Kuinka BLDC-moottoriohjain toimii: kommutointi, PWM ja käytännön viritys

Jos olet koskaan kysynyt, kuinka BLDC-moottoriohjain toimii, et ole yksin. Mikromoottoreiden valmistuksen vuosikymmeniä aikana olemme nähneet monien hyvin suunniteltujen moottoreiden epäonnistuneen kentällä vain siksi, että säätimeen ei kiinnitetty riittävästi huomiota. Harjaton DC-moottori on joukkuepelaaja: roottorin, staattorin, anturien ja elektroniikan on toimittava samassa rytmissä, ja ohjain on se, joka pitää sykkeen.

Mitä BLDC-moottoriohjain todella tekee?

BLDC-moottorissa on kestomagneetit roottorissa ja sarja käämiä staattorissa. Toisin kuin harjatussa moottorissa, siinä ei ole mekaanista kommutaattoria virran kytkemiseksi. Ohjaimen on suoritettava se työ elektronisesti, ja sen on tehtävä se juuri oikealla hetkellä roottorin asentoon nähden.

Yksinkertaisesti sanottuna ohjain luo pyörivän magneettikentän. Se tekee tämän DC-kolmivaiheisen invertterin, roottorin asennon tunnistuksen, elektronisen kommutoinnin, säädön ja vikasuojauksen avulla. Yhdessä nämä toiminnot määräävät staattorin käämeille lähetettävien virtapulssien ajoituksen ja järjestyksen. Tämä ajoitus on BLDC-moottoriohjaimen toiminnan ydin.

Hall-anturit ja kuusivaiheinen kommutointi

Selkein tapa tietää, mihin roottori osoittaa, on käyttää Hall-antureita. Nämä pienet magneettikytkimet on asennettu moottoriin ja ne tuottavat logiikkasignaalin, kun roottorimagneetti ohittaa ne. Kolme Hall-anturia jakavat yhden sähköisen kierroksen kuuteen sektoriin.

Kuusivaiheinen kommutointi, jota kutsutaan myös puolisuunnikkaan ohjaukseksi, on klassinen ohjausmenetelmä. Kussakin vaiheessa ohjain aktivoi kaksi kolmesta vaiheesta: yksi vedetty korkealle, yksi vedetty alas ja kolmas jätetty auki. Joka 60 sähköastetta säädin etenee seuraavaan sektoriin Hall-anturin kuvion perusteella.

Tämä yksinkertainen taulukko on käytännöllinen muistutus: kun ymmärrät elektronisen kommutoinnin vaiheen, useimmat johdotus- ja käynnistysongelmat on helpompi diagnosoida.

Anturiton Back-EMF-ohjaus

Hall-anturit lisäävät kustannuksia ja vaativat ylimääräisiä johtoja, joten monet säätimet käyttävät anturitonta ohjausta. Moottori itse tuottaa vasta-EMF-jännitteen, kun roottori pyörii. Ohjain mittaa tämän taka-EMF:n nollan ylityksen virittymättömässä vaiheessa selvittääkseen, missä roottori on.

Nollan ylitys ei yleensä ole kommutointihetki. Kuusiportaisessa ohjauksessa ohjain odottaa noin 30 sähköastetta nollan ylityksen jälkeen ja sitten kommutoidaan. Tarkka kulma voidaan säätää paremman tehokkuuden tai suuremman vääntömomentin saavuttamiseksi.

Anturittomalla ohjauksella on yksi tunnettu rajoitus: nollanopeudella ei ole takaisin-EMF:ää. Säätimen on ensin kohdistettava roottori kiinteällä jännitepulssilla ja nostettava sitten moottoria ylös ajastetulla tai avoimen silmukan kommutaatiolla, kunnes taka-EMF on tarpeeksi vahva lukemaan. Kuormille, jotka tarvitsevat täyden vääntömomentin pysähdyksissä, Hall-anturiversio on usein parempi valinta.

PWM, kuollut aika ja virranhallinta

Kommutointi kertoo säätimelle, mikä vaihe kytketään, mutta pulssinleveysmodulaatio kertoo kuinka paljon jännitettä on käytettävä. Katkaisemalla DC-väylän jännitettä kiinteällä taajuudella ja vaihtelemalla käyttöjaksoa säädin muuttaa käämin näkemää keskimääräistä jännitettä.

PWM ei aseta nopeutta suoraan. Se asettaa käyttöjännitteen ja moottorin nopeus yhdessä kuorman kanssa määrittää lopullisen toimintapisteen. Tästä syystä BLDC-ohjain valvoo myös virtaa. Jos kuormitus kasvaa, virta kasvaa ja hyvä säädin rajoittaa sitä ennen kuin käämit ylikuumenevat.

Yksi yksityiskohta, jolla on merkitystä erityisesti korkeilla PWM-taajuuksilla, on kuollut aika. Saman invertterin haaran ylä- ja alapuolen kytkimet eivät saa koskaan johtaa samalla hetkellä. Ohjain lisää lyhyen sammutusvälin kytkentätapahtumien väliin estääkseen läpivientivirran.

Ohjaussilmukat modernissa BLDC-ohjaimessa

Täydellisessä asemassa ohjain yleensä suorittaa useita sisäkkäisiä silmukoita.

• Virta- tai vääntömomenttisilmukka on sisin silmukka. Se mittaa vaihevirtaa ja säätää PWM:n toimintajakson seuraamaan vääntömomenttikäskyä.
• Nopeussilmukka vertaa mitattua nopeutta tavoitenopeuteen ja tulostaa vääntömomentin ohjearvon.
• Asentosilmukkaa käytetään servosovelluksissa, kuten teollisuusrobotit . Se antaa nopeussilmukalle paikkavirheen korjattavaksi.
• Käynnistyssilmukka hoitaa kohdistuksen, avoimen silmukan rampin ja siirtymisen suljetun silmukan anturittomaan toimintaan.

Näillä silmukoilla on yksi tavoite: pitää staattorikenttä ja roottorikenttä yhdessä, jotta moottori tuottaa tasaisen ja tehokkaan vääntömomentin.

Sinimuotoinen ohjaus ja kenttälähtöinen ohjaus

Kuusiportainen ohjaus on yksinkertainen ja edullinen, mutta se aiheuttaa vääntömomentin aaltoilua ja melua, koska virta vaihtuu äkillisesti. Kaksi sujuvampaa vaihtoehtoa ansaitsevat huomion.

Siniohjaus muuttaa vaihejännitteitä asteittain, mikä tekee staattorivirrasta sinimuotoisemman. Kenttäsuuntautunut ohjaus, jota joskus kutsutaan nimellä FOC, menee pidemmälle: se muuntaa kolmivaihevirrat kahdeksi komponentiksi, joista toinen liittyy vääntömomenttiin ja toinen vuoteeseen, ja ohjaa niitä itsenäisesti. FOC tarjoaa erittäin tasaisen hitaan toiminnan, hiljaisen akustiikan ja nopean dynaamisen vasteen.

Monille sähkötuulettimet ja pumppusovelluksissa kuusivaiheinen on edelleen hyväksyttävä. Mutta kun melulla tai tehokkuudella on merkitystä, tehokkaampi ohjainstrategia voi saada aikaan voimakkaamman eron kuin mikään muutos itse moottorissa.

Ohjaimen sovittaminen moottoriisi

Jopa täydellinen ohjausalgoritmi epäonnistuu, jos laitteistorajat ovat väärät. Tässä ovat tärkeimmät tarkistettavat parametrit:

• Nimellisjännite ja säätimen suurin käyttöjännite.
• Jatkuvat ja huippuvirran arvot, mukaan lukien jumivirta.
• Vaiheresistanssi ja induktanssi, jotka vaikuttavat siihen, kuinka nopeasti virta voi muodostua.
• Hall-anturin kohdistus anturipohjaista ohjausta varten.
• PWM-taajuus ja kuollut aika, erityisesti matala-induktanssimoottoreille.
• Suojausominaisuudet, kuten ylivirran, ylilämpötilan ja alijännitteen katkaisu.

Kokemuksemme mukaan moottorin ja ohjaimen valitseminen yhteensopivaksi sarjaksi säästää viikkojen virheenkorjausta. Yhdelle säädintyypille suunniteltu moottori voi käyttäytyä hyvin eri tavalla kuin toinen.

Käytännön testaus ja vianetsintä

Kun BLDC-moottori nykii, ylikuumenee tai menettää synkronoinnin, vika on usein säätimen asetuksissa eikä moottorissa. Lyhyt testirutiini auttaa.

1. Mittaa tasavirtavastus jokaisen moottorin johtoparin välillä. Kolmen lukeman tulee olla suunnilleen tasapainossa.
2. Pyöritä roottoria hitaasti ja tallenna Hall-anturin järjestys. Sen on vastattava odotettua kuuden sektorin mallia.
3. Tarkkaile vaihevirtaa oskilloskoopilla ja virta-anturin avulla. Tarkista puhdas puolisuunnikkaan tai sinimuotoinen aaltomuoto.
4. Käytä moottoria kuormittamattomana ja sitten kuormitettuna. Säätimen tulee pitää nopeus ilman liiallista virtaa.

Jos moottori nykii eikä käynnisty, tarkista Hallin johdot ja käynnistysramppi. Jos synkronointi katkeaa kuormituksen alaisena, etsi syöttöjännitteen heikkeneminen tai väärä ajoitus. Jos se käy kuumana, pienennä virtarajaa, säädä PWM-taajuutta tai paranna jäähdytystä.

Workshopistamme tuotteeseesi

Yli 30 vuoden mikromoottoreiden valmistuksen jälkeen olemme oppineet, että säätimen käyttäytyminen on osa moottorin suunnittelua. Säädin on valittava yhtä huolellisesti kuin lankamittari, magneetin laatu ja laakerijärjestelmä. Kun yhdistät hyvin käämityn moottorin oikein viritettyyn elektroniseen ohjaimeen, saat tuotteen, joka tuntuu luotettavalta ja käy hiljaa.

Yksi hyvä esimerkki on kompakti harjaton moottorimme drone-sovelluksiin. Se yhdistyy luonnollisesti sensorittoman ohjaimen kanssa, joka pystyy käsittelemään nopeaa kommutointia ja tiukkoja virtarajoja. Moottorin ja ohjaimen on kommunikoitava sähköisesti, ja varmistamme, että kytkentä on mahdollisimman yksinkertainen.

Jos suunnittelet pumppua, tuuletinta, robottia tai työkalua, muista, että ohjain on järjestelmän aivot. BLDC-moottoriohjaimen toiminnan ymmärtäminen auttaa sinua esittämään oikeita kysymyksiä, valitsemaan oikean moottorin ja tuomaan markkinoille luotettavamman tuotteen.