúť motor pomocou časovanej komutácie alebo komutácie s otvorenou slučkou, kým spätné EMF nie je dostatočne silné na čítanie. Pre záťaže, ktoré vyžadujú plný krútiaci moment z pokoja, je často lepšou voľbou verzia s Hallovým snímačom.

PWM, Dead Time a Current Control

Komutácia hovorí ovládaču, ktorú fázu má pripojiť, ale modulácia šírky impulzu mu hovorí, aké napätie sa má použiť. Prerušením napätia jednosmernej zbernice pri pevnej frekvencii a zmenou pracovného cyklu ovládač zmení priemerné napätie, ktoré vidí vinutie.

PWM nenastavuje priamo rýchlosť. Nastavuje hnacie napätie a otáčky motora spolu so záťažou určujú konečný pracovný bod. To je dôvod, prečo regulátor BLDC tiež monitoruje prúd. Ak sa zaťaženie zvýši, prúd stúpa a dobrý regulátor ho obmedzí pred prehriatím vinutia.

Jeden detail, ktorý je dôležitý najmä pri vysokých frekvenciách PWM, je mŕtvy čas. Spínače vysokej a nízkej strany v rovnakej vetve meniča sa nikdy nesmú správať v rovnakom okamihu. Riadiaca jednotka vkladá medzi spínacie udalosti krátky interval zatemnenia, aby sa zabránilo prechodovému prúdu.

Riadiace slučky v modernom BLDC ovládači

V úplnom pohone regulátor zvyčajne spúšťa niekoľko vnorených slučiek.

• Prúdová alebo momentová slučka je najvnútornejšia slučka. Meria fázový prúd a upravuje pracovný cyklus PWM tak, aby nasledoval príkaz krútiaceho momentu.
• Rýchlostná slučka porovnáva nameranú rýchlosť s cieľovou rýchlosťou a vydáva referenciu krútiaceho momentu.
• Polohová slučka sa používa v servo aplikáciách ako napr priemyselné roboty . Dáva rýchlostnej slučke chybu polohy na opravu.
• Spúšťacia slučka sa stará o zarovnanie, rampovanie s otvorenou slučkou a prechod na bezsenzorovú prevádzku s uzavretou slučkou.

Tieto slučky zdieľajú jeden cieľ: udržať pole statora a pole rotora v spolupráci, aby motor vytváral hladký a efektívny krútiaci moment.

Sínusové riadenie a riadenie orientované na pole

Šesťstupňové ovládanie je jednoduché a lacné, ale vytvára zvlnenie krútiaceho momentu a hluk, pretože prúd sa spína náhle. Pozornosť si zaslúžia dve hladšie alternatívy.

Sínusové riadenie postupne mení fázové napätia, čím sa statorový prúd stáva viac sínusovým. Riadenie orientované na pole, niekedy nazývané FOC, ide ešte ďalej: transformuje trojfázové prúdy na dve zložky, jednu súvisiacu s krútiacim momentom a druhú s tokom, a riadi ich nezávisle. FOC poskytuje veľmi hladkú prevádzku pri nízkych rýchlostiach, tichú akustiku a rýchlu dynamickú odozvu.

Pre mnohých elektrické ventilátory a pumpové aplikácie, šesťstupňové je stále prijateľné. Ak však záleží na hlučnosti alebo účinnosti, stratégia riadenia s vyšším výkonom môže znamenať väčší rozdiel ako akákoľvek zmena v samotnom motore.

Prispôsobenie ovládača vášmu motoru

Dokonca aj dokonalý riadiaci algoritmus zlyhá, ak sú hardvérové limity nesprávne. Tu sú hlavné parametre na kontrolu:

• Menovité napätie a maximálne prevádzkové napätie regulátora.
• Hodnoty trvalého a špičkového prúdu vrátane blokovacieho prúdu.
• Fázový odpor a indukčnosť, ktoré ovplyvňujú rýchlosť vytvárania prúdu.
• Zarovnanie Hallovho snímača pre riadenie založené na snímači.
• Frekvencia PWM a mŕtvy čas, najmä pre motory s nízkou indukčnosťou.
• Ochranné funkcie, ako je nadprúd, prehriatie a vypnutie pod napätím.

Podľa našich skúseností výber motora a ovládača ako zladenej súpravy ušetrí týždne ladenia. Motor navrhnutý pre jeden typ regulátora sa môže správať veľmi odlišne od iného.

Praktické testovanie a odstraňovanie problémov

Keď sa motor BLDC šklbe, prehrieval alebo stratil synchronizáciu, chyba je často skôr v nastavení regulátora než v motore. Pomáha krátka testovacia rutina.

1. Odmerajte jednosmerný odpor medzi každým párom vodičov motora. Tieto tri hodnoty by mali byť približne vyrovnané.
2. Pomaly otáčajte rotorom a zaznamenávajte sekvenciu Hallovho senzora. Musí zodpovedať očakávanému šesťsektorovému vzoru.
3. Sledujte fázový prúd pomocou osciloskopu a prúdovej sondy. Skontrolujte čistý lichobežníkový alebo sínusový tvar vlny.
4. Spustite motor nezaťažený a potom pod zaťažením. Regulátor by mal udržiavať rýchlosť bez nadmerného prúdu.

Ak motor trhne a nenaštartuje, skontrolujte Hallovu kabeláž a štartovaciu rampu. Ak pri zaťažení stratí synchronizáciu, hľadajte pokles napájacieho napätia alebo nesprávny predstih časovania. Ak je horúca, znížte limit prúdu, upravte frekvenciu PWM alebo zlepšite chladenie.

Od našej dielne až po váš produkt

Po viac ako 30 rokoch výroby mikromotorov sme sa naučili, že správanie regulátora je súčasťou konštrukcie motora. Ovládač sa musí vyberať s rovnakou starostlivosťou ako prierez drôtu, trieda magnetu a systém ložísk. Keď skombinujete dobre vinutý motor so správne vyladeným elektronickým ovládačom, získate produkt, ktorý pôsobí spoľahlivo a má tichý chod.

Dobrým príkladom je náš kompaktný bezkomutátorový motor pre dronové aplikácie. Prirodzene sa spáruje s bezsenzorovým ovládačom, ktorý zvládne rýchlu komutáciu a prísne limity prúdu. Motor a ovládač musia komunikovať elektricky a my dbáme na to, aby bolo prepojenie čo najjednoduchšie.

Ak navrhujete čerpadlo, ventilátor, robota alebo nástroj, nezabudnite, že ovládač je mozgom systému. Pochopenie toho, ako funguje ovládač motora BLDC, vám pomôže klásť správne otázky, vybrať správny motor a priniesť na trh spoľahlivejší produkt.