کنترلر موتور BLDC چگونه کار می کند: کموتاسیون، PWM و تنظیم عملی

اگر تا به حال پرسیده اید که کنترل کننده موتور BLDC چگونه کار می کند، تنها نیستید. در دهه‌های تولید میکروموتورهای ما، بسیاری از موتورهای خوش‌طراحی شده را دیده‌ایم که فقط به دلیل عدم توجه کافی به کنترل‌کننده، در این زمینه از کار می‌افتند. یک موتور DC بدون جاروبک یک بازیکن تیمی است: روتور، استاتور، حسگرها و قطعات الکترونیکی هر کدام باید با یک ریتم کار کنند، و کنترل کننده آن است که ضربان را حفظ می کند.

کنترل کننده موتور BLDC در واقع چه کاری انجام می دهد؟

یک موتور BLDC دارای آهنرباهای دائمی روی روتور و مجموعه ای از سیم پیچ ها روی استاتور است. برخلاف موتورهای برس خورده، هیچ کموتاتور مکانیکی برای تغییر جریان وجود ندارد. کنترل کننده باید آن کار را به صورت الکترونیکی انجام دهد و باید آن را دقیقاً در لحظه مناسب نسبت به موقعیت روتور انجام دهد.

به عبارت ساده، کنترل کننده یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می کند. این کار را با یک اینورتر DC به سه فاز، تشخیص موقعیت روتور، کموتاسیون الکترونیکی، تنظیم و محافظت از خطا انجام می دهد. این توابع با هم زمان و توالی پالس های جریان ارسال شده به سیم پیچ های استاتور را تعیین می کنند. این زمان‌بندی ماهیت نحوه عملکرد یک کنترل‌کننده موتور BLDC است.

سنسورهای هال و کموتاسیون شش مرحله ای

ساده ترین راه برای دانستن اینکه روتور به کجا اشاره می کند، استفاده از سنسورهای هال است. این کلیدهای مغناطیسی کوچک در موتور نصب می شوند و هنگامی که آهنربای روتور از آنها عبور می کند یک سیگنال منطقی تولید می کنند. سه سنسور هال یک چرخش الکتریکی را به شش بخش تقسیم می کنند.

کموتاسیون شش مرحله ای که کنترل ذوزنقه ای نیز نامیده می شود، روش کنترل کلاسیک است. در هر مرحله، کنترل کننده به دو مرحله از سه فاز انرژی می دهد: یکی بالا کشیده می شود، یکی پایین کشیده می شود و سومی باز باقی می ماند. هر 60 درجه الکتریکی، کنترل کننده بر اساس الگوی سنسور هال به بخش بعدی پیش می رود.

این جدول ساده یک یادآوری عملی است: هنگامی که مرحله کموتاسیون الکترونیکی را درک کردید، تشخیص اکثر مشکلات سیم کشی و راه اندازی آسان تر می شود.

کنترل بدون سنسور Back-EMF

سنسورهای هال هزینه اضافه می‌کنند و به سیم‌های اضافی نیاز دارند، بنابراین بسیاری از کنترل‌کننده‌ها از کنترل بدون سنسور استفاده می‌کنند. خود موتور هنگام چرخش روتور یک ولتاژ back-EMF تولید می کند. کنترل کننده عبور صفر این EMF پشتی را در فاز تحریک نشده اندازه گیری می کند تا مشخص کند روتور کجاست.

عبور از صفر معمولاً لحظه کموتاسیون نیست. در کنترل شش مرحله ای، کنترلر پس از عبور از صفر حدود 30 درجه الکتریکی منتظر می ماند و سپس تغییر می کند. زاویه دقیق را می توان برای بازده بهتر یا گشتاور بیشتر تنظیم کرد.

کنترل بدون سنسور یک محدودیت شناخته شده دارد: در سرعت صفر، هیچ EMF برگشتی وجود ندارد. کنترل‌کننده ابتدا باید روتور را با یک پالس ولتاژ ثابت تراز کند، سپس موتور را با کموتاسیون زمان‌بندی‌شده یا حلقه باز بالا بیاورد تا زمانی که EMF پشتی آنقدر قوی شود که بتواند خوانده شود. برای بارهایی که نیاز به گشتاور کامل از حالت سکون دارند، یک نسخه با سنسور هال اغلب انتخاب بهتری است.

PWM، زمان مرده و کنترل جریان

کموتاسیون به کنترل کننده می گوید که کدام فاز را وصل کند، اما مدولاسیون عرض پالس به آن می گوید که چه مقدار ولتاژ اعمال کند. با قطع ولتاژ باس DC در فرکانس ثابت و تغییر چرخه کار، کنترل کننده ولتاژ متوسطی را که توسط سیم پیچ مشاهده می شود تغییر می دهد.

PWM مستقیماً سرعت را تنظیم نمی کند. ولتاژ محرک را تنظیم می کند و سرعت موتور همراه با بار، نقطه عملیاتی نهایی را تعیین می کند. به همین دلیل است که یک کنترل کننده BLDC جریان را نیز کنترل می کند. اگر بار افزایش یابد، جریان افزایش می یابد و یک کنترل کننده خوب آن را قبل از گرم شدن بیش از حد سیم پیچ ها محدود می کند.

یکی از جزئیاتی که به ویژه در فرکانس های PWM بالا اهمیت دارد، زمان مرده است. کلیدهای سمت بالا و پایین در یک شاخه اینورتر هرگز نباید در یک لحظه هدایت شوند. کنترل کننده یک فاصله خالی کوتاه بین رویدادهای سوئیچینگ قرار می دهد تا از جریان عبوری جلوگیری کند.

حلقه های کنترل در یک کنترلر BLDC مدرن

در یک درایو کامل، کنترلر معمولاً چندین حلقه تودرتو اجرا می کند.

• حلقه جریان یا گشتاور داخلی ترین حلقه است. جریان فاز را اندازه گیری می کند و چرخه وظیفه PWM را برای پیروی از فرمان گشتاور تنظیم می کند.
• حلقه سرعت، سرعت اندازه گیری شده را با سرعت هدف مقایسه می کند و مرجع گشتاور را تولید می کند.
• حلقه موقعیت در کاربردهای سروو مانند ربات های صنعتی . به حلقه سرعت یک خطای موقعیت برای تصحیح می دهد.
• حلقه راه اندازی، تراز، رمپ حلقه باز، و انتقال به عملیات بدون حسگر حلقه بسته را کنترل می کند.

این حلقه ها یک هدف مشترک دارند: حفظ میدان استاتور و میدان روتور با هم کار کنند تا موتور گشتاور صاف و کارآمد تولید کند.

کنترل سینوسی و کنترل میدان گرا

کنترل شش مرحله ای ساده و ارزان است، اما به دلیل تغییر ناگهانی جریان، امواج گشتاور و نویز ایجاد می کند. دو جایگزین هموارتر شایسته توجه هستند.

کنترل سینوسی به تدریج ولتاژهای فاز را تغییر می دهد و جریان استاتور را سینوسی تر می کند. کنترل میدان گرا، که گاهی اوقات FOC نامیده می شود، فراتر می رود: جریان های سه فاز را به دو جزء، یکی مربوط به گشتاور و دیگری مربوط به شار، تبدیل می کند و آنها را به طور مستقل کنترل می کند. FOC عملکرد بسیار نرم با سرعت کم، آکوستیک آرام و پاسخ دینامیکی سریع را ارائه می دهد.

برای خیلی ها فن های برقی و کاربردهای پمپ، شش مرحله ای هنوز قابل قبول است. اما وقتی نویز یا کارایی مهم است، یک استراتژی کنترل‌کننده با عملکرد بالاتر می‌تواند تفاوتی قوی‌تر از هر تغییری در خود موتور ایجاد کند.

تطبیق کنترلر با موتور شما

اگر محدودیت های سخت افزاری اشتباه باشد، حتی یک الگوریتم کنترل کامل نیز با شکست مواجه خواهد شد. در اینجا پارامترهای اصلی برای بررسی وجود دارد:

• ولتاژ نامی و حداکثر ولتاژ عملیاتی کنترلر.
• درجه بندی جریان پیوسته و پیک، از جمله جریان توقف.
• مقاومت فاز و اندوکتانس، که بر سرعت ایجاد جریان تأثیر می گذارد.
• تراز سنسور هال برای کنترل مبتنی بر حسگر.
• فرکانس PWM و زمان مرده، به ویژه برای موتورهای اندوکتانس پایین.
• ویژگی های حفاظتی مانند جریان بیش از حد، دمای بیش از حد، و خاموش شدن کمتر از ولتاژ.

در تجربه ما، انتخاب موتور و کنترلر به عنوان یک مجموعه منطبق، هفته ها از اشکال زدایی صرفه جویی می کند. یک موتور طراحی شده برای یک نوع کنترل کننده ممکن است رفتار بسیار متفاوتی با دیگری داشته باشد.

تست عملی و عیب یابی

هنگامی که یک موتور BLDC منقبض می شود، بیش از حد گرم می شود یا همگام سازی را از دست می دهد، خطا اغلب در تنظیمات کنترل کننده است تا موتور. یک روال آزمون کوتاه کمک می کند.

1. مقاومت DC را بین هر جفت سیم موتور اندازه گیری کنید. سه قرائت باید تقریباً متعادل باشند.
2. روتور را به آرامی بچرخانید و دنباله سنسور هال را ضبط کنید. باید با الگوی شش بخش مورد انتظار مطابقت داشته باشد.
3. جریان فاز را با یک اسیلوسکوپ و یک پروب جریان تماشا کنید. شکل موج ذوزنقه ای یا سینوسی تمیز را بررسی کنید.
4. موتور را بدون بار و سپس تحت بار راه اندازی کنید. کنترل کننده باید سرعت را بدون جریان بیش از حد نگه دارد.

اگر موتور منقبض شد و روشن نشد، سیم کشی هال و سطح شیب دار راه اندازی را بررسی کنید. اگر در زیر بار همگام سازی را از دست داد، به دنبال کاهش ولتاژ تغذیه یا پیشروی زمان بندی نادرست باشید. اگر داغ است، حد جریان را کاهش دهید، فرکانس PWM را تنظیم کنید، یا خنک کننده را بهبود بخشید.

از کارگاه ما تا محصول شما

پس از بیش از 30 سال ساخت میکرو موتورها، ما آموخته ایم که رفتار کنترل کننده بخشی از طراحی موتور است. یک کنترلر باید با دقتی مشابه با سیم سنج، درجه آهنربا و سیستم بلبرینگ انتخاب شود. هنگامی که یک موتور خوش پیچ را با یک کنترلر الکترونیکی که به درستی تنظیم شده ترکیب می کنید، محصولی را دریافت می کنید که قابل اعتماد است و بی صدا کار می کند.

یک مثال خوب، موتور جمع و جور بدون جاروبک ما برای کاربردهای هواپیماهای بدون سرنشین است. این به طور طبیعی با یک کنترل کننده بدون سنسور جفت می شود که می تواند کموتاسیون سریع و محدودیت های شدید جریان را کنترل کند. موتور و کنترلر باید به صورت الکتریکی با هم ارتباط برقرار کنند و ما اطمینان حاصل می کنیم که اتصال تا حد امکان ساده باشد.

اگر در حال طراحی پمپ، فن، ربات یا ابزار هستید، به یاد داشته باشید که کنترل کننده مغز سیستم است. درک نحوه عملکرد یک کنترل کننده موتور BLDC به شما کمک می کند سوالات درست را بپرسید، موتور مناسب را انتخاب کنید و محصول قابل اعتمادتری را به بازار بیاورید.