Jak wyglądają przebiegi komutacyjne dla silnika bezszczotkowego?

Widziałem przebiegi do napędzania silnika bezszczotkowego.

Sądzę, że jest to fala używana do prostszej komutacji bloku. Ale jeśli chcę robić przebiegi sinusoidalne, jak teraz wygląda sygnał PWM? Czy trzeba ostrożnie synchronizować krawędzie trzech faz?

Przedstawiony schemat wygląda tak, jakby wytworzył dość szorstki trapezoidalny Back-EMF. Zakładam, że bramy, które są w 100%, są dolnymi nogami mostka napędowego. Nie mogę wymyślić powodu, dla którego chciałbyś to zrobić. Ogólnie rzecz biorąc, chcesz, aby napięcie bramki odnogi powrotnej stanowiło uzupełnienie napięcia bramki odnogi zasilającej.

W sześciostopniowej komutacji trapezoidalnej zwykle zwiększasz PWM do 100%, zostawiasz go na chwilę (~ 30 stopni elektrycznych obrotu), a następnie ponownie spowalniasz.

W komutacji sinusoidalnej cykl pracy PWM zmienia się w sposób ciągły w wartościach sinusoidalnych. Oto dobry wykres pokazujący różnicę między napędem sinusoidalnym a napędem trapezoidalnym PWM i sygnałami fazowymi:

Ta notka aplikacji Fairchild pokazuje PWM przez pełny obrót o 360 °:

Warto przyjrzeć się z bliska temu, co dzieje się w sygnale. To, co naprawdę robisz, polega na stopniowym zmienianiu prądu w trójkątną falę, aby powoli gromadził się w stojanie silnika. Masz większą kontrolę nad tym nagromadzeniem, jeśli prowadzisz bramy zaopatrzenia i powrotu w sposób uzupełniający, zamiast trzymać dolną nogę otwartą.

Obliczanie fali sinusoidalnej jest bardziej wymagające obliczeniowo (chyba że używasz tabeli odnośników) niż zwykłe przyspieszenie, przytrzymanie, zwolnienie. Ale zapewnia znacznie płynniejszy napęd.

Komutacja wektora przestrzennego jest jeszcze bardziej wymagająca obliczeniowo. I chociaż ma więcej tętnień momentu niż napęd sinusoidalny, powoduje większe wykorzystanie napięcia magistrali, a zatem jest bardziej wydajny pod względem mocy.

Napięcie fazowe w wektorowym napędzie kosmicznym wygląda następująco:

Odbywa się to poprzez zmianę cyklu pracy PWM we wszystkich trzech fazach jednocześnie. Jest to przeciwne do napędzania tylko jednej fazy, jak w napędzie dwu kwadrantowym, lub do napędzania dwóch faz w komplementarnych parach, jak w napędzie czterokwadrantowym.

Istnieje sporo literatury na temat wdrażania bezszczotkowego sterowania silnikiem, ale oto przegląd.

Aby zrozumieć różnice między przebiegami komutacyjnymi, ważne jest zrozumienie, w jaki sposób działają silniki bezszczotkowe.

Silnik trójfazowy (dwubiegunowy) będzie miał trzy cewki wokół jednego magnesu w środku. Celem jest zasilenie cewek sekwencyjnie, aby wał silnika (i jego magnes) obracał się.

Ważne są tutaj dwa pola magnetyczne, pole wirnika (magnes obrotowy) i pole stojana (cewki statyczne):

Kierunek pola magnetycznego nazywamy „wektorem strumienia”, ponieważ brzmi on bardzo fajnie. Najważniejszą rzeczą do nauczenia się z tego obrazu jest to, że chcesz, aby dwa pola magnetyczne były ustawione pod kątem prostym do siebie. Maksymalizuje to wydajność i moment obrotowy.

Najgłupszy schemat komutacji jest trapezoidalny. Za pomocą czujników Halla lub tylnego pola elektromagnetycznego z silnika można ustalić, czy silnik znajduje się w jednej z dyskretnej liczby pozycji i wykonać kontrolę włączenia / wyłączenia jednej lub dwóch cewek, aby poprowadzić pole magnetyczne wokół silnika:

Ponieważ może istnieć tylko sześć oddzielnych orientacji dla pola stojana, wektor strumienia silnika może wynosić od 60 do 120 stopni (zamiast pożądanego 90), a zatem można uzyskać tętnienie momentu obrotowego i niską wydajność.

Oczywistym rozwiązaniem jest przejście na komutację sinusoidalną i po prostu wygładzenie kształtu fali:

Jeśli znasz dokładną orientację wirnika, możesz po prostu wykonać jakiś wyzwalacz, aby obliczyć dokładny cykl pracy PWM dla każdej cewki, aby utrzymać wektor strumienia pod kątem 90 stopni i bam, masz piękny wektor strumienia pod kątem 90 stopni. (Orientację wirnika można ustalić za pomocą enkodera, interpolacji lub bardziej zaawansowanej oceny, takiej jak filtr Kalmana).

Więc teraz zastanawiasz się, jak możesz zrobić coś lepszego niż komutacja sinusoidalna. Kluczową wadą sinusoidalnej komutacji jest to, że wyjścia są wysyłane bezpośrednio do PWM. Z powodu indukcyjności cewki prąd (a zatem wektor strumienia) będzie opóźniony w stosunku do wartości zadanych, a gdy silnik zbliża się do swojej największej prędkości, wektor strumienia będzie miał 80 lub 70 stopni zamiast 90.

Dlatego komutacja sinusoidalna ma słabą wydajność przy dużych prędkościach.

To w końcu prowadzi nas do sterowania wektorem strumienia, które jest nazwą nadaną (często zastrzeżonym) algorytmom sterowania, które starają się zapewnić, aby strumień magnetyczny pozostawał pod kątem 90 stopni nawet przy dużych prędkościach. Najprostszym sposobem jest poprowadzenie pola o, na przykład, 90-120 stopni w zależności od prędkości, wiedząc, że rzeczywisty strumień magnetyczny będzie opóźniony.

Bardziej niezawodne rozwiązania wykorzystują PID / feedforward, aby dokładnie kontrolować prąd przepływający przez każdą fazę. Każdy producent serwomechanizmów ma swój własny algorytm, więc jestem pewien, że na marginesie jest kilka skomplikowanych rzeczy.

Mówiąc najprościej, sterowanie wektorem strumienia jest sterowaniem sinusoidalnym prądu płynącego do każdej fazy (zamiast tylko cyklu roboczego PWM).

Linia między wektorem sinusoidalnym / strumienia jest dość niejasna, ponieważ niektóre firmy wykonują zaawansowaną kontrolę nad swoimi „sinusoidalnymi” napędami (co w zasadzie czyni je wektorem strumienia). Ponadto, ponieważ technicznie można wywołać prawie wszystko sterowanie wektorem strumienia, jakość implementacji może się różnić.