בקרת מנועי BLDC ללא-חיישנים באמצעות כוח אלקטרו-מניע (EMF) אחורי

מנועי DC ללא-מברשות (BLDC) הופכים ליותר ויותר פופולריים מאחר והם מוותרים על המברשות, כפי שמעיד שמם, המועדות לשחיקה והמשמשות במנועים מסורתיים, ומחליפים אותן בבקרים אלקטרוניים המשפרים את אמינותם. יתרה מכך, מנועי BLDC יכולים להיות קטנים יותר וקלים יותר מאשר מנועים עם מברשות בעלי אותו הספק יציאה, ולפיכך מתאימים ליישומים בהם השטח מוגבל. 

מאחר ואין מגע מכני או חשמלי בין הסטטור והרוטור של מנועי BLDC, נדרשות חלופות אחרות בכדי לציין את המיקום היחסי של חלקי המנוע בכדי לפשט את הבקרה. לשם כך מיישמים במנועי BLDC אחת משתי שיטות, שימוש בחיישני אפקט הול (Hall) או מדידת הכוח האלקטרו-מניע האחורי. 

מאמרים קודמים התייחסו לבקרה המבוססת על חיישני אפקט הול (ראו, לדוגמה, המאמר ב- TechZone " שימוש בבקרת חוג סגור במנועי BLDC"); מאמר זה מפרט את החלופה של שיטת הכוח האלקטרו-מניע האחורי. 

הוויתור על החיישנים 

מנועי BLDC מוותרים על הרכיבים הנשחקים בקומוטטור המכני של מנועים קונבנציונליים, תוך שיפור האמינות. בנוסף, מנועי BLDC מציעים יחס גבוה יותר של מומנט-לגודל-המנוע, היענות דינמית מהירה ופעולה שקטה למעשה. 

מנועי BLDC מסווגים כהתקנים סינכרוניים מאחר והשדות המגנטיים של הסטטור והרוטור סובבים באותה התדירות. הסטטור מורכב מרבדים של פלדה המחורצים בכיוון הציר בכדי להתאים למספר זוגי של ליפופים לאורך ההיקף הפנימי. הרוטור בנוי ממגנטים קבועים עם בין 2 עד 8 זוגות קטבים צפון-דרום. 

הקומוטטור האלקטרוני של מנועי BLDC משפעל את סלילי הסטטור בתזמון סדרתי ויוצר בכך את השדה החשמלי הסובב אשר 'גורר' את הרוטור סביב יחד אתו. פעולה יעילה מושגת על ידי הבטחת שפעול הסלילים בדיוק בזמן הנכון. 

חיישנים פועלים אמנם היטב, אך מוסיפים עלות, מגדילים את המורכבות (עקב הצורך בחיווטים נוספים) ומקטינים את האמינות (בחלקו עקב מגעי החיישנים המועדים לזיהום מלכלוך ומרטיבות). בקרה ללא-חיישנים מונעת חסרונות אלו. 

ניצול יתרונות ה- EMF האחורי 

הליפופים של מנוע חשמלי פועלים כמו גנרטור כאשר הם חוצים קווי שדה מגנטי. בליפופים נוצר פוטנציאל הנמדד בוולטים ונקרא "כוח אלקטרו-מניע" (EMF). לפי חוק לנץ (Lenz), כוח אלקטרו-מניע זה יוצר שדה מגנטי שניוני המתנגד לשינוי המקורי בשטף המגנטי הגורם לסיבוב המנוע. במילים פשוטות, הכוח האלקטרו-מניע מתנגד לתנועה הטבעית של המנוע ולכן מתייחסים אליו ככוח-אלקטרו-מניע "אחורי". עבור מנוע נתון עם שטף מגנטי קבוע ומספר ליפופים, גודלו של הכוח האלקטרו-מניע הוא פרופורציונלי למהירות הזוויתית של הרוטור. 

יצרני מנועי BLDC מפרטים את הפרמטר המוכר כ"קבוע הכוח האלקטרו-מניע האחורי" בו ניתן להשתמש כדי להעריך את הכוח האלקטרו-מניע האחורי במהירות נתונה. את הפוטנציאל על פני הליפוף ניתן לחשב על ידי החסרת ערך הכוח האלקטרו-מניע האחורי ממתח ההספקה. המנועים מתוכננים כך שכאשר הם סובבים במהירות הנומינלית, הפרש הפוטנציאל בין הכוח האלקטרו-מניע האחורי לבין מתח ההספקה יגרום למנוע למשוך את הזרם הנומינלי ולספק את המומנט הנומינלי. 

דחיפת המנוע מעבר למהירות הנומינלית מגדילה משמעותית את הכוח האלקטרו-מניע האחורי, ובכך מקטינה את הפרש הפוטנציאל על פני הליפוף, אשר מצידו גורם להפחתת הזרם ולהורדת המומנט. דחיפת המנוע למהירות סיבוב גדולה עוד יותר תגרום לכוח האלקטרו-מניע האחורי (בתוספת הפסדי המנוע) להיות שווה בדיוק למתח ההספקה - ובנקודה זו הזרם והמומנט יהיו שניהם שווים לאפס. 

מאחר והכוח האלקטרו-מניע האחורי גורע ממומנט המנוע הוא נחשב לעיתים כחיסרון, אך במקרה של מנועי BLDC, המהנדסים יכולים להפוך תופעה זו ליתרון עבורם. 

כל שלב של תזמון סדר הקומוטציה עבור מנוע BLDC תלת-פאזי מושג על ידי שפעול אחד מהליפופים כחיובי, השני כשלילי והשלישי נותר כפתוח. תרשים 1 מציג סכמה מפושטת של השלב הראשון בסדר קומוטציה שש-שלבי עבור מנוע כזה. 

תרשים 1: השלב הראשון במחזור קומוטציה שש-שלבי עבור מנוע BLDC. סליל A משופעל חיובית, B פתוח ו- C משופעל שלילית (באדיבות Microchip). 

מנוע BLDC המשתמש בחיישני אפקט הול (Hall) מנצל את היציאות מההתקנים - המבוקרות באמצעות מיקרו-בקר ופועלות דרך דוחף - למיתוג טרנזיסטורים ביפולריים עם שער מבודד (IGBT) או טרנזיסטורי אפקט-שדה עם תחמוצת מתכת (MOSFET) לשפעל בסדר תזמון נכון את הסלילים. הטרנזיסטורים מותנעים (והסלילים משופעלים) כאשר יציאת חיישן אפק הול משנה מצב.¹

בגירסה ללא-חיישן של מנוע BLDC, אין חיישני אפקט הול. במקום זאת, כשהמנוע מסתובב, הכוח האלקטרו-מניע האחורי בשלושת הסלילים משתנה בצורת-גל טרפזואידלית (הקווים בקווקוו הארוך) המוצגת בתרשים 2. להשוואה, תרשים זה מציג גם את היציאות מחיישני אפקט הול של מנוע בעל תצורה דומה. 

תרשים 2: יציאת חיישן אפקט הול בהשוואה לכוח האלקטרו-מניע האחורי עבור מנוע BLDC תלת-פאזי. יש לשים לב כיצד מיתוג היציאות של חיישן אפקט הול מתלכד עם חצייות נקודת האפס המתאימות של הכוח האלקטרו-מניע האחורי במנוע ללא-חיישנים (באדיבות Microchip). 

השילוב של כל שלושת נקודות חציית האפס בסלילים משמש לקביעת סדר התזמון של שפעול הסלילים. יש לשים לב להפרש הפאזה של 30 מעלות בין שינוי היציאה של חיישן אפקט הול אינדיבידואלי במנוע BLDC קונבנציונלי, ונקודת חציית האפס של הכוח האלקטרו-מניע האחורי בסליל אינדיבידואלי במנוע ללא-חיישנים. עקב כך, במעגל הבקרה של מנוע ללא-חיישנים, לאחר גילוי נקודת חציית האפס, שיהוי הפאזה של 30 מעלות מובנה לתוך הקושחה לפני התנעת השלב הבא בסדר תזמון השפעול. בתרשים 2, הקווים בקווקוו הקצר מציינים את הזרם בסלילים.

תרשים 3 מציג את מעגל הבקרה עבור מנוע BLDC תלת-פאזי ללא-חיישנים. במקרה זה, המעגל משתמש במיקרו-בקר ‎8-bit‏ PIC18FXX31 מבית Microchip בכדי ליצור את יציאות מודולטור רוחב הפולס (PWM) להתנעת טרנזיסטורי IGBT או MOSFET בגשר מהפך תלת-פאזי. המיקרו-בקר מגיב לכניסה ממעגל גילוי חציית האפס של הכוח האלקטרו-מניע האחורי.

תרשים 3: מעגל בקרה עבור מנוע BLDC תלת-פאזי ללא-חיישנים (באדיבות Microchip).

שיטות לגילוי הכוח האלקטרו-מניע האחורי

קיימות מספר טכניקות למדידת הכוח האלקטרו-מניע האחורי. השיטה הפשוטה ביותר היא השוואת הכוח האלקטרו-מניע האחורי למחצית מתח אפיק ה- DC בשימוש במשוון. תרשים 4a מציג תיאור סכמטי של מערכת כזו. במקרה זה, המשוון מחובר לסליל B; במערכת שלמה יהיו משוונים המחוברים לכל אחד מהסלילים. בתרשים זה, סליל A משופעל חיובית, סליל C שלילית וסליל B פתוח. הכוח האלקטרו-מניע האחורי עולה ויורד בהתאם ליישום סדר תזמון השפעול לפאזה זו.

החיסרון העיקרי בשיטת משוון פשוטה זו הוא שהמאפיינים של שלושת הליפופים עלולים לא להיות זהים וכתוצאה מכך תיווצר סטיית פאזה מנקודת חציית האפס האמיתית. המנוע ימשיך קרוב לוודאי לפעול, אך עלול למשוך זרם גבוה מידי.

הפתרון הוא לייצור נקודה נייטרלית ווירטואלית, כפי שמוצג בתרשים 4b, על ידי שימוש ברשת של שלושה נגדים המחוברים במקביל לליפופי המנוע. הכוח האלקטרו-מניע האחורי מושווה אז לנקודה הנייטרלית הווירטואלית.

השיטה השלישית היא להשתמש בממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) (תרשים 4c). רבים מהמיקרו-בקרים הזמינים עבור בקרת מנועי BLDC כוללים ממירי ADC מהירים המתאימים למטרה זו. בשיטה זו הכוח האלקטרו-מניע האחורי מונחת כך שניתן להזין אותו ישירות למיקרו-בקר. האותות נדגמים על ידי ממיר ה- ADC ואחר כך מושווים לערך הדיגיטלי המתאים לנקודת האפס. כאשר שני הערכים תואמים, סדר תזמון שפעול הסלילים עובר לצעד הבא. טכניקה זו מציעה מספר יתרונות, כגון האפשרות להשתמש במסננים דיגיטליים להסרת רכיבי מיתוג בתדרים גבוהים מאותות הכוח האלקטרו-מניע האחורי.² 

תרשים 4a: מעגל משוון פשוט למדידת הכוח האלקטרו-מניע האחורי (באדיבות Microchip). 

תרשים 4b: ניתן לשפר את מעגל המשוון הפשוט באמצעות יישום נקודה נייטרלית ווירטואלית (באדיבות Microchip). 

תרשים 4c: האותות נדגמים על ידי ממיר ADC ואחר כך מושווים לערך הדיגיטלי המתאים לנקודת האפס (באדיבות Microchip). 

קיים חיסרון עיקרי אחד בבקרת מנועי BLDC ללא-חיישנים - כאשר המנוע עומד, לא נוצר הכוח האלקטרו-מניע האחורי כך שלמיקרו-בקר אין נתונים על מיקום הססטור והרוטור. 

הפתרון הוא אתחול המנוע בתצורת חוג-פתוח על ידי שפעול הסלילים בסדר תזמון מוגדר מראש. המנוע אמנם לא יפעל ביעילות, אך הוא יתחיל להסתובב. כאשר המהירות תהיה גבוהה דיה לייצר את הכוח האלקטרו-מניע האחורי, בקרת המערכת תמותג לפעולה נורמלית (ויעילה) בחוג-סגור. 

מאחר והכוח האלקטרו-מניע האחורי פרופורציונלי למהירות הסיבוב, מנועי BLDC ללא-חיישנים עלולים לא להיות הבחירה הראויה ביישומים הדורשים מהירויות נמוכות. במקרה זה, מנועי BLDC עם חיישני אפקט הול הם הבחירה הטובה יותר. 

מערכות בקרת מנועי BLDC ללא-חיישנים

הפופולריות ההולכת וגדלה של מנועי BLDC ללא-חיישנים סיפקה את הקטליזטור ליצרני מוליכים-למחצה לפתח שבבים אשר תוכננו במיוחד עבור בקרת ודחיפת מנועים אלו. מערכת בקרת מנוע טיפוסית כוללת מיקרו-בקר בשילוב עם דוחף IGBT או MOSFET. 

קיימים מיקרו-בקרים רבים עבור בקרת מנועי BLDC ללא-חיישנים, החל מהתקני ‎8-bit בעלות נמוכה עד להתקני ‎16-bit ו- ‎32-bit עם ביצועים טובים יותר אשר כולם מתהדרים במספר הנמוך של הרכיבים ההיקפיים הנדרשים לדחיפת המנוע. רכיבים היקפיים אלו כוללים מודולטורים PWM תלת-פאזיים, ממירי ADC ומשוונים עבור הגנת זרם-יתר.³ 

חברת Zilog מציעה את משפחת Z16FMC שלה של מיקרו-בקרים 1‎6-bit עבור בקרת מנועי BLDC ללא-חיישנים. לדברי החברה נדרש למטרה זו מיקרו-בקר עם היענות מהירה לפסקים (Interrupts) בכדי לטפל בעדכוני ה- PWM בזמן-אמת. ה- Z16FMC מספק פעולה בינית (Interoperation) אוטומטית בין ממיר ה- ADC וקוצב-הזמן ובין המשוון ויציאות ה- PWM. תרשים 5 מציג את דיאגרמת הבלוקים של המיקרו-בקר לבקרת מנועים מבית Zilog. 

תרשים 5: דיאגרמת בלוקים של המיקרו-בקר לבקרת מנועים Z16FMC מבית Zilog. 

ה- PIC18F2431 מבית Microchip הוא מיקרו-בקר שגם הוא פופולרי עבור בקרת מנועי BLDC ללא-חיישנים. השבב משתמש במעבד 8‎-bit היכול לפעול במהירויות של עד 1‎6 MIPS. גירסות של משפחת PIC18F כוללות רכיב היקפי PWM לבקרת מנועים תלת-פאזיים עם עד שמונה יציאות וממיר ADC‏ 1‎0-bit או 1‎2-bit. 

חברת Texas Instruments (‏TI) מציעה מצידה ערכת הערכה לבקרת מנועים עבור מנועי BLDC תלת-פאזיים. לדברי החברה, ה- DRV8312-C2-KIT (תרשים 6) - המבוסס על דוחף מנועים PWM ‏ DRV8312 - הוא בקר מוכוון-שטח (FOC) ללא חיישנים וכן פלטפורמת קומוטציה טרפזואידלית עם חיישנים וללא חיישנים המאיצים את הפיתוח לטובת זמן יציאה לשוק מהיר יותר. היישומים כוללים מנועים ללא-מברשות תת-‎50 V ו- 7‎ A עבור דחיפת משאבות רפואיות, שערים, מעליות ומשאבות קטנות, כמו גם רובוטיקה ואוטומציה לתעשייה ולצרכנים. 

תרשים 6: ערכת הערכה למנועי BLDC תלת-פאזיים מבית TI המבוססת על דוחף המנועים DRV8312 PWM. 

יישומים רבים ומגוונים

מנועי BLDC ללא-חיישנים הם פשוטים יותר וכן אמינים יותר מאשר מנועים המשתמשים בחיישני אפקט הול, במיוחד ביישומים בסביבות מזוהמות ולחות. המנועים מסתמכים על מדידת הכוח האלקטרו-מניע האחורי בכדי לקבוע את המיקומים היחסיים של הססטור והרוטור כך שניתן ליישם סדר תזמון נכון לשפעול הסלילים. 

חיסרון אחד הוא שהכוח האלקטרו-מניע האחורי אינו נוצר כאשר המנוע עומד, כך שהאתחול מתבצע בפעולה בחוג-פתוח. עקב כך, למנוע נדרש זמן קצר כדי להגיע לפעולה יעילה. חיסרון שני הוא שבמהירויות נמוכות הכוח האלקטרו-מניע האחורי הוא קטן וקשה למדידה, אשר יכול לגרום לפעולה לא יעילה. ביישומים אלה יש לשקול את השימוש במנועי BLDC המצוידים בחיישנים. 

למרות זאת, עבור יישומים רבים אחרים המהנדסים יכולים לנצל את היתרונות של מנועי BLDC ללא-חיישנים קומפקטיים ורבי עוצמה. השימוש במעגלים משולבים של מיקרו-בקרים ודוחפי IGBT או MOSFET אשר תוכננו במיוחד למטרה זו יכול להקל על תהליך התכנון. ניתן ליעל עוד יותר את הפיתוח בניצול היתרונות של ערכות הערכה מהיצרנים העיקריים המספקים מעגלי ייחוס עבור פתרונות מוכחים לבקרת מנועי BLDC ללא-חיישנים. 

מקורות: 

1. "יסודות מנועי DC ללא-מברשות (BLDC),"‏ Padmaraja Yedamale, דף יישום AN885, ‏ Microchip Technology, ‏2003.
2. "השימוש ב- PIC18F2431 עבור מנועי BLDC ללא-חיישנים," Padmaraja Yedamale, דף יישוםAN970‏, Microchip Technology, ‏2005.
3. "הצורך בפעולה בינית אוטונומית של רכיבים היקפיים ביישומי BLDC ללא-חיישנים," Dave Coulson, מסמך מידע WP002003-0111, ‏ Zilog, ‏2011.