Een betere manier om BLDC-motors te commuteren

Borstelloze gelijkstroommotors, of BLDC-motors, zijn elektronisch gecommuteerde motors die worden aangedreven door een gelijkstroombron via een externe motorbesturing. In tegenstelling tot hun geborstelde familieleden zijn BLDC-motors afhankelijk van een externe regelaar voor de commutatie, het proces waarbij de stroom in de motorfasen wordt geschakeld om beweging te genereren. Borstelmotors hebben fysieke borstels om dit proces tweemaal per omwenteling uit te voeren, terwijl BLDC-motors dat niet hebben, en door de aard van hun ontwerp kunnen zij een willekeurig aantal poolparen voor commutatie hebben. In dit artikel worden de grondbeginselen van BLDC-motors besproken, wordt ingegaan op gangbare methoden om BLDC-motors te commuteren en wordt een nieuwe oplossing voor het verzamelen van positieterugkoppeling geïntroduceerd.

Basisprincipes van de commutatie van BLDC-motors

De meest voorkomende configuratie van BLDC-motors is 3-fase. Het aantal fasen komt overeen met het aantal wikkelingen op de stator, terwijl de rotorpolen uit een willekeurig aantal paren kunnen bestaan, afhankelijk van de toepassing. Omdat de rotor van een BLDC-motor wordt beïnvloed door de draaiende statorpolen, moet de positie van de statorpolen worden gevolgd om de drie motorfasen effectief aan te drijven. Daarom wordt een motorbesturing gebruikt om een 6-staps commutatiepatroon op de drie motorfasen te genereren. Deze zes stappen, of commutatiefasen, brengen een elektromagnetisch veld in beweging dat de permanente magneten van de rotor de motoras doet bewegen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: 6-stappenpatroon voor de commutatie van de BLDC-motor. (Bron afbeelding: Same Sky)

Wil de regelaar de motor effectief commuteren, dan moet hij altijd beschikken over nauwkeurige informatie over de positie van de rotor. Hall-effectsensors zijn de populaire keuze voor commutatiefeedback sinds het ontstaan van de borstelloze motor. In een typisch scenario zijn drie sensors nodig voor een driefasenregeling. De Hall-effectsensors zijn ingebouwd in de stator van de motor om de rotorpositie te detecteren, die wordt gebruikt om de transistors in de driefasenbrug te schakelen om de motor aan te drijven. De drie sensoruitgangen worden gewoonlijk aangeduid als U-, V- en W-kanalen. Helaas heeft deze methode van positieterugkoppeling een aantal nadelen. Hoewel de BOM-kosten van de Hall-effectsensors laag zijn, kunnen de kosten voor de integratie van deze sensors in de BLDC de totale kosten van de motor verdubbelen. Bovendien krijgt de besturing slechts een gedeeltelijk beeld van de positie van de motor door de Hall-effectsensors, wat problemen kan veroorzaken in systemen waar precieze positieterugkoppeling nodig is voor een goede werking.

Encoders leveren meer precisie

In de wereld van vandaag hebben systemen met BLDC-motors veel meer precisie in positiemeting nodig dan ooit tevoren. Om dit te bereiken kunnen naast Hall-effectsensors ook incrementele encoders aan de BLDC-motor worden gekoppeld. Dit is een systeem dat betere positieterugkoppeling biedt, maar nu moet de motorfabrikant beide Hall-sensors in de motor inbouwen, samen met een incrementele encoder na de assemblage. Een betere optie slaat de Hall-effectsensors helemaal over en vervangt de incrementele encoder door een commutatie-encoder. Deze commutatie-encoders, zoals de AMT31-serie of AMT33-serie van Same Sky, hebben incrementele uitgangen voor nauwkeurige positiebepaling, samen met commutatie-uitgangen die overeenkomen met de specifieke poolconfiguratie van de motor. Omdat de commutatie-encoders van Same Sky digitaal zijn, kunnen deze parameters, waaronder het aantal polen, de resolutie en de richting, worden geprogrammeerd. Dit biedt de ingenieur flexibiliteit tijdens het prototypen en testen, alsook een kleiner aantal encoders in meerdere ontwerpen.

Uitlijnen van een commutatiemotor

Als er stroom op een motor wordt gezet, draait hij, en omgekeerd, als je een motor laat draaien, genereert hij stroom. Als u een BLDC-motor zou laten draaien, zou u uitgangen op de 3 fasen zien zoals in Afbeelding 2 hieronder. Om een commutatie-encoder of zelfs Hall-effectsensors goed op een BLDC-motor af te stemmen, moet de resulterende commutatiegolfvorm worden afgestemd op de back EMF. Traditioneel resulteert dit in een iteratief proces waarbij een tweede motor nodig is om de eerste aan te drijven, en een oscilloscoop om de golfvormen te observeren. Dit kan tijdrovend zijn en aanzienlijke kosten meebrengen tijdens het productieproces.

Afbeelding 2: Commutatie-uitgangen en motorfasen (Bron afbeelding: Same Sky)

Met een AMT capacitieve encoder is de uitlijning vrijwel onmiddellijk en is alleen een stroomvoorziening nodig. Zodra de encoder is gemonteerd, hoeft de gebruiker slechts de twee fasen die overeenkomen met de gewenste startpositie van de AMT-encoder van stroom te voorzien en het uitlijningscommando te verzenden. Daarbij heeft de gebruiker in wezen de beginpositie van de commutatiegolfvorm van de encoder en de back-EMF-golfvorm van de motor ingesteld.

Naast het gemak van de uitlijning zijn de commutatiesignalen van de AMT-encoder veel nauwkeuriger afgestemd op de motorpolen. Het uitlijnen van een commutatie-encoder op een motor stelt alleen de startpositie in (d.w.z. waar de commutatiegolfvorm begint). Als het goed is, moet de commutatiegolfvorm perfect overeenkomen met de golfvorm van de EMF aan de achterkant van de motor. Dit is echter niet altijd haalbaar. Een typische uitlijning met hallsensors of een optische encoder ligt in de orde van ±1 elektrische graden. AMT-encoders daarentegen kunnen een veel grotere precisie bereiken, gewoonlijk binnen ±0,1 elektrische graden. De golfvorm van de AMT-encoder begint wanneer U en W beide hoog zijn (derde toestand in de bovenstaande golfvorm); raadpleeg uw motorfabrikant voor het juiste back EMF-diagram om te bepalen welke fasen tijdens de uitlijning moeten worden bekrachtigd.

Richtingsinstellingen voor AMT-commutatie-encoders

Naast de programmeerbare pooltelling en resolutie biedt de AMT-serie een richtinginstelling voor commutatietoepassingen - een unieke optie die de meeste andere fabrikanten van pendelencoders niet bieden. Eenvoudig gezegd vertelt de richting in welke richting de as van de encoder moet draaien om de commutatiesignalen te laten voortgaan. Gewoonlijk worden commutatie-encoders op de achterste as van de motor geplaatst. In dit scenario doorlopen de commutatiesignalen hun status wanneer de motor linksom draait (gezien vanaf de achterkant van de motor). Als u de encoder echter op de voorste as zet, hebt u de encoder in wezen ondersteboven gekeerd en nu draait de encoder, wanneer u de motor linksom draait (van achteren gezien), eigenlijk rechtsom (van bovenaf gezien op de encoder). Dit betekent dat de polen van de motor in de tegenovergestelde richting draaien als de polen van de encoder, zoals getoond in Afbeelding 3 hieronder. Bij andere technologieën zonder deze programmeerbare optie moet de encoderschijf of de U-, V- en W-kanalen fysiek worden verwisseld om dezelfde taak uit te voeren. Voor toepassingen met meerdere BLDC-motors met verschillende richtingsvereisten kan deze programmeerbare functie bijzonder nuttig zijn.

Afbeelding 3: Commutatiegolfvorm tegengesteld aan back EMF (Bron afbeelding: Same Sky)

Conclusie

Het gebruik van BLDC-motors blijft toenemen en kan in veel toepassingen uitblinken wanneer deze een strakke regelkring en een zeer nauwkeurige positiebepalingsfeedback krijgen. Hall-effectsensors zijn jarenlang de oplossing bij uitstek geweest vanwege hun lage BOM-kosten, maar ze geven vaak geen volledig beeld van de positie van een motor, tenzij ze worden gecombineerd met een incrementele encoder. De AMT-commutatie-encoders van Same Sky bieden echter een alles-in-één oplossing die Hall-effectsensors en incrementele encoders helemaal overbodig maakt. De commutatie-encoders AMT31 of AMT33 van Same Sky zijn de meest veelzijdige opties op de markt dankzij hun flexibele programmeerbaarheid en eenvoudige installatie. Een basiskennis van de principes van commutatie-encoders, zoals uiteengezet in dit artikel, kan ze tot een aantrekkelijke optie maken voor een toekomstig project met een BLDC-motor.