Lepsza metoda komutacji silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC)

Bezszczotkowe silniki elektryczne prądu stałego, lub silniki BLDC, są silnikami komutowanymi elektronicznie, zasilanymi ze źródła elektrycznego prądu stałego przez zewnętrzny kontroler silnika. W przeciwieństwie do modeli szczotkowych, komutacja w silnikach bezszczotkowych prądu stałego (BLDC) jest procesem przełączania prądu w fazach silnika w celu wygenerowania ruchu i polega na kontrolerze zewnętrznym. Silniki szczotkowe uzyskują ten efekt dwa razy na obrót za pomocą szczotek, a silniki bezszczotkowe prądu stałego nie. Ze względu na charakter ich konstrukcji mogą mieć dowolną liczbę par biegunów do komutacji. W tym artykule omówimy podstawy silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC), przyjrzymy się popularnym metodom komutacji silników BLDC oraz przedstawimy nowe rozwiązanie do uzyskiwania sygnału zwrotnego pozycji.

Podstawy komutacji silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC)

Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC) najczęściej mają konfigurację 3-fazową. Liczba faz odpowiada liczbie uzwojeń na stojanie, natomiast wirnik może mieć dowolną liczbę par biegunów w zależności od zastosowania. Ponieważ na wirnik silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC) oddziałują wirujące bieguny stojana, pozycja biegunów stojana musi być śledzona, aby skutecznie sterować trzema fazami silnika. Dlatego też kontroler silnika jest wykorzystywany do generowania 6-krokowego wzorca komutacyjnego na trzech fazach silnika. Te sześć kroków, czyli faz komutacji, porusza polem elektromagnetycznym, które powoduje, że magnesy trwałe wirnika poruszają wałem silnika (ilustracja 1).

Ilustracja 1: 6-krokowy wzór komutacji silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC). (Źródło ilustracji: Same Sky)

Aby kontroler mógł sprawnie komutować silnik, zawsze musi posiadać dokładne informacje o pozycji wirnika. Od czasu opracowania silników bezszczotkowych do przekazywania sygnału zwrotnego komutacji chętnie wybierane są czujniki hallotronowe. W typowym scenariuszu do sterowania 3-fazowego wymagane są trzy czujniki. Czujniki hallotronowe są wbudowane w stojan silnika w celu wykrywania pozycji wirnika, co jest wykorzystywane do przełączania tranzystorów w mostku 3-fazowym w celu sterowania silnikiem. Trzy wyjścia czujników są powszechnie określane jako kanały U, V i W. Niestety ta metoda sygnału zwrotnego pozycji ma pewne wady. Chociaż na wykazie materiałów (BOM) koszt czujnika hallotronowego jest niski, koszt integracji tych czujników z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (BLDC) może podwoić całkowity koszt silnika. Ponadto kontroler otrzymuje tylko częściowy obraz pozycji silnika z czujników hallotronowych, co może powodować problemy w systemach, w których do poprawnego działania wymagany jest precyzyjny sygnał zwrotny pozycji.

Enkodery zapewniają wyższą precyzję

We współczesnych systemach, które wymagają silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC), potrzebna jest znacznie większa precyzja pomiaru pozycji niż kiedykolwiek wcześniej. Aby to osiągnąć, oprócz czujników hallotronowych do silnika bezszczotkowego prądu stałego można podłączyć dodatkowo enkodery inkrementalne. Powstaje w ten sposób system, który zapewnia lepsze sygnały zwrotne położenia, ale obecnie wymaga od producenta silnika dodania do silnika zarówno czujników hallotronowych, jak i enkoderów inkrementalnych po montażu. Lepsza opcja eliminuje całkowicie czujniki hallotronowe i zastępuje enkoder inkrementalny enkoderem komutacyjnym. Enkodery komutacyjne, na przykład należące do serii AMT31 lub AMT33 firmy Same Sky, posiadają wyjścia przyrostowe do precyzyjnego śledzenia pozycji oraz wyjścia komutacyjne, które odpowiadają konkretnej konfiguracji biegunów silnika. Cyfrowe enkodery komutacyjne firmy Same Sky pozwalają na zaprogramowanie tych parametrów, w tym liczby biegunów, rozdzielczości i kierunku. Zapewnia to projektantowi elastyczność podczas prototypowania i testowania, a także zmniejszenie liczby pozycji magazynowych (SKU) enkodera w wielu projektach.

Wyrównywanie silnika komutacyjnego

Kiedy prąd jest doprowadzany do silnika, silnik obraca się i odwrotnie, obracanie silnikiem generuje prąd. Gdybyśmy mieli obracać silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (BLDC), zobaczylibyśmy sygnały wyjściowe na 3 fazach podobne do ukazanych na ilustracji 2 poniżej. Aby prawidłowo wyrównać enkoder komutacyjny, a nawet czujniki hallotronowe na silniku bezszczotkowym prądu stałego (BLDC), wynikowy przebieg komutacyjny powinien być wyrównany z siłą przeciwelektromotoryczną. Tradycyjnie skutkuje to procesem iteracyjnym wymagającym drugiego silnika do napędzania tego pierwszego oraz oscyloskopu do obserwacji przebiegów. Może to być czasochłonne i znacznie zwiększać koszty podczas procesu produkcji.

Ilustracja 2: komutacyjne sygnały wyjściowe i fazy silnika (źródło ilustracji: Same Sky)

Dzięki enkoderowi pojemnościowemu AMT proces wyrównywania jest niemal natychmiastowy i wymaga jedynie zasilania. Po zamontowaniu enkodera użytkownik musi jedynie przyłożyć zasilanie do dwóch faz, które odpowiadają żądanej pozycji początkowej enkodera AMT i wysłać polecenie wyrównania. W ten sposób użytkownik zasadniczo ustawia pozycję początkową przebiegu komutacji enkodera i przebiegu siły przeciwelektromotorycznej silnika.

Oprócz łatwości wyrównania, sygnały komutacyjne enkodera AMT są znacznie precyzyjniej wyrównane z biegunami silnika. Wyrównanie enkodera komutacyjnego z silnikiem powoduje jedynie ustawienie pozycji początkowej (tzn. miejsca, w którym rozpoczyna się przebieg komutacji). Jeśli zostanie to wykonane prawidłowo, przebieg komutacji powinien idealnie pasować do przebiegu siły przeciwelektromotorycznej silnika. Nie zawsze jednak jest to możliwe do osiągnięcia. Typowe wyrównanie za pomocą czujników halotronowych lub enkodera optycznego jest rzędu ±1 stopnia elektrycznego. Z kolei enkodery AMT mogą osiągnąć znacznie wyższą precyzję, zwykle w granicach ±0,1 stopnia elektrycznego. Przebieg enkodera AMT rozpoczyna się, gdy U i W są w stanie wysokim (trzeci stan na powyższym przebiegu). Odpowiedni wykres siły przeciwelektromotorycznej można uzyskać od producenta silnika, aby ustalić, które fazy powinny być zasilane podczas wyrównywania.

Ustawienia kierunku dla enkoderów komutacyjnych AMT

Oprócz programowanej liczby biegunów i funkcji rozdzielczości, seria AMT umożliwia ustawienie kierunku dla zastosowań komutacyjnych. Jest to wyjątkowa opcja, której nie udostępnia większość innych producentów enkoderów komutacyjnych. Mówiąc prościej, kierunek wskazuje, w którą stronę powinien obracać się wał enkodera, aby sygnały komutacyjne posuwały się do przodu. Zazwyczaj enkodery komutacyjne umieszczane są w tylnej części wału silnika. W tym przypadku sygnały komutacyjne przechodzą przez kolejne stany, gdy silnik obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (patrząc od tyłu silnika). Jeśli jednak umieścimy enkoder na przedniej części wału, to zasadniczo odwrócimy go dołem do góry. Teraz, gdy obracamy silnik w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (patrząc od tyłu), wał enkodera obraca się w rzeczywistości zgodnie z ruchem wskazówek zegara (patrząc od góry w dół na enkoder). Oznacza to, że bieguny silnika obracają się w kierunku przeciwnym niż bieguny enkodera, jak pokazano na ilustracji 3 poniżej. Inne technologie, które nie posiadają tej programowanej opcji, wymagają fizycznego przełożenia dysku enkodera lub kanałów U, V, W, aby wykonać to samo zadanie. W przypadku zastosowań wykorzystujących wiele silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC) o różnych wymaganiach dotyczących kierunku, omawiana funkcja programowana może być szczególnie przydatna.

Ilustracja 3: przebieg komutacji przeciwny do siły przeciwelektromotorycznej (EMF) (źródło ilustracji: Same Sky)

Podsumowanie

Silniki bezszczotkowe prądu stałego są stosowane coraz częściej i mogą się wyróżniać w wielu zastosowaniach z dokładną pętlą sterowania i wysoką dokładnością sygnału zwrotnego położenia. Czujniki hallotronowe były przez wiele lat najlepszym rozwiązaniem ze względu na ich niski koszt na wykazie materiałów (BOM), ale często nie zapewniają one pełnego obrazu pozycji silnika, jeżeli nie są używane w połączeniu z enkoderem inkrementalnym. Jednak enkodery komutacyjne AMT firmy Same Sky stanowią kompletne rozwiązanie, które całkowicie eliminuje potrzebę stosowania czujników hallotronowych i enkoderów inkrementalnych. Enkodery komutacyjne AMT31 lub AMT33 firmy Same Sky to najbardziej uniwersalne opcje na rynku dzięki elastycznym możliwościom programowania i prostej instalacji. Podstawowe zrozumienie zasad działania enkoderów komutacyjnych przedstawionych w tym artykule może sprawić, że będą one atrakcyjną opcją do zastosowania w projektach z użyciem silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC).