Che aspetto hanno le forme d'onda di commutazione per un motore brushless?

Ho visto forme d'onda per guidare un motore brushless.

Immagino che questa sia la forma d'onda utilizzata per la commutazione del blocco più semplice. Ma se voglio fare forme d'onda sinusoidali, che aspetto ha il segnale PWM adesso? È necessario sincronizzare attentamente i bordi delle tre fasi?

Il diagramma che mostri sembra che produrrebbe un Back-EMF trapezoidale piuttosto approssimativo. Suppongo che le porte al 100% siano le gambe inferiori del ponte di azionamento del motore. Non riesco a pensare a un motivo per cui vorresti farlo. In generale, si desidera che la tensione di gate della gamba di ritorno sia il complemento della tensione di gate della gamba di alimentazione.

Nella commutazione trapezoidale in sei passaggi, in genere si accelera il PWM fino al 100%, lo si lascia lì per un po '(~ 30 gradi elettrici di rotazione), quindi lo si abbassa di nuovo.

Nella commutazione sinusoidale, il duty cycle PWM è continuamente variato in valori sinusoidali. Ecco un buon diagramma che mostra la differenza tra azionamento sinusoidale e azionamento trapezoidale PWM e segnali di fase:

Questa nota dell'app Fairchild mostra il PWM con una rotazione completa di 360 °:

È utile guardare da vicino cosa sta succedendo nel segnale. Quello che stai realmente facendo è variare gradualmente la corrente in un'onda triangolare in modo che si accumuli lentamente nello statore del motore. Hai più controllo su questo accumulo se guidi le porte di rifornimento e di ritorno in modo complementare anziché tenere aperta la parte inferiore della gamba.

Il calcolo di un'onda sinusoidale è più intenso dal punto di vista computazionale (a meno che non si utilizzi una tabella di ricerca) rispetto a una semplice accelerazione, mantenimento, decelerazione. Ma produce un disco molto più fluido.

La commutazione spazio-vettore è ancora più intensa dal punto di vista computazionale. E sebbene abbia più ondulazione di coppia rispetto a un azionamento sinusoidale, consente un maggiore utilizzo della tensione del bus ed è quindi più efficiente in termini di potenza.

La tensione di fase nell'unità vettoriale spaziale finisce così:

Questo viene fatto variando contemporaneamente il ciclo di lavoro PWM in tutte e tre le fasi. Ciò si oppone al fatto di avere una sola fase pilotata come nell'azionamento a due quadranti o di avere due fasi guidate in coppie complementari come nell'azionamento a quattro quadranti.

C'è una buona dose di letteratura sull'implementazione del controllo motore brushless, ma ecco una panoramica.

Per comprendere le differenze tra le forme d'onda di commutazione è importante capire come funzionano i motori brushless.

Un motore trifase (bipolare) avrà tre bobine attorno a un singolo magnete al centro. L'obiettivo è quello di eccitare le bobine in sequenza in modo che l'albero del motore (e il suo magnete) ruoti.

Ci sono due campi magnetici che sono importanti qui, il campo del rotore (magnete rotante) e il campo dello statore (bobine statiche):

Ci riferiamo alla direzione del campo magnetico come al suo "vettore di flusso" perché suona super cool. La cosa più importante da imparare da questa immagine è che vuoi che i due campi magnetici siano perpendicolari l'uno all'altro. Questo massimizza efficienza e coppia.

Lo schema di commutazione più stupido è trapezoidale. Utilizzando i sensori di hall o EMF posteriore dal motore, è possibile determinare se il motore si trova in uno di un numero discreto di posizioni ed eseguire il controllo on / off su una o due bobine per condurre il campo magnetico attorno al motore:

Poiché potrebbero esserci solo sei orientamenti separati per il campo dello statore, il vettore di flusso del motore potrebbe essere compreso tra 60 e 120 gradi (anziché i 90 desiderati) e quindi si ottengono ondulazioni di coppia e scarsa efficienza.

Una soluzione ovvia qui è passare alla commutazione sinusoidale e appianare la forma d'onda:

Se conosci l'esatto orientamento del rotore, puoi semplicemente eseguire alcuni trig per calcolare l'esatto ciclo di lavoro PWM da applicare a ciascuna bobina al fine di mantenere il vettore di flusso a 90 gradi e bam hai un bellissimo vettore di flusso a 90 gradi. (L'orientamento del rotore può essere determinato tramite encoder, interpolazione o stima più avanzata come un filtro kalman).

Quindi in questo momento potresti chiederti come puoi fare meglio della commutazione sinusoidale. Il difetto chiave della commutazione sinusoidale è che le uscite vengono inviate direttamente a PWM. A causa dell'induttanza della bobina, la corrente (e quindi il vettore di flusso) resterà indietro rispetto ai valori comandati e quando il motore si avvicina alla sua velocità massima, il vettore di flusso sarà a 80 o 70 gradi anziché 90.

Questo è il motivo per cui la commutazione sinusoidale ha scarse prestazioni ad alta velocità.

Questo infine ci porta al controllo del vettore di flusso che è un nome dato agli algoritmi di controllo (spesso proprietari) che tentano di garantire che il flusso magnetico rimanga a 90 gradi anche a velocità elevate. Il modo più semplice per farlo sarebbe quello di guidare il campo, ad esempio, di 90-120 gradi a seconda della velocità con cui stai andando, sapendo che il flusso magnetico effettivo sarà in ritardo.

Le soluzioni più solide coinvolgono PID / feedforward per controllare accuratamente la corrente che attraversa ogni fase. Ogni produttore di servo ha il proprio algoritmo interno, quindi sono sicuro che ci siano cose piuttosto complicate al limite.

Per dirla in parole povere, il controllo del vettore di flusso è un controllo sinusoidale della corrente che va a ciascuna fase (anziché solo il duty cycle PWM).

La linea tra il vettore sinusoidale / di flusso è piuttosto vaga poiché alcune aziende eseguono un controllo avanzato sui loro azionamenti "sinusoidali" (che essenzialmente li rende vettore di flusso). Inoltre, poiché è possibile chiamare tecnicamente quasi tutto il controllo vettoriale di flusso, la qualità delle implementazioni può variare.