Около Джефф Смут, вице-президент по управлению движением, CUI Inc.

Емкостная коммутация может ускорить сборку бесщеточных двигателей постоянного тока и быть более точной, чем обычные датчики Холла.

Изучите аккумуляторный электроинструмент или жесткий диск компьютера, и вы, скорее всего, обнаружите, что для этой работы используется бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC). В последние годы контроллеры BLDC получили широкое распространение из-за их высокого крутящего момента и простой топологии, которая устраняет необходимость в графитовых щетках, подающих питание на обмотки двигателя.

Двигатели BLDC заменяют щеточные коллекторы датчиками и коммутационной электроникой, которые выполняют те же функции. В этом заключается потенциальная проблема: установка и согласование датчиков, необходимых для коммутации, может занять много времени.

Однако последние достижения в области сенсорных технологий упростили процесс настройки коммутатора. В частности, поворотные датчики, основанные на принципе емкостного считывания, могут определять положение ротора для целей коммутации. Эти датчики проще в настройке, чем датчики на эффекте Холла, которые традиционно используются для коммутации. Они также обладают преимуществами перед бессенсорными методами, которые иногда используются для коммутации. Чтобы понять почему, мы рассмотрим несколько основных идей коммутации постоянного тока и объясним, как емкость может служить механизмом определения положения вала двигателя.

Для краткого ознакомления, обмотки электродвигателей постоянного тока распределены по статору таким образом, что для вращения вала ротора на них подается напряжение последовательно. В наиболее распространенной конфигурации постоянного тока обычно используются три фазы статора, отстоящие друг от друга на 120 электрических градусов. Электродвигатель генерирует волны напряжения, подаваемые на активные фазы системы обмоток, таким образом, угол между магнитным потоком статора и магнитным потоком ротора остается близким к 90°, что является условием, необходимым для создания максимального крутящего момента. Таким образом, контроллер нуждается в некотором средстве определения ориентации ротора относительно катушек статора.

Традиционным способом определения ориентации ротора были датчики на основе эффекта Холла, установленные в воздушном зазоре между ротором и статором. Три датчика Холла (для трехфазного двигателя) определяют магнитное поле проходящих магнитов ротора. Каждый датчик выдает высокий уровень для электрического поворота на 180° и низкий уровень для остальных 180°. Три датчика смещены относительно друг друга на 60°. Процесс переключения тока таким образом, чтобы он проходил только через две фазы на каждые 60 электрических оборотов, называется электронной коммутацией. В наиболее распространенном случае двигатель питается от трехфазного инвертора, а переключение осуществляется по сигналам датчиков Холла. При правильном расположении датчиков их выходные сигналы могут быть преобразованы в необходимую последовательность трехфазных переключений.

Количество электрических циклов, повторяемых для завершения одного оборота вала ротора, определяется количеством пар полюсов ротора. Для каждой пары полюсов ротора выполняется один электрический цикл. Количество электрических циклов/оборотов равно количеству пар полюсов ротора.

Однако в некоторых случаях, когда для позиционирования не используется постоянный ток (BLDC), возможно, удастся устранить необходимость в датчиках коммутации. При бесконтактной коммутации специальные алгоритмы измеряют обратную ЭДС двигателя для определения положения ротора. Одно из предостережений заключается в том, что эта схема наиболее эффективна, когда нагрузка изменяется очень медленно или вообще не изменяется, или, по крайней мере, изменяется предсказуемым образом.

При бесконтактной коммутации используется тот факт, что при возбуждении бесщеточного двигателя не все фазные обмотки работают одновременно. Непроводящие обмотки создают обратную ЭДС. Кроме того, существуют небольшие различия в индуктивности каждой фазы статора. Таким образом, ток, передаваемый каждой фазой, изменяется. Это изменение характеристик тока содержит информацию о положении ротора, которая может быть использована для коммутации.

Например, один из простейших методов определения обратной ЭДС основан на определении момента, когда обратная ЭДС в невозбужденной фазе переходит через ноль. Это пересечение нуля запускает таймер, используемый для запуска следующего последовательного переключения инвертора, так что оно происходит в конце временного интервала.

Конечно, у метода обратной ЭДС есть свои сложности, которые ограничивают его использование. Одна из них заключается в том, что обратная ЭДС пропорциональна скорости. Таким образом, при остановленном двигателе обратная ЭДС равна нулю, поэтому обратная ЭДС не ощущается. Аналогичным образом, может быть сложно определить положение ротора, когда обратная ЭДС на низких оборотах достигает нуля, что снижает эффективность этого подхода. Есть способы обойти эти трудности, но применение бессенсорной коммутации сегодня ограничено теми приложениями, которые не связаны с позиционированием. Это также остается предметом исследований.

Двигатели постоянного тока, использующие для коммутации подход, основанный на датчиках, могут использовать, а могут и не использовать датчики Холла. Иногда коммутация может выполняться с использованием дорожки коммутации на датчике двигателя. Дорожка коммутации имеет выходные сигналы, которые имитируют сигналы, поступающие от датчиков Холла.

Также напомним, что в обычных трехфазных двигателях обычно используются три устройства Холла, расположенные на расстоянии 120° друг от друга для согласования с тремя фазами двигателя. Номинальная точность устройства Холла составляет от ±1 до 3°. Но точность устройств Холла становится потенциальной проблемой для двигателей с большим количеством полюсов, где отношение электрических степеней к механическим увеличивается с увеличением количества полюсов. В то время как число механических оборотов никогда не превышает 360 градусов, число электрических оборотов равно 360-кратному количеству пар полюсов. Номинальная точность прибора Холла снижается при увеличении числа полюсов. Это очень важно, поскольку точность выбора времени переключения влияет на эффективность двигателя.

Таким образом, устройства Холла лучше всего работают с двигателями с малым количеством полюсов, которые обычно используются в высокоскоростных системах с низким крутящим моментом. Двигатели с большим количеством полюсов — это тихоходные устройства с высоким крутящим моментом. Они не являются подходящими кандидатами для коммутации Холла, поскольку при снижении точности коммутационного сигнала они подвергаются значительным потерям энергии.

Независимо от количества полюсов, датчики Холла должны быть точно установлены в корпусе двигателя. В тех случаях, когда настройка датчика Холла выполняется вручную, процесс оптимизации может занять много времени. Как правило, это предполагает использование второго двигателя для вращения основного двигателя, в то время как технический специалист отображает сигнал обратной ЭДС на приборе, проверяя, соответствует ли точка пересечения нуля синусоидальной формы сигнала нарастающему фронту U-коммутационного сигнала. Как правило, это повторяющийся процесс.

Несмотря на то, что устройства Холла намного дешевле, значительное время на юстировку увеличивает трудозатраты. Дополнительные затраты, как правило, приводят к тому, что конечный продукт оказывается дороже, чем тот, который включает в себя энкодер.

Другой метод, используемый для коммутации тока в двигателях постоянного тока, — это использование энкодера. Оптические энкодеры, например, намного более точны, чем устройства Холла, но и стоят дороже. Дополнительным преимуществом энкодера является генерация дополнительных выходных данных энкодера, которые могут быть использованы в других частях системы управления движением для определения местоположения, скорости и расстояния.

В энкодерах сигналы коммутации генерируются с помощью рисунка, выгравированного на стеклянном или металлическом диске внутри энкодера. Однако сигналы коммутации, генерируемые таким образом, применимы только к одной конфигурации двигателя. Они должны быть оптимизированы для данного двигателя. Кроме того, при монтаже датчика необходимо соблюдать определенную осторожность. Масло, оставшееся на диске, может отражать свет и вызывать последующие ошибки в данных. Для выравнивания и проверки положения датчика также требуется приспособление с обратной ЭДС. Наконец, механическая юстировка энкодера в соответствии с положением вала двигателя обычно включает визуальное отслеживание механической отметки нулевого положения на ступице энкодера или электрическое отслеживание с помощью осциллографа. Любой из этих методов может занять много времени.

Напротив, емкостные поворотные датчики, используемые для коммутации, могут быть более точными, чем датчики на эффекте Холла, менее дорогостоящими, чем оптические датчики, и гораздо более надежными, чем оптические датчики. Процесс настройки, сопряжения их с двигателем и выравнивания упрощается благодаря использованию микроконтроллера и встроенного ASIC, который в цифровом виде устанавливает нулевое положение, количество полюсов и угол коммутации.

Для считывания положения вала емкостный преобразователь использует кодирующий диск, который модулирует емкостную связь между электродами на передающем диске и приемном диске. Проводящие сегменты на вращающемся диске передают высокочастотные (около 10 МГц) сигналы между платами передатчика и приемника. Относительная амплитуда сигналов, подаваемых с разных частей платы датчика, зависит от положения диска и, таким образом, служит средством измерения положения вала. ASIC использует эту информацию об амплитуде для вычисления положения датчика для каждого цикла измерения. Дополнительные вычисления на ASIC позволяют создать непрерывную модель вращательного движения и получить квадратурные сигналы, аналогичные сигналам от оптических энкодеров.

В частности, синхронный детектор и фильтр нижних частот в приемнике устраняют несущую на частоте 10 МГц и оставляют амплитудную модуляцию, в результате чего сигнал становится фактически синусоидальным на частоте около 10 кГц. Его фаза является мерой углового положения диска энкодера. Другие схемы приемника обнаруживают пересечение нулей этого сигнала. Полученная информация используется для записи счета в момент пересечения нуля. Счет становится цифровой мерой углового положения диска энкодера и, таким образом, формирует цифровое представление положения вала.

Специально разработанный ASIC-чип также может регулировать квадратурное разрешение среди 16 различных значений в диапазоне от 2048 до 48 ppr.

Наконец, следует отметить, что емкостной энкодер генерирует коммутационные сигналы путем анализа 4096 абсолютных положений, чтобы учесть количество пар полюсов, программируемых пользователем. Это обеспечивает большую гибкость в выборе двигателя и более высокую точность переключения, недоступную для оптических энкодеров.

Информация о перепечатке >> ||CUI Inc.www.cui.com