Parempi tapa harjattomien tasavirtamoottorien kommutointiin

Harjattomat tasavirtamoottorit eli BLDC-moottorit ovat elektronisesti kommutoituja moottoreita, jotka saavat virran tasavirtalähteestä ulkoisen moottoriohjaimen kautta. Toisin kuin harjallisissa sukulaisissaan, BLDC-moottoreissa ulkoinen ohjain saa aikaan kommutoinnin, eli virran suunnan kääntämisen moottorin vaiheissa liikkeen tuottamiseksi. Harjallisissa moottoreissa on fyysiset harjat, joiden avulla tämä tapahtuu kaksi kertaa kierrosta kohden. BLDC-moottoreissa ei ole harjoja, ja niiden rakennetyypin ansiosta niissä voi olla mikä tahansa määrä napapareja kommutointia varten. Tässä artikkelissa käydään läpi BLDC-moottorien perusteet, luodaan katsaus yleisiin BLDC-moottorien kommutointimenetelmiin ja esitellään uusi ratkaisu asentotiedon keräämisen.

BLDC-moottorin kommutoinnin perusteet

BLDC-moottorien yleisin rakenne on 3-vaiheinen. Vaiheiden määrä vastaa staattorin käämien määrää, kun taas roottorissa voi olla mikä tahansa määrä napapareja käyttökohteesta riippuen. Koska pyörivät staattorin navat vaikuttavat BLDC-moottorin roottoriin, staattorin napojen asentoa on seurattava, jotta kolmea moottorivaihetta voidaan ohjata tehokkaasti. Tästä syystä moottorin kolmessa vaiheessa käytetään 6-vaiheista kommutointia moottoriohjaimen avulla. Nämä kuusi vaihetta eli kommutointivaiheet liikuttavat sähkömagneettista kenttää, joka saa roottorin kestomagneetit pyörittämään moottorin akselia (kuva 1).

Kuva 1: 6-vaiheinen BLDC-moottorin kommutointijärjestys. (Kuvan lähde: Same Sky)

Jotta ohjain voisi tehokkaasti kommutoida moottoria, sillä on aina oltava tarkat tiedot roottorin asennosta. Hall-anturit ovat olleet suosittu valinta kommutoinnin asentopalautteen saamiseksi harjattoman sähkömoottorin keksimisestä lähtien. Tyypillisessä tapauksessa kolmen vaiheen ohjaus edellyttää kolmea anturia. Hall-anturit on upotettu moottorin staattoriin roottorin asennon mittaamiseksi. Moottoria ohjataan tämän tiedon perusteella 3-vaihesillan transistorien avulla. Kolme anturilähtöä tunnetaan yleisesti U-, V- ja W-kanavina. Valitettavasti tässä asennon takaisinkytkentämenetelmässä on joitakin heikkouksia. Vaikka Hall-anturien materiaalikustannukset ovat alhaiset, näiden anturien integrointi BLDC-moottoriin voi kaksinkertaistaa moottorin kokonaishinnan. Lisäksi ohjain saa vain osittaisen kuvan moottorin asennosta Hall-antureilta, mikä voi aiheuttaa ongelmia järjestelmissä, joissa haluttuun toimintaan tarvitaan tarkkaa asentotietoa.

Enkooderit takaavat paremman tarkkuuden

Nykypäivänä BLDC-moottoreita vaativat järjestelmät tarvitsevat paljon korkeampaa tarkkuutta asentomittauksessa kuin koskaan aiemmin. Tätä varten BLDC-moottoriin voidaan asentaa inkrementaaliset enkooderit Hall-antureiden lisäksi. Näin saadaan järjestelmä, joka tuottaa paremman asentotiedon, mutta moottorin valmistajan on nyt lisättävä moottoriin sekä Hall-anturit että inkrementaalinen enkooderi moottorin kokoonpanon jälkeen. Parempi vaihtoehto jättää Hall-anturit kokonaan pois ja korvaa inkrementaalisen enkooderin kommutointienkooderilla. Näissä kommutointienkoodereissa, kuten Same Sky -yrityksen AMT31- tai AMT33-sarjoissa, on inkrementaaliset lähdöt asennon tarkkaa seurantaa varten sekä kommutointilähdöt, jotka vastaavat moottorin nimenomaista napakonfiguraatiota. Same Sky -yrityksen kommutointienkooderit ovat digitaalisia, mikä mahdollistaa näiden parametrien ohjelmoinnin, mukaan lukien napojen määrä, resoluutio ja suunta. Tämä tarjoaa enemmän joustavuutta prototyyppi- ja testausvaiheessa, minkä lisäksi tarvitaan pienempi määrä eri enkooderinimikkeitä, koska samaa enkooderia voidaan käyttää useammassa eri mallissa.

Kommutointimoottorin kohdistaminen

Kun moottoriin kytketään virta, se pyörii, ja kun moottoria puolestaan pyöritetään, se tuottaa virtaa. Jos BLDC-moottoria pyöritetään, kolmen vaiheen lähdöt näyttäisivät alla olevan kuvan 2 kaltaisilta. Jotta kommutointienkooderi tai edes Hall-anturit voidaan kohdistaa oikein BLDC-moottorin kanssa, tuloksena oleva kommutointiaaltomuoto tulee kohdistaa vastasähkömotorisen voiman kanssa. Perinteisesti tässä käytetään iteroivaa prosessia, joka vaatii toisen moottorin pyörittämään ensimmäistä ja jossa aaltomuotoja tarkkaillaan oskilloskoopilla. Tämä voi viedä paljon aikaa ja aiheuttaa merkittäviä kustannuksia valmistusprosessin aikana.

Kuva 2: Kommutointilähdöt ja moottorivaiheet (Kuvan lähde: Same Sky)

Kapasitiivisella AMT-enkooderilla kohdistusprosessi on lähes välitön ja vaatii vain virtalähteen. Kun enkooderi on asennettu paikoilleen, käyttäjän tarvitsee ainoastaan syöttää virtaa niihin kahteen vaiheeseen, jotka vastaavat AMT-enkooderin haluttua alkuasentoa, ja lähettää kohdistuskomento. Näin tehdessään käyttäjä on periaatteessa asettanut enkooderin kommutointiaaltomuodon ja moottorin vastasähkömotorisen voiman aaltomuodon aloitusasennon.

Helpon kohdistuksen lisäksi AMT-enkooderin kommutointisignaalit ovat huomattavasti tarkemmin kohdakkain moottorin napojen kanssa. Kommutointienkooderin kohdistaminen moottoriin pelkästään asettaa aloitusasennon (eli kohdan, josta kommutointiaaltomuoto alkaa). Oikein tehtynä kommutointiaaltomuodon pitäisi täydellisesti vastata moottorin vastasähkömotorisen voiman aaltomuotoa. Tämä ei kuitenkaan aina ole mahdollista. Tyypillisen Hall-antureilla tai optisella enkooderilla tehdyn kohdistuksen tarkkuus on noin ±1 sähköastetta. AMT-enkooderit voivat toisaalta saavuttaa paljon paremman tarkkuuden, yleensä alle ±0,1 sähköastetta. AMT-enkooderin aaltomuoto alkaa, kun U ja W ovat molemmat korkeita (kolmas tila yllä olevassa aaltomuodossa). Pyydä moottorivalmistajalta moottoria vastaava vastasähkömotorisen voiman kaavio määrittääksesi, minkä vaiheiden pitää olla jännitteiset kohdistuksen aikana.

AMT-kommutointienkooderien suunta-asetukset

Ohjelmoitavien napamäärä- ja tarkkuusominaisuuksiensa lisäksi AMT-sarja tarjoaa suunta-asetuksen kommutointisovelluksiin. Tämä on ainutlaatuinen vaihtoehto, jota useimmat muut kommutointienkooderien valmistajat eivät tarjoa. Yksinkertaisesti sanottuna suunta kertoo, mihin suuntaan enkooderin akselin pitäisi pyöriä, jotta kommutointisignaalien järjestys olisi haluttu. Kommutointienkooderit sijoitetaan tyypillisesti moottorin akselille moottorin takaosassa. Tässä tapauksessa kommutointisignaalit etenevät tilojensa läpi moottorin pyöriessä vastapäivään (moottorin takaa katsottuna). Jos toisaalta enkooderi sijoitetaan akseliin moottorin edessä, enkooderi on nyt käytännössä ylösalaisin. Kun moottori nyt pyörii vastapäivään (moottorin takaa katsottuna), enkooderin akseli pyörii itse asiassa myötäpäivään (enkooderia ylhäältä katsottaessa). Tämä tarkoittaa, että moottorin navat pyörivät vastakkaiseen suuntaan kuin enkooderin navat alla olevan kuvan 3 mukaisesti. Muut tekniikat, jotka eivät sisällä tätä ohjelmoitavaa vaihtoehtoa, edellyttävät enkooderilevyn tai U-, V- ja W-kanavien fyysistä vaihtoa saman lopputuloksen saavuttamiseksi. Tämä ohjelmoitava ominaisuus voi olla erityisen hyödyllinen sovelluksissa, joissa käytetään useita BLDC-moottoreita, joiden suuntavaatimukset vaihtelevat.

Kuva 3: Kommutointiaaltomuoto, joka on päinvastainen kuin vastasähkömotorisen voiman aaltomuoto (kuvan lähde: Same Sky)

Yhteenveto

BLDC-moottorien käyttö lisääntyy ja ne sopivat erinomaisesti moniin sovelluksiin, kunhan niiden kanssa käytetään tarkkaa ohjaussilmukkaa ja tarkkaa asennontunnistustakaisinkytkentää. Hall-anturit ovat olleet useiden vuosien ajan pääasiallinen ratkaisu ennen kaikkea niiden alhaisten materiaalikustannusten vuoksi, mutta ne eivät useinkaan anna kokonaiskuvaa moottorin asennosta, ellei niiden lisänä käytetä inkrementaalista enkooderia. Same Sky -yrityksen AMT-kommutointienkooderit tarjoavat kuitenkin kokonaisratkaisun, joka poistaa Hall-antureiden ja inkrementaalisten enkoodereiden tarpeen kokonaan. Same Sky -yrityksen AMT31- ja AMT33-kommutointienkooderit ovat markkinoiden monipuolisimpia vaihtoehtoja joustavan ohjelmoitavuutensa ja yksinkertaisen asennuksensa vuoksi. Tässä artikkelissa kuvailtujen kommutointienkoodereiden pääperiaatteiden ymmärtäminen voi tehdä niiden käytöstä tulevassa BLDC-moottoriprojektissa houkuttelevan vaihtoehdon.