info@zanustechnology.com
+381 11 454 10 51

Upravljanje maxon BLDC motorima bez enkodera

Upravljanje maxon BLDC motorima bez enkodera

Motori bez četkica i bez senzora bi imale mnoge primene i koristi. Postoje razne mogućnosti za realizaciju ovoga. Metoda koju je razvio maxon sada postavlja nove standarde za preciznost i pouzdanost.

Za upravljanje motorima bez četkica potrebna je upravljačka elektronika za preciznu komutaciju. Međutim, to je moguće samo ako upravljačka elektronika u svakom trenutku “zna“ tačan položaj rotora. Tradicionalno su ove informacije pružali senzori, npr. halovi senzori, ugrađeni u motore. Međutim, to može i drugačije. Metode upravljanja bez senzora koriste informacije o struji i naponu iz motora za određivanje položaja rotora. Brzina motora se tada može izvesti iz promena položaja rotora i ove informacije se mogu koristiti za kontrolu brzine. Naprednije metode upravljanja bez senzora mogu čak kontrolisati struju (obrtni moment) i položaj. Izostavljanje senzora ima niz prednosti, kao što su niži troškovi i ušteda prostora, jer kablovi, konektori i osetljiva elektronska kola postaju nepotrebni.

Maxon-ovi kontroleri bez senzora koriste tri osnovna principa koja su posebno prilagođena maxon BLDC motorima.

Princip 1: EMF metoda sa prelaskom nule

EMF metoda sa određivanjem prelaska nule koristi indukovani napon (ili EMF) u fazi koja se ne napaja tokom blok komutacije. Prelazak nule se dešava u sredini intervala komutacije (Slika 1). Vremensko kašnjenje do sledeće tačke komutacije može se proceniti iz prethodnih koraka komutacije.

EMF metoda sa prelaskom nule deluje samo kada je brzina dovoljno velika, jer EMF postaje nula u mirovanju. Pokretanje motora zahteva poseban postupak, sličan upravljanju steper motorima, i mora se konfigurisati odvojeno. Prava komutacija bez senzora moguća je samo pri brzinama motora od 500–1000 o/min i više. Frekvencija koraka komutacije koristi se za kontrolu brzine. Ograničene povratne informacije postavljaju određena ograničenja na dinamiku motora, mada se to može poboljšati integrisanjem metoda procene u upravljački algoritam (obeserver, Kalmanov filter, itd.). EMF metoda sa prelaskom nule takođe ima niz prednosti: Radi za sve modele motora bez četkica, robusna je i isplativa. Pristup se koristi u mnogim standardnim proizvodima, poput maxon ESCON modula 50/4 EC-S.

Slika 1: Šematski prikaz komutacije bez senzora EMF metode sa prelazom nule, prikazan ovde koristeći fazu 3 kao primer.

Princip 2: EMF metoda zasnovana na observeru

Metode EMF zasnovane na observeru ili modelu, koriste informacije o struji motora za određivanje položaja i brzine rotora. Pristup zasnovan na modelu daje mnogo veću rezoluciju položaja rotora. Ovo omogućava sinusnu komutaciju (FOC), sa svim prednostima: veća efikasnost, manja proizvodnja toplote, manje vibracija i buke. Međutim, EMF metoda zasnovana na observeru takođe zahteva minimalnu brzinu od nekoliko 100 o/min da bi pravilno funkcionisala.

Princip 3: Metode magnetne anizotropije

Metode zasnovane na magnetnoj anizotropiji određuju položaj rotora iz induktivnosti motora, koja je minimalna kada su magnetni tokovi rotora i statora paralelni u magnetnom povratku (Slika 2). Merenje se postiže kratkotrajnim impulsima struje koji ne uzrokuju pomeranje motora. Za razliku od metoda zasnovanih na EMF, ova metoda takođe radi u stanju mirovanja ili na vrlo malim brzinama i omogućava sinusnu komutaciju. Izmereni signali u velikoj meri zavise od tipa motora. Položaj rotora određuje se u modelu motora, koji treba parametrizovati i prilagoditi za svaki motor. Kontroleri zasnovani na magnetnoj anizotropiji su stoga visoko specifični proizvodi – “uključi i radi“ nije opcija.

Slika 2: Šematski dijagram anizotropije induktivnosti. Prikazuje dva gotovo identična minimuma na rastojanju od 180 električnih stepeni.

Zašto bezsenzorska kontrola?

U primenama osetljivim na cenu, upotreba motora bez senzora može smanjiti troškove. Halovi senzori, enkoderi, kablovi i konektori postaju nepotrebni. Tipične primene na ovom polju su ventilatori, pumpe, skeneri, mlinovi, bušilice i druge brzo okretajuće primene sa relativno skromnim upravljačkim performansama koje ne zahtevaju strogo kontrolisano pokretanje. Za velike količine, ima smisla prilagođena verzija EMF-zasnovanog kontrolera.

Optimizacija troškova za visoke performanse kontrole

Ušteda troškova nije jedini razlog za odabir upravljanja bez senzora. Primene poput pogona na vratima ili pogona za bicikle zahtevaju visoke performanse kontrolera. Važna je kontrola motora bez trzaja sa nula obrtaja, kao i velika dinamika i sinusna komutacija za izbegavanje buke. Sve ovo treba realizovati bez upotrebe skupog enkodera. Tokom poslednjih nekoliko godina uspostavili su se visokokvalitetni bezsenzorski kontroleri zasnovani na metodi anizotropije, uključujući novu maxon-ovu Bezsenzorsku Kontrolu Visokih Performansi (HPSC). Međutim, inženjerski napor potreban za prilagođavanje parametara modela može biti opravdan samo za količine veće od nekoliko stotina.

Nepovoljni uslovi okoline

Kontrola bez senzora može biti potrebna i u situacijama kada u motoru treba izbegavati ranjivu senzorsku elektroniku. Primeri uključuju primenu na vrlo visokim ili niskim temperaturama okoline, čišćenje i sterilizaciju u medicinskoj tehnologiji, ili jonizujuće zračenje u svemiru, nuklearnim objektima ili medicinskim okruženjima. Manji broj konektora motora takođe olakšava integraciju ako je prostor ograničen.

Potreban kvalitet kontrole zavisi od primene. Koja metoda bez senzora najbolje odgovara, mora se odlučiti od slučaja do slučaja. Na primer, ručnim zubarskim alatima za bušenje ili brušenje treba velika brzina, dok su niže brzine i kontrolisani obrtni moment potrebni za pričvršćivanje vijaka u operaciji.

Zaključak

Tri su glavna razloga za odabir upravljanja bez senzora: ušteda troškova, ušteda prostora i rad u sredinama nepovoljnim za senzore. EMF metoda sa određivanjem prelaska nule široko je rasprostranjena u cenovno-osetljivim primenama koje rade sa velikim brzinama. Kontrola bez senzora u mirovanju i pri malim brzinama zahteva naprednije metode. Napor oko implementacije je veći i uključuje modeliranje i parametriranje. Ušteda troškova je sekundarna. FOC kontrola daje veću efikasnost, manje nakupljanja toplote i niži nivo vibracija i buke. Sve su to prednosti koje dolaze do izražaja u ručnim medicinskim uređajima.

Ukoliko imate bilo kakav zahtev na polju drajvera, senzora, aktuatora ili elektromotora, pišite nam na info@zanustechnology.com .

Tags: , , ,