Motori Bldc sensorless per tutti

Quale tecnologia di riferimento per molti sistemi di fascia alta e media, i motori Bldc (Brushless Dc) offrono una velocità variabile o costante combinati alla elevata affidabilità e facilità di controllo. L'uso di anche pochi sensori ad effetto Hall, tuttavia, aggiunge al tutto dei costi di sistema che collocano il Bldc fuori dalla portata delle applicazioni low-cost. I precedenti tentativi con controllo sensorless sono stati anche posizionati a prezzi al di fuori dalla portata delle applicazioni mass-market dalla necessità di costosi controller necessari per far girare algoritmi usati per rimpiazzare i sensori. Ora, tuttavia, con dei costi per volumi prossimi ad 1 dollaro per unità, i Digital Signal Controller come i dsPIC33FJ15MC102 di Microchip, possono vincere queste sfide e rendere il controllo sensorless di motori Bldc una scelta percorribile anche per le applicazioni low-cost.

Bldc sensored e sensorless
Per comprendere come il controllo “sensorless” di motori Bldc funzioni è utile considerare il modello base del controllo sensored. Il motore Bldc usa una bobina attivata, o statore, che genera un magnete permanente sul rotore, o albero, per allinearsi alla bobina, e far ruotare il rotore per generare coppia. In un motore Bldc trifase i tre avvolgimenti dello statore, o fasi, sono accesi e spenti sequenzialmente in anticipo rispetto al rotore. Perché il rotore ruoti fluidamente, il motore è costruito utilizzando set multipli di avvolgimenti per ogni avvolgimento o fase e ogni fase deve essere posta su on e off in un preciso ordine perché il rotore possa ruotare. La posizione del rotore stabilisce quale fase debba essere posta su on oppure off. Pertanto, è critico che la posizione del rotore sia nota, e che il controller commuti attivamente le fasi su on e off cosi che il motore Bldc possa funzionare. La maniera più semplice per calcolare la posizione del rotore è quella di utilizzare sensori ad effetto Hall, i quali generano impulsi che consentono al controller di identificare la posizione del rotore. Con la posizione del rotore nota, il controller Bldc basico ha solo bisogno di cercare quale modello per le tre fasi corrisponda alla posizione del rotore, e commutare le fasi su quel modello. Dare una occhiata più da vicino alle tre fasi di un motore Bldc può aiutare a spiegare come un algoritmo Bldc sensorless possa calcolare la posizione del rotore. Nel controllo trapezoidale, una fase è portata su high (+Vbus), una fase su low (-Vbus), mentre la terza fase è inattiva, questo in qualsiasi momento.. Quando il rotore passa attraverso una fase, il magnete permanente sul rotore induce una corrente in quella fase che ha come conseguenza una tensione nota come back Emf (Electromotive Force). La back Emf dipende dal numero di spire presenti nell'avvolgimento di ogni fase, la velocità angolare del rotore, e dalla forza del magnete permanente del rotore. La forma d'onda back-Emf di ogni fase è relazionata alla posizione del rotore, cosi la back Emf può essere usata per determinare la posizione del rotore.  Benché ci siano molti metodi per utilizzare la back Emf al fine di determinare la posizione del rotore, uno dei più comuni e solidi è il rilevamento dello zero-crossing. Quando uno dei segnali back-Emf passa per lo zero, il controller deve commutare il modello sulle fasi. Questo processo è conosciuto come commutazione. Al fine di tenere il rotore in funzionamento, deve esserci una variazione di fase tra il punto nel quale si presenta lo zero crossing e il momento in cui avviene la commutazione. Il controller deve calcolare e compensare questo. Una via semplice per implementare lo zero-crossing è quella di assumere che un evento zero-crossing capiti ogni qual volta la back Emf di qualsiasi fase raggiunge Vbus/2.
Questo metodo può essere facilmente implementato utilizzando alcuni amplificatori operazionali, configurati come comparatori. Tuttavia, questo presenta una serie di problemi: la back Emf è tipicamente inferiore a Vbus, cosi l'evento zero-crossing non si verifica esattamente a Vbus/2; inoltre, le proprietà di ognuna delle fasi possono essere differenti, tanto che la tensione back-Emf per uno zero-crossing su una fase potrebbe essere differente da quella di un'altra fase. In definitiva, questo metodo di rilevamento semplicistico genera variazioni di fase positive e negative nei segnali back-Emf rilevati.

Applicazioni real-world
Nelle applicazioni real-world, la tensione di soglia di zero-crossing varia considerevolmente. Questa tensione di soglia è tuttavia uguale alla tensione del punto neutro del motore, dato che il punto neutro del motore è la media delle back Emf delle tre fasi. Perciò, ogni qualvolta la back Emf di qualsiasi fase eguaglia il punto neutro del motore, un evento zero-crossing si è verificato e il controller deve commutare. Questo può essere fatto utilizzando resistenze e amplificatori operazionali, oppure utilizzando il modulo Adc e il software sul controller. Con un controller programmabile, come un Dsc dsPIC, la back Emf per ogni fase può essere campionata usando il modulo Adc, e il punto neutro può essere facilmente ricreato via software prendendo la media dei tre segnali back-Emf. Il software può quindi comparare questo valore con la back Emf delle tre fasi rilevato e individuare quando un evento zero-crossing si è verificato. Una volta che un evento zero-crossing si è verificato, il controller commuta il motore e il processo riparte. Utilizzare la back Emf del motore per individuare gli zero-crossing significa che il sensore può essere eliminato dal sistema senza compromettere le prestazioni. I sistemi real-world introducono anche altre sfide alla modalità sensorless. Per prima, a basse velocità, la back Emf è molto piccola e di conseguenza molto difficile da rilevare. Quindi, il controller dovrebbe indovinare la posizione del rotore finché il motore non inizi a girare abbastanza velocemente da generare sufficiente back Emf e operare in modalità sensorless. Un controller programmabile via software permette all'avvio del sistema di essere adattato su misura di ogni applicazione, minimizzando gli effetti di questo problema. Un'altra sfida è il rumore di commutazione generato dai Mosfet. Poiché i Mosfet commutano per cambiare la tensione su ogni fase, questi introducono rumore nella back Emf che viene rilevata dal modulo Adc del controller. Questo rumore deve essere filtrato ed eliminato, al fine di ricreare accuratamente la back Emf di ogni fase. Un Dsc ha un Dsp inserito nel processore, che può gestire facilmente i calcoli richiesti per implementare un filtro digitale ed eliminare questo rumore di commutazione. L'uso di un controller programmabile da software può inoltre offrire soluzioni più semplici ad altre sfide e problematiche, che sono specifiche di ogni applicazione.

Ridurre i costi di sviluppo
I nuovi strumenti di sviluppo, ottimizzati per controllo Bldc sensorless, possono tagliare significativamente i costi e i tempi di sviluppo per l'implementazione del Bldc sensorless nel mass-market e altre applicazioni. Il motor-control starter kit di Microchip costa meno di 100 dollari e include note applicative dettagliate, oltre a software di esempio e schemi hardware. I fornitori di motor-controller, inclusa Microchip, tipicamente offrono anche il download di file software e schemi hardware gratuiti, che rendono il processo di apprendimento persino più facile.

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