Bộ điều khiển động cơ không chổi than không cảm biến: Cách thức hoạt động và thời điểm sử dụng

Cảm biến hiệu ứng Hall tốn tiền, chiếm không gian bên trong động cơ và thêm ba dây trở lên vào mỗi đầu nối. Trong các ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng, nơi mà sự đơn giản, chi phí và độ tin cậy là vấn đề quan trọng, các kỹ sư từ lâu đã đặt câu hỏi: điều gì sẽ xảy ra nếu bộ điều khiển có thể tự tìm ra vị trí rôto? Câu trả lời là điều khiển động cơ không chổi than không cảm biến—một kỹ thuật trích xuất thông tin vị trí rôto trực tiếp từ hoạt động điện của động cơ mà không cần phần cứng phản hồi chuyên dụng.

Ngày nay, điều khiển không cần cảm biến không phải là giải pháp thích hợp. Nó cung cấp năng lượng cho hệ thống truyền động xe đạp điện, quạt công nghiệp, máy nén HVAC, dụng cụ điện và các ứng dụng robot trên toàn cầu. Hiểu cách hoạt động của bộ điều khiển không cảm biến—và nơi chúng có giới hạn thực sự—là điều cần thiết để chọn kiến ​​trúc ổ đĩa phù hợp cho bất kỳ ứng dụng DC không chổi than nào.

Cách thức hoạt động của Điều khiển không cần cảm biến: Đọc lại EMF

Mỗi động cơ DC không chổi than đều tạo ra một điện áp trong cuộn dây khi rôto quay—hiện tượng này gọi là lực điện động ngược hay EMF ngược (BEMF). Biên độ của điện áp này tỷ lệ thuận với tốc độ rôto và mối quan hệ pha của nó với dòng điện stato mã hóa trực tiếp vị trí rôto. Bộ điều khiển không cảm biến giám sát dạng sóng BEMF trên cuộn dây pha không mang điện của động cơ để xác định vị trí của rôto tại bất kỳ thời điểm nào.

Phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất là phát hiện điểm chéo. Trong động cơ BLDC ba pha tiêu chuẩn chạy theo chuyển mạch sáu bước (hình thang), một pha luôn nổi—không được cấp điện. Bộ điều khiển đo điện áp trên pha động này và phát hiện khi BEMF vượt qua mức 0. Mỗi điểm giao nhau bằng 0 biểu thị một góc rôto cụ thể, kích hoạt bước chuyển mạch tiếp theo. Thời gian có thể dự đoán và lặp lại, cho phép bộ điều khiển đồng bộ hóa chuyển mạch đến vị trí rôto thực tế mà không cần bất kỳ cảm biến vật lý nào.

Cách tiếp cận này đơn giản về mặt kỹ thuật và nhẹ về mặt tính toán, đó là lý do tại sao nó chiếm ưu thế trong các ứng dụng có tốc độ từ trung bình đến cao, nhạy cảm với chi phí. của chúng tôi Dòng điều khiển động cơ DC không chổi than B2B triển khai điều khiển không cảm biến xuyên không BEMF được tối ưu hóa trên nhiều dải công suất cho các hệ thống truyền động công nghiệp và thương mại.

Điều khiển không cảm biến dựa trên FOC: Độ chính xác cao hơn với độ phức tạp cao hơn

Điều khiển BEMF xuyên không hoạt động tốt cho các ứng dụng tốc độ không đổi. Đối với các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn mượt mà ở tốc độ thay đổi, tiếng ồn có thể nghe được ở mức tối thiểu hoặc hoạt động trên phạm vi tốc độ rộng, Điều khiển định hướng trường (FOC)—còn gọi là điều khiển vectơ—mang lại hiệu suất tốt hơn đáng kể.

Trong FOC không có cảm biến, bộ điều khiển không chỉ đơn giản phát hiện điểm giao cắt bằng 0. Thay vào đó, nó chạy một mô hình toán học liên tục của động cơ—theo dõi điện áp và dòng điện stato trong thời gian thực—và sử dụng các thuật toán như Bộ quan sát chế độ trượt (SMO) hoặc Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) để ước tính vị trí và tốc độ rô-to ở mỗi chu kỳPWM. Kết quả là một bộ điều khiển không chỉ biết rô-to ở đâu trong sự kiện chuyển mạch cuối cùng mà còn biết vị trí hiện tại của rô-to, trong phạm vi một phần của một độ.

Điều khiển không cảm biến dựa trên FOC mang lại dạng sóng dòng điện hình sin thay vì dạng hình thang , giúp loại bỏ gợn sóng mô-men xoắn vốn có trong chuyển mạch sáu bước. Trong các ứng dụng xe đạp điện và xe điện hạng nhẹ, điều này trực tiếp chuyển thành một chuyến đi yên tĩnh hơn, mượt mà hơn. Trong tự động hóa công nghiệp, điều đó có nghĩa là điều chỉnh tốc độ chính xác hơn và hiệu quả tốt hơn khi tải một phần. các Bộ điều khiển động cơ DC không chổi than siêu yên tĩnh A6-2422 áp dụng thuật toán FOC không cảm biến tiên tiến được tối ưu hóa đặc biệt để vận hành ít tiếng ồn, hiệu quả cao trong môi trường truyền động đòi hỏi khắt khe.

Vấn đề khởi nghiệp: Đi từ số 0 đến chạy

BEMF tỷ lệ thuận với tốc độ rôto. Ở tốc độ dừng và rất thấp, BEMF quá yếu để có thể phát hiện một cách đáng tin cậy—điều đó có nghĩa là bất kỳ bộ điều khiển không cảm biến dựa trên BEMF nào cũng gặp phải thách thức khởi động cơ bản. Vị trí rôto không xác định và việc cố gắng chuyển mạch mà không có thông tin vị trí có nguy cơ khiến động cơ bị giật lùi, chết máy hoặc tiêu thụ dòng điện quá mức.

Bộ điều khiển xử lý việc này bằng chiến lược khởi động hai giai đoạn. Đầu tiên, một đoạn đường nối vòng hở được điều khiển: bộ điều khiển áp dụng một từ trường quay ở tần số chậm, xác định trước, buộc rôto phải căn chỉnh và đi theo nó—về cơ bản là kéo động cơ lên ​​đến tốc độ tối thiểu để có thể phát hiện được BEMF. Khi có đủ BEMF, bộ điều khiển sẽ chuyển sang hoạt động không có cảm biến vòng kín. Chất lượng của quá trình chuyển đổi này quyết định cảm giác khởi động trơn tru như thế nào và độ tin cậy của động cơ khi đồng bộ hóa khi tải.

Bộ điều khiển không cảm biến tiên tiến bổ sung thêm kỹ thuật phát hiện vị trí rôto ban đầu (IPD) hoặc phun xung có thể xác định hướng rôto ở trạng thái dừng do sự bất đối xứng của điện cảm, cho phép trình tự khởi động có mục tiêu hơn và giảm thời gian tăng tốc vòng lặp mở. các Bộ điều khiển động cơ DC không chổi than độ ổn định cao A8-2209 kết hợp các thuật toán khởi động nâng cao được thiết kế để mang lại hiệu suất khởi động nguội đáng tin cậy ngay cả trong điều kiện có tải.

Cảm biến không cảm biến và hiệu ứng Hall: Chọn kiến trúc phù hợp

Cả hai kiến trúc đều không vượt trội trên toàn cầu—sự lựa chọn chính xác phụ thuộc vào phạm vi tốc độ, cấu hình tải và giới hạn chi phí của ứng dụng.

Bộ điều khiển không cảm biến là lựa chọn ưu tiên cho quạt, máy bơm, máy nén, xe đạp điện, dụng cụ điện và bất kỳ ứng dụng nào mà động cơ hoạt động chủ yếu ở tốc độ từ trung bình đến cao và việc nối dây bổ sung của cảm biến Hall sẽ làm tăng thêm rủi ro về chi phí hoặc độ tin cậy. Bộ điều khiển có cảm biến vẫn là lựa chọn tốt hơn cho các ứng dụng yêu cầu mômen khởi động ở mức đầy tải, vận hành ở tốc độ rất chậm hoặc điều khiển vị trí chính xác từ trạng thái nghỉ—chẳng hạn như cơ cấu nâng dẫn động trực tiếp hoặc trục định vị kiểu servo.

các Bộ điều khiển động cơ DC không chổi than tương thích cao R2-2319 hỗ trợ cả hoạt động cảm biến không cảm biến và hiệu ứng Hall, giúp các nhà thiết kế linh hoạt điều chỉnh kiến trúc điều khiển cho phù hợp với động cơ và ứng dụng mà không cần thay đổi phần cứng bộ điều khiển.

Nơi bộ điều khiển không chổi than không cảm biến mang lại giá trị cao nhất

Điều khiển không cảm biến đặc biệt phù hợp với tập hợp các loại ứng dụng có chung đặc điểm: hoạt động liên tục ở tốc độ vừa phải đến cao, môi trường mà độ tin cậy của cảm biến là mối quan tâm và áp lực chi phí khuyến khích việc chế tạo động cơ đơn giản hơn.

• Xe đạp điện và xe điện nhẹ: Hệ thống động cơ dẫn động giữa và động cơ trung tâm được hưởng lợi rất nhiều từ FOC không cảm biến. Việc cung cấp mô-men xoắn mượt mà, yên tĩnh ở các mức hỗ trợ thay đổi chính xác là những gì kiến ​​trúc điều khiển này mang lại và việc loại bỏ hệ thống dây điện cảm biến Hall giúp giảm các chế độ hỏng hóc trong sản phẩm dự kiến ​​sẽ hoạt động đáng tin cậy trong điều kiện mưa, rung và nhiệt độ khắc nghiệt.
• Máy nén HVAC và làm lạnh: Bộ truyền động máy nén có tốc độ thay đổi chạy liên tục ở các điểm đặt tốc độ xác định mà không cần mô-men xoắn dừng. Điều khiển không cảm biến xử lý vấn đề này một cách hiệu quả đồng thời cho phép điều chỉnh tốc độ để kiểm soát công suất và tiết kiệm năng lượng.
• Quạt và máy bơm công nghiệp: cácse centrifugal loads have favorable torque-speed curves—low startup torque, rising with speed—that make sensorless startup straightforward. Energy savings from variable speed operation are substantial; a 20% reduction in fan speed typically cuts power consumption by roughly 50% due to the cube law relationship between speed and power.
• Dụng cụ điện và thiết bị làm vườn: Vận hành tốc độ cao, kích thước nhỏ gọn của động cơ và độ nhạy cảm về chi phí đều ưu tiên các thiết kế không có cảm biến. Việc không có hệ thống dây điện cảm biến cũng giúp đơn giản hóa việc sản xuất động cơ và giảm các điểm xâm nhập của bụi và hơi ẩm.
• Robot và AGV ở tốc độ hành trình: Các bộ truyền động chung và bánh xe dẫn động nền tảng di động dành phần lớn thời gian ở tốc độ chạy được hưởng lợi từ hiệu suất và độ mượt của mô-men xoắn không cảm biến của FOC, mặc dù trình tự khởi động hoặc dẫn đường có thể yêu cầu hỗ trợ cảm biến hoặc định vị vòng lặp mở.

Để có cái nhìn rộng hơn về cách các thuật toán điều khiển được xác định bằng phần mềm đang biến đổi hiệu suất truyền động động cơ không chổi than trên các ứng dụng này, hãy xem phân tích ngành của chúng tôi về vai trò của phần mềm trong bộ điều khiển động cơ hiện đại .

Những điều cần chú ý khi chọn Bộ điều khiển động cơ không chổi than không cảm biến

Việc chọn một bộ điều khiển không cảm biến không chỉ liên quan đến việc kết hợp các mức điện áp và dòng điện. Năm thông số đáng được chú ý:

1. Chất lượng thuật toán điều khiển: Giao điểm 0 BEMF là đủ cho tải tốc độ không đổi. Đối với các yêu cầu về tốc độ thay đổi, mô-men xoắn êm hoặc độ ồn thấp, hãy chỉ định bộ điều khiển có FOC hình sin. Việc triển khai thuật toán—không chỉ phần cứng—xác định hiệu suất hệ thống.
2. Khả năng khởi động dưới tải: Xác nhận rằng trình tự khởi động của bộ điều khiển có thể kéo động cơ về trạng thái đồng bộ một cách đáng tin cậy theo yêu cầu về quán tính tải và mô-men xoắn khởi động thực tế của bạn. Kiểm tra ở điện áp cung cấp tối thiểu và tải tối đa để tìm biên độ.
3. Phạm vi tốc độ: Mọi bộ điều khiển không cảm biến đều có tốc độ hoạt động tối thiểu mà dưới mức này việc phát hiện BEMF trở nên không đáng tin cậy. Xác minh giới hạn dưới này so với tốc độ yêu cầu tối thiểu của ứng dụng của bạn, bao gồm mọi yêu cầu thu thập dữ liệu hoặc định vị tốc độ thấp.
4. Tự động điều chỉnh và nhận dạng tham số: Bộ điều khiển không cảm biến chất lượng cao có thể tự động xác định các thông số động cơ (điện trở, điện cảm, liên kết từ thông). Điều này giúp đơn giản hóa việc vận hành và đảm bảo thuật toán ước tính được hiệu chỉnh chính xác cho động cơ cụ thể được dẫn động.
5. Tính năng bảo vệ: Phát hiện quá dòng, quá áp, thiếu điện áp, quá nhiệt và ngừng hoạt động là những yêu cầu cơ bản. Việc phát hiện tình trạng ngừng hoạt động đặc biệt quan trọng trong hoạt động không có cảm biến—nếu động cơ mất đồng bộ, bộ điều khiển phải nhận ra điều này nhanh chóng và khởi động lại sạch sẽ thay vì tiếp tục tác dụng mô-men xoắn vào rôto bị chết máy.

của chúng tôi hướng dẫn ghép nối bộ điều khiển và động cơ cung cấp các khuyến nghị cụ thể để kết hợp các mô hình bộ điều khiển không cảm biến với thông số kỹ thuật của động cơ trên các danh mục ứng dụng khác nhau. Đối với khối lượng OEM tùy chỉnh và các yêu cầu về bộ điều khiển dành riêng cho ứng dụng, chúng tôi Chương trình điều khiển động cơ B2B bao gồm hỗ trợ kỹ thuật từ đặc điểm kỹ thuật cho đến xác nhận sản xuất.