דרך טובה יותר עבור קומוטציה של מנועי BLDC

מנועי זרם ישר ללא-מברשות, או מנועי BLDC, הם מנועים עם קומוטציה אלקטרונית המוזנים ממקור חשמל DC באמצעות בקר מנוע חיצוני. שלא כמו קרובי משפחתם עם-מברשות, מנועי BLDC מסתמכים על בקר חיצוני כדי להשיג קומוטציה, שהוא תהליך מיתוג הזרם בפאזות המנוע כדי ליצור תנועה. למנועים עם-מברשות יש מברשות פיזיות כדי להשיג תהליך זה פעמיים בכל סיבוב, בעוד למנועי BLDC אין, ובשל אופי התכן שלהם הם יכולים לקבל כל מספר של זוגות קטבים עבור הקומוטציה. מאמר זה יסקור את היסודות של מנועי BLDC, יבחן שיטות נפוצות עבור קומוטציה של מנועי BLDC, ויציג פתרון חדש עבור קבלת משוב על המיקום.

יסודות הקומוטציה של מנועי BLDC‏

התצורה הנפוצה ביותר של מנועי BLDC היא תלת-פאזית. מספר הפאזות תואם את מספר הסלילים על הסטטור, בעוד שקוטבי הרוטור יכולים להיות כל מספר של זוגות בהתאם ליישום. מכיוון שהרוטור של מנוע BLDC מושפע מקוטבי הסטטור המסתובבים, יש לעקוב אחר מיקום קוטב הסטטור כדי להניע ביעילות את שלושת פאזות המנוע. לכן, בקר מנוע משמש ליצירת תבנית קומוטציה של 6-צעדים בשלושת פאזות המנוע. שישה צעדים או פאזות קומוטציה אלו מניעים שדה אלקטרומגנטי הגורם למגנטים הקבועים של הרוטור להניע את ציר המנוע (איור 1).

איור 1‏: תבנית 6-צעדים עבור קומוטציה של מנוע BLDC‏. (מקור התמונה: Same Sky)

כדי שהבקר יבצע קומוטציה של המנוע בצורה יעילה, הוא חייב תמיד מידע מדויק על מיקום הרוטור. חיישני אפקט Hall‏ היו הבחירה הנפוצה עבור משוב הקומוטציה מאז ראשיתו של המנוע ללא-מברשות. בתרחיש טיפוסי נדרשים שלושה חיישנים עבור בקרה תלת-פאזית. חיישני אפקט Hall‏ משובצים בסטטור של המנוע כדי לגלות את מיקום הרוטור, המשמש למיתוג הטרנזיסטורים בגשר התלת-פאזי להנעת המנוע. שלושת יציאות החיישנים מצוינות בדרך כלל כערוצי U, V ו-W. לרוע המזל ישנם כמה חסרונות בשיטה זו של משוב מיקום. בעוד שעלות ה-BOM של חיישני אפקט Hall‏ היא נמוכה, העלות של שילוב חיישנים אלו ב-BLDC יכולה להכפיל את העלות הכוללת של המנוע. בנוסף, הבקר מקבל רק תמונה חלקית של מיקום המנוע מחיישני אפקט Hall‏, מה שעלול לגרום לבעיות במערכות שבהן נדרש משוב מיקום מדויק כדי לפעול כהלכה.

אנקודרים מעניקים דיוק רב יותר

בעולם של היום, מערכות הדורשות מנועי BLDC זקוקות לדיוק רב יותר במדידת המיקום מאשר אי פעם. כדי להשיג זאת ניתן לזווג אנקודרים אינקרמנטליים עם מנוע BLDC בנוסף לחיישני אפקט Hall‏. זה מציג מערכת המספקת משוב מיקום משופר, אך כעת דורש מיצרן המנוע להוסיף שני חיישני Hall במנוע, יחד עם אנקודר אינקרמנטלי לאחר ההרכבה. אפשרות טובה יותר מדלגת לחלוטין על חיישני אפקט Hall‏ ומחליפה את האנקודר האינקרמנטלי עם אנקודר קומוטציה. לאנקודרי קומוטציה אלו, כגון סדרת AMT31 או AMT33 של Same Sky‏, יש יציאות אינקרמנטליות עבור מעקב מיקום מדויק, לצד יציאות קומוטציה התואמות לתצורת הקטבים הספציפית של המנוע. מקודדי קומוטציה של Same Sky‏, בהיותם דיגיטליים, מאפשרים לתכנת פרמטרים אלו, כולל ספירת הקטבים, רזולוציה וכיוון. זה מעניק למהנדס גמישות במהלך בניית אב-טיפוס ובדיקות, כמו גם מספר מק"טים מופחת של אנקודרים על פני מספר תכנים.

יישור מנוע קומוטציה

כאשר מופעל זרם על המנוע הוא מסתובב, ולהפך כאשר מסובבים מנוע, הוא מייצר זרם. אם מסובבים מנוע BLDC, רואים יציאות בשלושת הפאזות בדומה לתמונה 2 למטה. כדי לסנכרן כראוי אנקודר קומוטציה או אפילו חיישני אפקט Hall‏ עם מנוע BLDC, יש לסנכרן את צורת הגל המתקבלת ל-EMF האחורי. באופן מסורתי, זה גורם לתהליך איטרטיבי הדורש מנוע שני כדי להניע את הראשון, ואוסצילוסקופ כדי לצפות בצורות הגל. זה יכול לקחת זמן ולהוסיף עלויות משמעותיות במהלך תהליך הייצור.

איור 2: יציאות הקומוטציה ופאזות המנוע (מקור התמונה: התקני CUI)

עם אנקודר קיבולי AMT, תהליך הסינכרון הוא כמעט מיידי ודורש רק הספקת-כוח. ברגע שהאנקודר מורכב, המשתמש צריך רק להפעיל מתח על שתי הפאזות התואמות למיקום ההתחלתי הרצוי של אנקודר AMT ולשלוח את פקודת הסינכרון. בכך המשתמש קובע בעצם את המיקום ההתחלתי של צורת גל הקומוטציה של האנקודר ואת צורת גל ה-EMF האחורי של המנוע.

בנוסף לקלות הסינכרון, אותות הקומוטציה של אנקודר AMT מסונכרנים בצורה הרבה יותר מדויקת לקוטבי המנוע. סינכרון אנקודר קומוטציה למנוע קובע רק את המיקום ההתחלתי (כלומר, היכן מתחילה צורת-גל הקומוטציה). אם זה נעשה כראוי, צורת גל הקומוטציה צריכה להתאים בצורה מושלמת לצורת גל ה-EMF האחורי של המנוע. עם זאת, זה לא תמיד בר השגה. סינכרון טיפוסי עם חיישני Hall‏ או אנקודר אופטי הוא בסדר גודל של ±1 מעלות חשמליות. אנקודרי AMT, לעומת זאת, יכולים להשיג דיוק הרבה יותר גדול, בדרך כלל בתוך ±0.1 מעלות חשמליות. צורת הגל של אנקודרי AMT מתחילה כאשר U ו-W שניהם גבוהים (מצב שלישי בצורת הגל לעיל); בדקו עם יצרן המנוע שלכם לקבלת דיאגרמת EMF אחורי המתאימה כדי לקבוע אילו פאזות יש להפעיל במהלך הסינכרון.

הגדרות כיוון עבור מקודדי קומוטציה AMT‏

לצד מאפייני ספירת הקטבים והרזולוציה הניתנים-לתכנות, סדרת AMT מציעה הגדרת כיוון עבור יישומי קומוטציה - אפשרות ייחודית שאינה מסופקת על ידי רוב יצרני אנקודרי קומוטציה האחרים. במילים פשוטות, הכיוון אומר לכם להיכן צריך להסתובב ציר האנקודר כדי שאותות הקומוטציה יתקדמו. בדרך כלל, אנקודרי קומוטציה ממוקמים על הציר האחורי של המנוע. בתרחיש זה אותות הקומוטציה מתקדמים דרך המצבים שלהם כאשר המנוע מסתובב נגד כיוון השעון (כפי שנראה מהגב של המנוע). עם זאת, אם שמים את האנקודר על הציר הקדמי, בעצם הופכים את האנקודר מלמעלה למטה וכעת כאשר מסובבים את המנוע נגד כיוון השעון (במבט מאחור), ציר האנקודר מסתובב למעשה בכיוון השעון (במבט מלמעלה למטה על האנקודר). המשמעות היא שהקטבים של המנוע מסתובבים בכיוון ההפוך כמו הקטבים של האנקודר, כפי שמוצג באיור 3 להלן. טכנולוגיות אחרות שאינן כוללות אפשרות ניתנת-לתכנות זו דורשות החלפה פיזית של דיסק האנקודר או ערוצי U, V, W כדי לבצע את אותה משימה. עבור יישומים המשתמשים במספר מנועי BLDC עם דרישות כיוון משתנות, מאפיין ניתן-לתכנות זה יכול להיות שימושי במיוחד.

איור 3: צורת גל הקומוטציה הפוכה ל-EMF האחורי (מקור תמונה: Same Sky)

סיכום

שימושי מנועי BLDC ממשיכים להתרבות והם יכולים להצטיין ביישומים רבים כאשר יש חוג בקרה הדוק ומשוב חישת מיקום עם דיוק גבוה. חיישני אפקט Hall‏ היו הפתרון הרצוי במשך שנים רבות בשל עלות ה-BOM הנמוכה שלהם, אך לעתים קרובות הם לא מצליחים לספק תמונה מלאה של מיקום המנוע, אלא אם כן הם משולבים עם אנקודר אינקרמנטלי. עם זאת, אנקודרי קומוטציה AMT של Same Sky מספקים פתרון הכול-באחד החוסך את הצורך בחיישני אפקט Hall‏ ובאנקודרים אינקרמנטליים. אנקודרי קומוטציה AMT31 או AMT33 של Same Sky הם האפשרויות הוורסאטיליות ביותר בשוק הודות ליכולת התכנות הגמישה וההתקנה הפשוטה שלהם. הבנה בסיסית של עקרונות אנקודרי קומוטציה כפי שמתוארים במאמר זה יכולה להפוך אותם לאפשרות משכנעת עבור פרויקט מנועי BLDC הבא שלכם.