Eine bessere Möglichkeit, BLDC-Motoren zu kommutieren

12. März 2019 Verfasst von Jason Kelly

Eine bessere Möglichkeit, BLDC-Motoren zu kommutieren
Bürstenlose Gleichstrommotoren oder BLDC-Motoren sind elektronisch kommutierte Motoren, die von einer Gleichstromquelle über eine externe Motorsteuerung angetrieben werden. Im Gegensatz zu gebürsteten Motoren sind BLDC-Motoren für die Kommutierung auf eine externe Steuerung angewiesen. Dies ist der Vorgang des Umschaltens des Stroms in den Motorphasen, um eine Bewegung zu erzeugen. Bürstenmotoren verfügen über Bürsten, um diesen Vorgang zweimal pro Umdrehung durchzuführen, während dies bei BLDC-Motoren nicht passiert. Aufgrund ihrer Konstruktion können sie eine beliebige Anzahl von Polpaaren zur Kommutierung aufweisen. In diesem Blogbeitrag werden wir uns die Grundlagen des BLDC-Motors ansehen, die gängigen Methoden zum Kommutieren von BLDC-Motoren untersuchen und eine neue Lösung zur Erfassung von Positionsrückmeldungen vorstellen.

Grundlagen der BLDC-Motorkommutierung

Die üblichste Konfiguration von BLDC-Motoren ist 3-phasig. Die Anzahl der Phasen stimmt mit der Anzahl der Wicklungen am Stator überein, während die Rotorpole je nach Anwendung aus einer beliebigen Anzahl von Paaren bestehen können. Da der Rotor eines BLDC-Motors von den drehenden Statorpolen beeinflusst wird, muss die Statorpolposition verfolgt werden, um die 3 Motorphasen effektiv anzutreiben. Daher wird eine Motorsteuerung verwendet, um ein 6-stufiges Kommutierungsmuster für die 3 Motorphasen zu erzeugen. Diese 6 Schritte oder Kommutierungsphasen bewegen ein elektromagnetisches Feld, wodurch die Permanentmagnete des Rotors die Motorwelle bewegen.

Diagramm mit 6 Schritten für die BLDC-Motorkommutierung
6-Schritt-Muster für die BLDC-Motorkommutierung

Damit der Controller den Motor effektiv kommutieren kann, muss er stets genaue Informationen zur Position des Rotors haben. Hall-Effekt-Sensoren sind seit Beginn des bürstenlosen Motors die beliebte Wahl für die Rückkopplung mit der Kommutierung. In einem typischen Szenario sind 3 Sensoren für die 3-Phasen-Steuerung erforderlich. Die Hall-Effekt-Sensoren sind in den Stator des Motors eingebettet, um die Rotorposition zu ermitteln, mit der die Transistoren in der 3-Phasen-Brücke zum Antreiben des Motors geschaltet werden. Die drei Sensorausgänge werden üblicherweise als U-, V- und W-Kanäle bezeichnet. Leider hat diese Methode der Positionsrückmeldung einige Nachteile. Während die Stückkosten der Hall-Effekt-Sensoren niedrig sind, können die Kosten für die Integration dieser Sensoren in den BLDC die Gesamtkosten des Motors verdoppeln. Zusätzlich erhält der Controller nur ein Teilbild der Motorposition von den Hall-Effekt-Sensoren, was zu Problemen in Systemen führen kann. Denn für die ordnungsgemäße Funktion ist eine genaue Positionsrückmeldung erforderlich.

Encoder sorgen für mehr Präzision

In der heutigen Welt benötigen Systeme, die BLDC-Motoren erfordern, bei der Positionsmessung weitaus mehr Präzision als je zuvor. Zu diesem Zweck können Inkrementaldrehgeber zusätzlich zu Hall-Effekt-Sensoren mit dem BLDC-Motor gekoppelt werden. Dies ist ein System, das eine verbesserte Positionsrückmeldung bietet. Der Motorhersteller muss jedoch jetzt nach der Montage beide Hall-Sensoren zusammen mit einem Inkrementaldrehgeber im Motor hinzufügen. Eine bessere Option überspringt die Hall-Effekt-Sensoren insgesamt und ersetzt den Inkrementaldrehgeber durch einen Kommutierungsdrehgeber. Diese Kommutierungsdrehgeber, wie beispielsweise die Serie AMT31 von CUI, verfügen über inkrementelle Ausgänge für eine präzise Positionsverfolgung sowie über Kommutierungsausgänge, die der spezifischen Polkonfiguration des Motors entsprechen. Kommutierungsdrehgeber von CUI ermöglichen, da sie digital sind, die Programmierung dieser Parameter, einschließlich Polzahl, Auflösung und Richtung. Dies bietet dem Techniker Flexibilität beim Prototyping und beim Testen sowie eine reduzierte Anzahl von SKUs für Encoder über mehrere Designs hinweg. Weitere Informationen zur Kommutierung gegenüber Inkrementaldrehgebern und Hall-Sensoren finden Sie in unserem Fachbeitrag.

Kommutierungsmotor ausrichten

Wenn ein Motor mit Strom versorgt wird, dreht er sich und umgekehrt, wenn Sie einen Motor drehen, erzeugt er Strom. Wenn Sie einen BLDC-Motor drehen würden, würden Sie die Ausgaben für die 3 Phasen ähnlich wie in der Abbildung unten sehen. Um einen Kommutierungsdrehgeber oder sogar Hall-Effekt-Sensoren an einem BLDC-Motor richtig auszurichten, sollte die resultierende Kommutierungswellenform auf die Gegen-EMK ausgerichtet werden. Traditionell führt dies zu einem iterativen Prozess, der einen zweiten Motor zum Antreiben des ersten Motors und ein Oszilloskop zum Beobachten der Wellenformen erfordert. Dies kann zeitaufwendig sein und während des Herstellungsprozesses erhebliche Kosten verursachen.

Diagramm mit den Kommutierungsausgängen und Motorphasen Diagramm mit Gegen-EMK-Wellenformen
Kommutierungsausgänge und Motorphasen

Mit einem kapazitiven AMT-Encoder erfolgt der Ausrichtungsprozess nahezu sofort und erfordert nur eine Stromversorgung. Sobald der Encoder montiert ist, muss der Benutzer nur die zwei Phasen mit Strom versorgen, die der gewünschten Startposition des AMT-Encoders entsprechen, und den Ausrichtbefehl senden. Dabei hat der Benutzer im Wesentlichen die Startposition der Kommutierungswellenform des Encoders und der Gegen-EMK-Wellenform des Motors festgelegt.

Neben der einfachen Ausrichtung sind die Kommutierungssignale des AMT-Encoders viel genauer auf die Motorpole ausgerichtet. Durch Ausrichten eines Kommutierungsdrehgebers an einem Motor wird nur die Startposition festgelegt (d. h., wo die Kommutierungswellenform beginnt). Bei korrekter Ausführung sollte die Kommutierungswellenform perfekt zur Gegen-EMK-Wellenform des Motors passen. Dies ist jedoch nicht immer erreichbar. Eine typische Ausrichtung mit Hall-Sensoren oder einem optischen Encoder liegt in der Größenordnung von ±1 elektrischen Grad. AMT-Encoder hingegen können eine viel höhere Genauigkeit erreichen, typischerweise innerhalb von ±0,1 elektrischen Grad. Die Wellenform des AMT-Encoders beginnt, wenn U und W beide hoch sind (dritter Zustand in der obigen Wellenform). Erkundigen Sie sich bei dem Motorhersteller nach dem entsprechenden Gegen-EMK-Diagramm, um zu bestimmen, welche Phasen während der Ausrichtung aktiviert werden sollen.

Richtungseinstellungen für AMT-Kommutierungsdrehgeber

Neben den programmierbaren Polzahl- und Auflösungsfunktionen bietet die AMT-Serie eine Richtungseinstellung für Kommutierungsanwendungen – eine einzigartige Option, die von den meisten anderen Herstellern von Kommutierungsdrehgebern nicht angeboten wird. Einfach ausgedrückt, gibt die Richtung an, in welche Richtung sich die Drehgeberwelle drehen soll, damit die Kommutierungssignale vorrücken. Typischerweise sind Kommutierungsdrehgeber auf der hinteren Welle des Motors angeordnet. In diesem Szenario durchlaufen die Kommutierungssignale ihre Zustände, wenn sich der Motor gegen den Uhrzeigersinn dreht (von der Rückseite des Motors aus gesehen). Wenn Sie den Encoder jedoch auf die vordere Welle setzen, haben Sie den Encoder im Wesentlichen auf den Kopf gestellt. Wenn Sie den Motor gegen den Uhrzeigersinn drehen (von hinten betrachtet), dreht sich die Welle des Encoders tatsächlich im Uhrzeigersinn (Encoder von oben betrachtet). Dies bedeutet, dass sich die Pole des Motors in entgegengesetzter Richtung wie die des Encoders drehen, wie in der Abbildung unten dargestellt. Andere Technologien, die diese programmierbare Option nicht enthalten, erfordern das Austauschen der Codierscheibe oder der U-, V- und W-Kanäle, um dieselbe Aufgabe zu erfüllen. Bei Anwendungen mit mehreren BLDC-Motoren mit unterschiedlichen Richtungsanforderungen kann diese programmierbare Funktion besonders nützlich sein.

Diagramm, das Kommutierungswellenformen zeigt, die entgegengesetzt zum Gegen-EMK verlaufen
Kommutierungswellenform, die entgegengesetzt zum Gegen-EMK verläuft

Fazit

BLDC-Motoren werden immer häufiger eingesetzt und können sich in vielen Anwendungen bewähren, wenn sie einen engen Regelkreis und eine hochpräzise Positionserfassung bieten. Hall-Effekt-Sensoren sind aufgrund ihrer niedrigen Stücklistenkosten seit vielen Jahren die Lösung, doch sie bieten oft ein komplettes Bild der Motorposition, wenn sie nicht mit einem Inkrementaldrehgeber gekoppelt sind. Kommutierungsdrehgeber wie die Serie AMT31 von CUI bieten jedoch eine All-in-One-Lösung, bei der Hall-Effekt-Sensoren und Inkrementaldrehgeber nicht mehr erforderlich sind. Der AMT31 Kommutierungsdrehgeber von CUI ist aufgrund seiner flexiblen Programmierbarkeit und einfachen Installation eine der vielseitigsten Optionen auf dem Markt. Ein grundlegendes Verständnis der Prinzipien von Kommutierungsdrehgebern, wie in diesem Blog beschrieben, kann sie zu einer überzeugenden Option für Ihr nächstes BLDC-Motorprojekt machen.

Hilfreiche Ressourcen

Sehen Sie sich die AMT31 Kommutierungsdrehgeber-Serie von CUI an
Lesen Sie unseren Fachbeitrag „Welche Option zur Kommutierung von BLDC-Motoren ist die wirksamste?“
Sehen Sie sich den einfachen Ausrichtungsprozess unseres AMT31-Encoders an

Haben Sie irgendwelche Kommentare bezüglich dieses Beitrags oder Themen, die wir in der Zukunft besprechen sollten? Senden Sie eine E-Mail an cuiinsights@cui.com


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Jason Kelly

Jason Kelly

Bewegungstechnik und Anwendungstechniker

Als Konstrukteur für CUI-AMT-Drehgeber und Bewegungssteuerungs-Produkte arbeitet Jason Kelly intensiv an neuen Drehgeber-Designs, einschließlich der Erstellung von Zubehör, Software-Schnittstellen und Kunden-Tools. Sein Schwerpunkt auf führendem Engineering-Design und maßgeblichen -Praktiken zeigt sich deutlich in den innovativen AMT-Drehgebern von CUI sowie bei der Unterstützung von Kunden auf diesem Gebiet. Wenn er nicht im Labor am Design arbeitet, ist Jason damit beschäftigt, sein Haus umzubauen, an seinem Truck zu tüfteln und die Geheimnisse der Natur des pazifischen Nordwestens mit seiner Frau und seiner Familie zu erforschen.

 
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