Dette er en bedre måte å kommutere (strømvending) BLDC-motorer (børsteløse likestrømsmotorer) på

Børsteløse likestrømsmotorer, eller BLDC-motorer, er elektronisk kommuterte (strømvending) motorer som er drevet av en elektrisk likestrømskilde (DC-kilde) via en ekstern motorstyreenhet. I motsetning til deres slektninger med børster, er BLDC-motorer (børsteløse likestrømsmotorer) avhengige av en ekstern kontroller for å oppnå kommutering, som er prosessen med å bytte strøm i motorfasene for å generere bevegelse. Børstemotorer har fysiske børster for å oppnå denne prosessen to ganger per rotasjon, mens BLDC-motorer ikke gjør det, og på grunn av deres konstruksjon, kan de ha et hvilket som helst antall polpar for kommutering. Denne artikkelen vil grunnleggende gjennomgå BLDC-motorer, se på vanlige metoder for kommuterende BLDC-motorer, og introdusere en ny løsning for å samle inn tilbakemelding om motorposisjon.

Grunnleggende om BLDC-motorkommutasjon

Den vanligste konfigurasjonen av BLDC-motorer er 3-faset. Antallet faser samsvarer med antallet viklinger på statoren, mens rotorpolene kan være et hvilket som helst antall par avhengig av utrustningen. Fordi rotoren til en BLDC-motor påvirkes av de roterende statorpolene, må statorpolposisjonen spores for effektivt å drive de tre motorfasene. Derfor brukes en motorstyreenhet til å generere et 6-trinns kommuteringsmønster på de tre motorfasene. Disse seks trinnene, eller kommuteringsfasene, beveger et elektromagnetisk felt som får rotorens permanentmagneter til å bevege motorakselen (figur 1).

Figur 1: 6-trinns mønster for BLDC-motorkommutasjon (motorkommutering). (Bildekilde: Same Sky)

For at styreenheten skal kunne kommutere motoren effektivt, må den alltid ha nøyaktig informasjon om rotorens posisjon. Hall-effektsensorene har vært det populære valget for kommuteringstilbakemelding siden starten av den børsteløse motoren. I et typisk scenario kreves tre sensorer for 3-faset styring. Hall-effektsensorene er innebygd i motorens stator for å detektere rotorposisjon, som brukes til å bytte transistorene i trefasebroen for å drive motoren. De tre sensorutgangene er vanligvis notert som U-, V- og W-kanaler. Dessverre er det noen ulemper med denne metoden for posisjonstilbakemelding. Mens materialkostnaden for Hall-effekt-sensorene er lav, kan kostnadene ved å integrere disse sensorene i børsteløse likestrømsmotorer doble den totale kostnaden for motoren. I tillegg får styreenheten bare et delvis bilde av motorens posisjon fra Hall-effektsensorene, noe som kan forårsake problemer i systemer der nøyaktig posisjonstilbakemelding er nødvendig for å fungere riktig.

Koderere (enkodere) gir større presisjon

I dagens verden trenger systemer som krever BLDC-motorer langt mer presisjon i posisjonsmåling enn noen gang før. For å oppnå dette kan inkrementelle (trinnvise) kodere sammenkobles med BLDC-motoren i tillegg til Hall-effektsensorer. Dette presenterer et system som gir forbedret posisjonstilbakemelding, men krever nå at motorprodusenten legger til begge Hall-effektsensorene i motoren, sammen med en inkrementell koder etter montering. Et bedre alternativ hopper over Hall-effektsensorene helt og erstatter den inkrementelle koderen med en kommuteringskoder. Disse kommutasjonskoderne, for eksempel Same Sky sin AMT31-serie eller AMT33-serie, har inkrementelle utganger for nøyaktig posisjonssporing, sammen med kommutasjonsutganger som samsvarer med motorens spesifikke polkonfigurasjon. Same Sky kommuteringskodere, som er digitale, gjør det mulig å programmerere disse parametrene, deriblant antall poler, oppløsning og retning. Dette gir ingeniøren fleksibilitet under prototyping og testing, samt et redusert antall kodere på tvers av flere konstruksjoner.

Justere en kommutasjonsmotor (kommuteringsmotor)

Når strøm påføres på en motor, roterer den, og omvendt når du roterer en motor, genererer den strøm. Hvis du skulle rotere en BLDC-motor, ville du se utganger på de 3 fasene som ligner på figur 2 nedenfor. For riktig innretting av en kommutasjonskoder eller til og med Hall-effektsensor til en BLDC-motor, bør den resulterende bølgeformen for kommutasjonen innrettes til den motrettede elektromotoriske kraften (electromotive force – EMF). Tradisjonelt resulterer dette i en iterativ prosess som krever en andre motor for å drive den første, og et oscilloskop for å observere bølgeformene. Dette kan være tidkrevende og legge til betydelige kostnader under produksjonsprosessen.

Figur 2: Kommuteringsutganger og motorfaser (Bildekilde: Same Sky)

Med en AMT-kapasitiv koder er justeringsprosessen nesten øyeblikkelig, og krever bare en strømforsyning. Når koderen er montert, trenger brukeren bare å tilføre strøm til de to fasene som tilsvarer den ønskede startposisjonen til AMT-koderen og sende innrettingskommandoen. Ved å gjøre dette har brukeren i det vesentlige satt startposisjonen for koderens bølgeform for kommutasjon og motorens bølgeform for motrettet elektromotorisk kraft (EMF-bølgeform).

I tillegg til den enkle innrettingen, er AMT-koderens kommuteringssignaler mye mer nøyaktig innrettet til motorpolene. Justering av en kommutasjonskoder til en motor setter bare startposisjonen (dvs. hvor bølgeformen for kommutasjonen begynner). Hvis det gjøres riktig, skal bølgeform for kommutasjon passe perfekt til bølgeformen til motorens motrettede elektromotoriske kraft (EMF-bølgeformen). Dette er imidlertid ikke alltid oppnåelig. En typisk innretting med hall-sensorer eller en optisk koder er i størrelsesorden ±1 elektriske grader. Derimot kan AMT-kodere, oppnå mye større presisjon, typisk innenfor ±0,1 elektriske grader. AMT-koderens bølgeform begynner når U og W begge er høye (tredje tilstand i ovennevnte bølgeform); Kontakt motorprodusenten for diagram for passende motrettet elektromotorisk kraft (EMF-diagram) for å bestemme hvilke faser som skal aktiveres under justering.

Retningsinnstillinger for AMT-kommutasjonskodere

Sammen med de programmerbare fuksjonene for antall poler og oppløsning, tilbyr AMT-serien en retningsinnstilling for kommuteringsutrustninger – et unikt alternativ som ikke tilbys av de fleste andre produsenter av kommuteringskodere. Enkelt sagt, retningen forteller deg hvilken vei koderens aksel skal rotere for at kommuteringssignalene skal gå videre. Typisk er kommuteringskodere plassert på motorens bakre aksel. I dette scenarioet går kommuteringssignalene gjennom sine tilstander når motoren dreies mot klokken (sett fra baksiden av motoren). Hvis du imidlertid setter koderen på den fremre akselen, har du i hovedsak snudd koderen opp ned, og nå når du roterer motoren mot klokken (sett fra baksiden), roterer koderens aksel faktisk med klokken (sett ovenfra og ned på koderen). Dette betyr at motorens poler roterer i motsatt retning som koderens poler, som vist i figur 3 nedenfor. Andre teknologier som ikke inkluderer dette programmerbare alternativet krever fysisk bytte av koder-platen eller U-, V-, W-kanalene for å utføre den samme oppgaven. For utrustninger som benytter flere BLDC-motorer med varierende retningskrav, kan denne programmerbare funksjonen være spesielt nyttig.

Figur 3: Bølgeformen for kommutasjon går motsatt av motrettet elektromotorisk kraft (motrettet EMF) (Bildekilde: Same Sky)

Konklusjon

BLDC-motorer fortsetter å utbrede seg i bruk og kan utmerke seg i mange bruksområder når de får en stram styrinssløyfe og høy nøyaktighet på tilbakemeldinger fra posisjonsavføling (posisjonsdeteksjon). Hall-effektsensorer har vært den mest vanlige løsningen i mange år på grunn av deres lave materialkostnad, men de kommer ofte til kort i å gi et komplett bilde av en motors posisjon med mindre de er sammenkoblet med en inkrementell koder. Men AMT-kommutasjonskodere fra Same Sky tilbyr imidlertid en alt-i-ett-løsning som helt eliminerer behovet for Hall-effektsensorer og inkrementelle kodere. Same Sky sine AMT31- eller AMT33-kommutasjonskodere er de mest allsidige alternativene på markedet, på grunn av deres fleksible programmerbarhet og enkle installasjon. En grunnleggende forståelse av prinsippene for kommuteringskoder som er beskrevet i denne artikkelen, kan gjøre dem til et overbevisende alternativ for et kommende BLDC-motorprosjekt.