Un modo migliore per commutare i motori BLDC

I motori elettrici a corrente continua brushless, detti motori BLDC, sono motori a commutazione elettronica alimentati da una sorgente elettrica in c.c. tramite un controller per motori esterno. A differenza delle loro controparti a spazzole, i motori BLDC si affidano a un controller esterno per la commutazione, cioè il processo di commutazione della corrente nelle fasi del motore per generare il movimento. I motori a spazzole sono dotati di spazzole fisiche che realizzano questo processo due volte per rotazione, mentre i motori BLDC non lo fanno e, grazie alla natura stessa del progetto, i BLDC possono avere un numero qualsiasi di coppie di poli per la commutazione. Questo articolo espone i principi base dei motori BLDC, analizza i metodi più comuni di commutazione dei motori BLDC e presenta una nuova soluzione per la raccolta della retroazione di posizione.

Principi base sulla commutazione di motori BLDC

La configurazione più comune dei motori BLDC è quella trifase. Il numero di fasi corrisponde al numero di avvolgimenti sullo statore, mentre i poli del rotore possono essere un numero qualsiasi di coppie in funzione dell'applicazione. Dato che il rotore di un BLDC è influenzato dai poli dello statore rotante, la posizione del polo dello statore deve essere tracciata per poter pilotare correttamente le tre fasi del motore. Questo è il motivo per cui sulle tre fasi del motore viene usato un controller con un modello di commutazione a 6 passi. Questi 6 passi (o fasi di commutazione) muovono un campo elettromagnetico che induce i magneti permanenti del rotore a far ruotare l'albero del motore (Figura 1).

Figura 1: Schema del modello a 6 passi per la commutazione di un motore BLDC. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Perché il controller possa commutare efficacemente il motore, deve sempre avere informazioni precise sulla posizione del rotore. I sensori a effetto Hall sono stati la scelta più diffusa per la retroazione di commutazione fin dalla nascita dei motori brushless. In uno scenario d'uso tipico, sono necessari tre sensori per il controllo trifase. I sensori a effetto Hall vengono integrati nello statore del motore per rilevare la posizione del rotore che viene usata per commutare i transistor nel ponte trifase per pilotare il motore. La notazione comune per i tre sensori corrisponde ai canali U, V e W. Purtroppo, questo metodo di retroazione di posizione presenta alcuni inconvenienti. Mentre il costo in distinta base dei sensori a effetto Hall è basso, il costo di integrazione di questi sensori in un motore BLDC può raddoppiare il costo totale del motore. Inoltre, il controller riceve solo un'immagine parziale della posizione del motore dai sensori a effetto Hall, il che può causare problemi nei sistemi in cui è necessaria una retroazione di posizione precisa per il funzionamento corretto.

Gli encoder offrono una maggiore precisione

Oggigiorno, i sistemi che richiedono motori BLDC necessitano di una precisione di misurazione della posizione molto maggiore che in passato. A tal fine, oltre ai sensori a effetto Hall, è possibile accoppiare al motore BLDC anche una serie di encoder incrementali. Si tratta di un sistema che fornisce una migliore retroazione di posizione, ma che ora richiede al produttore del motore di aggiungere entrambi i sensori di Hall nel motore, insieme a un encoder incrementale dopo l'assemblaggio. Un'opzione migliore consiste nell'evitare del tutto i sensori a effetto Hall e nel sostituire l'encoder incrementale con un encoder a vie di commutazione. Questi encoder a vie di commutazione, come la serie AMT31 o AMT33 di Same Sky, hanno uscite incrementali per un preciso tracciamento della posizione e uscite di commutazione corrispondenti alla specifica configurazione dei poli del motore. Poiché sono digitali, gli encoder a vie di commutazione di Same Sky consentono di programmare questi parametri, tra cui il numero di poli, la risoluzione e la direzione. Ciò offre all'ingegnere una certa flessibilità durante la prototipazione e il collaudo, nonché una riduzione del numero di SKU encoder su più progetti.

Allineamento di un motore a commutazione

Quando si applica corrente a un motore, quest'ultimo gira e, viceversa, quando un motore gira, genera corrente. Se si facesse girare un motore BLDC, si vedrebbero le uscite sulle 3 fasi come nella Figura 2 seguente. Per allineare correttamente un encoder a vie di commutazione o anche i sensori a effetto Hall a un motore BLDC, la forma d'onda di commutazione risultante deve essere allineata alla forza controelettromotrice (f.c.e.m.). Tradizionalmente, ciò comporta un processo iterativo che richiede un secondo motore per pilotare il primo e un oscilloscopio per osservare le forme d'onda. Ciò può richiedere molto tempo e far lievitare i costi durante la produzione.

Figura 2: Uscite di commutazione e fasi del motore (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Con un encoder capacitivo AMT, il processo di allineamento è quasi istantaneo e richiede solo un alimentatore. Una volta montato l'encoder, l'utente deve solo applicare l'alimentazione alle due fasi che corrispondono alla posizione iniziale desiderata dell'encoder AMT e inviare il comando di allineamento. In questo modo, l'utente imposta essenzialmente la posizione di partenza della forma d'onda di commutazione dell'encoder e della forma d'onda della f.c.e.m. del motore.

Oltre alla facilità di allineamento, i segnali di commutazione dell'encoder AMT sono allineati in modo molto più preciso ai poli del motore. L'allineamento di un encoder a vie di commutazione a un motore si limita a impostare la posizione iniziale (ossia il punto in cui inizia la forma d'onda di commutazione). Se eseguita correttamente, la forma d'onda di commutazione dovrebbe corrispondere perfettamente alla forma d'onda della f.c.e.m. del motore. Tuttavia, ciò non è sempre possibile. Un allineamento tipico con i sensori a effetto Hall o con un encoder ottico è dell'ordine di ±1 grado elettrico. Gli encoder AMT, invece, possono raggiungere una precisione molto maggiore, in genere entro ±0,1 gradi elettrici. La forma d'onda dell'encoder AMT inizia quando U e W sono entrambi alti (terzo stato nella forma d'onda sopra riportata); consultare il produttore del motore per conoscere lo schema f.c.e.m. appropriato e determinare quali fasi da mettere sotto tensione durante l'allineamento.

Impostazioni di direzione per gli encoder a vie di commutazione AMT

Oltre alle caratteristiche di programmabilità del numero di poli e della risoluzione, la serie AMT offre un'impostazione della direzione per le applicazioni di commutazione, un'opzione unica non offerta dalla maggior parte degli altri produttori. In breve, la direzione indica da che parte deve ruotare l'albero dell'encoder per far avanzare i segnali di commutazione. In genere, gli encoder a vie di commutazione sono posizionati sull'albero posteriore del motore. In questo scenario, i segnali di commutazione avanzano attraverso i loro stati quando il motore ruota in senso antiorario (visto dal retro del motore). Tuttavia, se si posiziona l'encoder sull'albero anteriore, si è essenzialmente capovolto l'encoder e ora, quando si ruota il motore in senso antiorario (visto dal retro), l'albero dell'encoder sta effettivamente ruotando in senso orario (visto dall'alto verso il basso sull'encoder). Ciò significa che i poli del motore ruotano nella direzione opposta a quella dei poli dell'encoder, come mostra la Figura 3. Altre tecnologie che non includono questa opzione programmabile richiedono lo scambio fisico del disco dell'encoder o dei canali U, V, W per svolgere lo stesso compito. Per le applicazioni che utilizzano più motori BLDC con requisiti direzionali diversi, questa funzione programmabile può risultare particolarmente utile.

Figura 3: Forma d'onda di commutazione opposta alla f.c.e.m. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Conclusione

I motori BLDC sono sempre più utilizzati e possono eccellere in molte applicazioni se dotati di un anello di controllo stretto e di un retroazione per il rilevamento della posizione ad alta precisione. I sensori a effetto Hall sono stati la soluzione preferita per molti anni, grazie al loro basso costo in distinta base, ma spesso non sono in grado di fornire un quadro completo della posizione di un motore, a meno che non siano abbinati a un encoder incrementale. Tuttavia, gli encoder a vie di commutazione AMT di Same Sky offrono una soluzione completa che elimina del tutto la necessità di sensori a effetto Hall e di encoder incrementali. Gli encoder a vie di commutazione AMT31 o AMT33 di Same Sky sono le opzioni più versatili sul mercato, grazie alla loro programmabilità flessibile e alla semplicità di installazione. Conoscere i principi base degli encoder a vie di commutazione, come illustrato in questo articolo, può renderli un'opzione interessante per un progetto di motore BLDC futuro.