En bedre måde at kommutere BLDC-motorer på

Børsteløse DC-motorer eller BLDC-motorer er elektronisk kommuterede motorer, der drives af en DC-kilde via en ekstern motorstyring. I modsætning til deres slægtninge med børstet motor er BLDC-motorer afhængige af en ekstern controller for at opnå kommutation, hvilket er processen med at skifte strømmen i motorens faser for at generere bevægelse. Børstede motorer har fysiske børster for at opnå denne proces to gange pr. rotation, mens BLDC-motorer ikke har det. På grund af deres design kan de have et vilkårligt antal polpar til kommutation. I denne artikel gennemgår vi BLDC-motorens grundprincipper, vi gennemgår almindelige metoder til kommutering af BLDC-motorer, og der introduceres en ny løsning til at indsamle positions-feedback.

Grundlæggende om kommutation af BLDC-motorer

Den mest almindelige konfiguration af BLDC-motorer er 3-faset. Antallet af faser svarer til antallet af viklinger på statoren, mens rotorpolerne kan være et vilkårligt antal par afhængigt af anvendelsen. Da rotoren i en BLDC-motor påvirkes af de roterende statorpoler, skal statorpolens position følges for effektivt at drive de tre motorfaser. Derfor anvendes en motorstyring til at generere et 6-trins kommuterings-mønster på de tre motorfaser. Disse seks trin, eller kommutationsfaser, bevæger et elektromagnetisk felt, som får rotorens permanente magneter til at bevæge motorakslen (Figur 1).

Figur 1: 6-trins mønster for kommutation af BLDC-motoren. (Billedkilde: Same Sky)

For at controlleren kan kommutere motoren effektivt, skal den altid have nøjagtige oplysninger om rotorens position. Hall-effekt-sensorer har været et populært valg til feedback om kommutation siden den børsteløse motor blev indført. I et typisk scenarie er der brug for tre sensorer til 3-faset styring. Hall-effekt-sensorerne er indbygget i motorens stator for at registrere rotorens position, som bruges til at skifte transistorerne i 3-fasebroen for at drive motoren. De tre sensorudgange betegnes normalt som U-, V- og W-kanaler. Desværre er der nogle ulemper ved denne metode til positions-feedback. Mens BOM-omkostningerne for Hall-effekt-sensorerne er lave, kan omkostningerne ved at integrere disse sensorer i BLDC-motoren fordoble motorens samlede omkostninger. Desuden får controlleren kun et delvist billede af motorens position fra Hall-effekt-sensorerne, hvilket kan give problemer i systemer, hvor præcis positions-feedback er nødvendig for at fungere korrekt.

Enkodere giver større præcision

I dagens verden har systemer, der kræver BLDC-motorer, brug for langt mere præcision i positionsmåling end nogensinde før. For at opnå dette kan der ud over Hall-effekt-sensorer også kobles inkrementelle enkodere til BLDC-motoren. Dette giver et system, der giver forbedret positions-feedback, men kræver nu, at motorfabrikanten tilføjer begge Hall-sensorer i motoren sammen med en inkremental enkoder efter montering. En bedre løsning er at springe Hall-effekt-sensorerne helt over og erstatte den inkrementelle encoder med en kommutations-enkoder. Disse kommutations-enkodere, såsom Same Sky AMT31-serie eller AMT33-serie, har inkrementelle udgange til præcis positionssporing sammen med kommutations-udgange, der passer til motorens specifikke pol-konfiguration. Same Sky digitale kommutations-encodere giver mulighed for at programmere disse parametre, herunder pol-antal, opløsning og retning. Dette giver ingeniøren fleksibilitet under prototypefremstilling og testning samt et reduceret antal encoder SKU'er på tværs af flere designs.

Justering af en kommuterings-motor

Når der tilføres strøm til en motor, drejer den rundt, og omvendt genererer den strøm, når du drejer en motor rundt. Hvis du drejer en BLDC-motor, vil du se output på de 3 faser, som ligner nedenstående figur 2. For at justere en kommutations-kodetæller eller endda Hall-effekt-sensorer korrekt til en BLDC-motor skal den resulterende kommutations-bølgeform justeres til back-EMF'en. Traditionelt resulterer dette i en iterativ proces, der kræver en anden motor til at drive den første motor og et oscilloskop til at observere bølgeformerne. Dette kan være tidskrævende og medføre betydelige omkostninger i fremstillingsprocessen.

Figur 2: Udgange og motorfaser (Billedkilde: Same Sky)

Med en AMT kapacitiv enkoder er justeringsprocessen næsten øjeblikkelig og kræver kun en strømforsyning. Når enkoderen er monteret, skal brugeren blot sætte strøm til de to faser, der svarer til AMT-enkoderens ønskede startposition, og sende en justeringskommando. Derved har brugeren i det væsentlige indstillet startpositionen for enkoderens kommuterings-bølgeform og motorens back-EMF bølgeform.

Ud over den lette justering er AMT-enkoderens kommutations-signaler meget mere præcist justeret til motorens poler. Ved at justere en kommutations-kodetæller til en motor indstilles startpositionen (dvs. hvor kommutations-bølgeformen begynder). Hvis det gøres korrekt, skal kommutationsbølgeforemen passe perfekt til motorens back-EMF kurveform. Det er dog ikke altid muligt at opnå dette. En typisk justering med hall-sensorer eller en optisk enkoder er i størrelsesordenen ±1 elektrisk grad. AMT-enkodere kan derimod opnå en langt større præcision, typisk inden for ±0,1 elektriske grader. AMT-enkoderens bølgeform begynder, når U og W begge er høje (tredje tilstand i ovenstående bølgeform); konsulter din motorfabrikant for at få det relevante back-EMF diagram for at bestemme, hvilke faser der skal aktiveres under justering.

Retningsindstillinger for AMT-kommutations-kodetællere

Sammen med de programmerbare polantal og opløsningsfunktioner tilbyder AMT-serien en retningsindstilling til kommutation. En unik mulighed, som de fleste andre producenter af kommutations-enkodere ikke tilbyder. Retningen fortæller dig ganske enkelt, hvilken vej enkoderens aksel skal rotere, for at kommutations-signalerne kan gå fremad. Typisk er kommutations-enkodere placeret på motorens bageste aksel. I dette scenarie går kommutations-signalerne gennem deres tilstande, når motoren drejer mod uret (set fra bagsiden af motoren). Men hvis du sætter enkoderen på den forreste aksel, har du i princippet vendt enkoderen på hovedet, og når du nu drejer motoren mod uret (set bagfra), drejer enkoderens aksel faktisk med uret (set ovenfra og ned på enkoderen). Det betyder, at motorens poler roterer i den modsatte retning som enkoderens poler, som vist i figur 3 nedenfor. Andre teknologier, der ikke indeholder denne programmerbare mulighed, kræver fysisk udskiftning af enkoder-disken eller U-, V- og W-kanalerne for at udføre den samme opgave. Til applikationer, der anvender flere BLDC-motorer med forskellige retningskrav, kan denne programmerbare funktion være særlig nyttig.

Figur 3: Bølgeform for kobling, der går modsat af back-EMF (Billedkilde: Same Sky)

Konklusion

BLDC-motorer bliver stadig mere og mere anvendt og kan udmærke sig i mange applikationer, når de har en stram styringssløjfe og en højpræcis positions-aftastnings feedback. Hall-effekt-sensorer har været den foretrukne løsning i mange år på grund af deres lave BOM-omkostninger, men de giver ofte ikke et fuldstændigt billede af motorens position, medmindre de er kombineret med en inkremental-enkoder. Same Sky AMT-kommutations-enkodere giver imidlertid en alt-i-én-løsning, der helt eliminerer behovet for Hall-effekt-sensorer og inkrementelle enkodere. Same Sky AMT31- eller AMT33-kommunikations-enkodere er de mest alsidige muligheder på markedet på grund af deres fleksible programmerbarhed og enkle installation. En grundlæggende forståelse af principperne for kommutations-kodning som beskrevet i denne artikel kan gøre dem til en overbevisende mulighed for et kommende BLDC-motorprojekt.