Egy jobb megoldás a szénkefe nélküli egyenáramú motorok kommutálására

A szénkefe nélküli egyenáramú villanymotorok (a BLDC – brushless direct current – kifejezésből alkotott betűszóval olykor BLDC motorok néven is emlegetik őket) elektronikusan kommutált motorok, amelyeket egyenáramú forrás táplál egy külső motorvezérlőn keresztül. Szénkefés rokonaiktól eltérően a szénkefe nélküli egyenáramú motorok külső vezérlőegységre támaszkodnak a kommutáció eléréséhez, amely nem más, mint a motorfázisok áramának kapcsolási folyamata a mozgás létrehozásához. A szénkefés motorokban fizikai szénkefék vannak, hogy ezt a folyamatot fordulatonként kétszer végrehajtsák, míg a szénkefe nélküli egyenáramú motorokban nincsenek, és utóbbiak kialakításuk jellegéből adódóan tetszőleges számú póluspárral lehetnek ellátva a kommutáláshoz. Ez a cikk áttekinti a szénkefe nélküli egyenáramú motorok alapjait, megvizsgálja a szénkefe nélküli egyenáramú motorok kommutálásának általános módszereit, és bemutat egy új megoldást a helyzet-visszacsatolás megvalósítására.

A szénkefe nélküli egyenáramú motorok kommutációjának alapjai

A szénkefe nélküli egyenáramú motorok a leggyakrabban 3 fázisú kialakításúak. A fázisok száma megegyezik az állórésztekercsek számával, míg a forgórészben tetszőleges számú póluspár lehet, a felhasználási területtől függően. Mivel a szénkefe nélküli egyenáramú motorok forgórészét az állórész pólusainak (látszólagos) forgása befolyásolja, a három motorfázis hatékony vezérléséhez az állórész pólusainak helyzetét kell követni, ezért egy motorvezérlőt használnak a három motorfázis 6 lépésből álló kommutációs mintázatának létrehozására. Ez a hat lépés vagy hat kommutációs fázis egy forgó elektromágneses mezőt hoz létre, és a forgórész állandó mágnesei ezt követve mozgatják a motor tengelyét (1. ábra).

1. ábra: A szénkefe nélküli egyenáramú motor 6 lépéses kommutációjának mintázata (kép: Same Sky)

Ahhoz, hogy a vezérlőegység hatékonyan kommutálja a motort, mindig pontos információval kell rendelkeznie a forgórész helyzetéről. A Hall-érzékelők a szénkefe nélküli motorok megjelenése óta népszerűek a kommutációs visszajelzéshez. Egy jellegzetes megoldás esetében a háromfázisú vezérléshez három érzékelőre van szükség. A Hall-érzékelők a motor állórészébe vannak beépítve, és érzékelik a forgórész helyzetét. Ezt a jelet a motor vezérlésére szolgáló háromfázisú híd tranzisztorainak kapcsolására használja fel a vezérlőegység. A három érzékelőkimenetet általában U, V és W csatornaként jelölik. Sajnos, az ily módon megoldott helyzet-visszacsatolásnak van néhány hátránya is. Míg a Hall-érzékelők anyagköltsége alacsony, a szénkefe nélküli egyenáramú motorokba történő beépítésük költsége akár meg is duplázhatja a motor teljes költségét. Ezenkívül a vezérlőegység a Hall-érzékelőktől csak részleges képet kap a motor helyzetéről, ami problémákat okozhat olyan rendszerekben, ahol a megfelelő működéshez pontos helyzet-visszacsatolásra van szükség.

A kódolók nagyobb pontosságot nyújtanak

A mai világban a szénkefe nélküli egyenáramú motorokat igénylő rendszereknek sokkal pontosabb helyzetmérésre van szükségük, mint korábban bármikor. Ennek érdekében a szénkefe nélküli egyenáramú motorok a Hall-érzékelők mellett növekményes kódolókkal is felszerelhetők. Ez egy jobb helyzet-visszacsatolású rendszert jelent, de ez esetben a motorgyártóknak a Hall-érzékelőket is be kell építeniük a motorba, valamint összeszerelés után egy növekményes kódolót is fel kell szerelniük rá. Van azonban egy jobb megoldás is, amely a Hall-érzékelőket teljesen elhagyja, és a növekményes kódolót egy kommutációkódolóval helyettesíti. Ezek a kommutációkódolók, amilyenek például a Same Sky AMT31 és AMT33 sorozatú kódolói, növekményes kimeneteket használnak a pontos helyzetkövetéshez, és el vannak látva a motor egyedi póluselrendezésének megfelelő kommutációs kimenetekkel is. A Same Sky kommutációkódolói, mivel digitálisak, lehetővé teszik ezeknek a paramétereknek a megadását, beleértve a pólusszámot, a felbontást és a forgásirányt is. Ez némi rugalmasságot kínál a mérnökök számára a prototípusok készítése és tesztelése során, valamint lehetőséget ad arra, hogy többféle kialakítás esetén is kevesebb fajta kódolót kelljen használni.

A kommutációs motor beállítása

Ha áramot adunk egy motorra, az felpörög, és fordítva, ha megpörgetünk egy motort, az áramot termel. Egy szénkefe nélküli egyenáramú motort megpörgetve a 3 fázis esetében az alább a 2. ábrán láthatóhoz hasonló kimenőjeleket kapunk. Ahhoz, hogy a kommutációkódolót vagy akár a Hall-érzékelőket megfelelően állítsuk be a szénkefe nélküli egyenáramú motorhoz, a kapott kommutációs hullámformát az elektromotoros ellenerőhöz (BEMF, back electromotive force) kell igazítani. Hagyományosan ez egy ismétlődő folyamatot eredményez, amelynél egy második motorra van szükség az első vezérléséhez, és egy oszcilloszkópra a hullámformák megfigyeléséhez. Ez időigényes lehet, és a gyártási folyamat során jelentős többletköltséget jelenthet.

2. ábra: Kommutációs kimenetek és motorfázisok (kép: Same Sky)

Az AMT sorozatú kapacitív kódolókat használva az összehangolási folyamat szinte azonnal végbemegy, és csak egy tápegységre van hozzá szükség. A kódoló felszerelése után a felhasználónak csak áramot kell kapcsolnia az AMT kódoló kívánt kiindulási helyzetének megfelelő két fázisra, és el kell küldenie a beállítási parancsot. Ezzel a felhasználó lényegében beállította a kódoló kommutációs hullámformájának és a motor elektromotorosellenerő-hullámformájának kiindulási helyzetét.

A beállítás egyszerűségén túl az AMT kódoló kommutációs jelei sokkal pontosabban igazodnak a motor pólusaihoz. A kommutációkódolónak a motorhoz való beállítása csak a kiindulási helyzetet állítja be (vagyis azt, hogy hol kezdődik a kommutációs hullámforma). Ha ezt megfelelően hajtják végre, a kommutációs hullámformának tökéletesen egybe kell esnie a motor elektromotorosellenerő-hullámformájával. Ez azonban nem mindig valósítható meg. A Hall-érzékelőkkel vagy optikai kódolóval végzett beállítás jellemzően ±1 villamos fok pontosságú. Az AMT kódolókkal ellenben sokkal nagyobb, jellemzően ±0,1 villamos fokon belüli pontosság érhető el. Az AMT kódoló hullámformája akkor kezdődik, amikor az U és a W csatorna egyaránt magas állapotú (lásd: a harmadik állapot a fenti hullámformán). A megfelelő elektromotorosellenerő-görbét illetően konzultáljon a motor gyártójával annak meghatározásához, hogy a beállítás során mely fázisokat kell feszültség alá helyezni.

Az AMT kommutációkódolók forgásirány-beállításai

A pólusszám és felbontás megadása mellett az AMT sorozat forgásirány-beállítást is lehetővé tesz a kommutációs felhasználási területeken – ez egy egyedülálló lehetőség, ilyet a más kommutációkódoló-gyártók legtöbbje nem kínál. Egyszerűen fogalmazva a forgásirány azt mutatja meg, hogy a kódoló tengelyének merre kell forognia ahhoz, hogy a kommutációs jelek előrefelé haladjanak. A kommutációkódolókat általában a motor tengelyének hátsó részén helyezik el. Ebben az elrendezésben a kommutációs jelek akkor haladnak az állapotukat tekintve előre, amikor a motor balra forog (a motor hátulja felől nézve). Ha azonban a kódolót a tengely első részére helyezzük, akkor lényegében megfordítjuk a kódolót, és ekkor a motort (hátulról nézve) balra forgatva a kódoló tengelye valójában jobbra forog (felülről nézve a kódolót). Ez azt jelenti, hogy a motor pólusai a kódoló pólusaival ellentétes irányban forognak, ahogy az alább, a 3. ábrán látható. Más eszközök, amelyek nem tartalmazzák ezt a beállítási lehetőséget, a kódolótárcsa cseréjét vagy az U, V, W csatornák fizikai megcserélését igénylik ugyanennek a feladatnak az elvégzéséhez. Azokban a készülékekben, amelyekben több szénkefe nélküli egyenáramú motort használnak eltérő forgásiránnyal, ez a beállítási funkció különösen hasznos lehet.

3. ábra: Az elektromotoros ellenerőével ellentétes irányú kommutációs hullámforma (kép: Same Sky)

Összegzés

A szénkefe nélküli egyenáramú motorok használata folyamatosan terjed, és számos felhasználási területen kiemelkedő teljesítményt nyújtanak, ha pontos szabályozási hurokkal és nagy pontosságú helyzet-visszajelzéssel vannak ellátva. A Hall-érzékelők alacsony anyagköltségük miatt sok éven át a legjobb megoldásnak számítottak, de gyakran nem adnak teljes képet a motor helyzetéről, hacsak nincsenek növekményes kódolóval kiegészítve. A Same Sky AMT sorozatú kommutációkódolói azonban olyan teljes körű megoldást kínálnak, amely teljesen kiküszöböli a Hall-érzékelők és a növekményes kódolók szükségességét. A Same Sky AMT31 és AMT33 sorozatú kommutációkódolói rugalmas beállítási lehetőségeiknek és egyszerű felszerelhetőségüknek köszönhetően a legsokoldalúbb lehetőségek a piacon. A kommutációkódolók jelen cikkben vázolt alapelveinek megértése kihagyhatatlan választássá teheti ezeket az eszközöket a szénkefe nélküli egyenáramú motorokat tartalmazó jövőbeni projektekhez.