Kontrol motor brushless dengan sinyal ggl terbalik - pemahaman proses

Ketika saya mulai mengembangkan unit kontrol untuk motor tanpa-sikat (roda-motor), ada banyak pertanyaan tentang bagaimana membandingkan motor asli dengan rangkaian abstrak dari tiga belitan dan magnet, di mana, sebagai suatu peraturan, setiap orang menjelaskan prinsip kontrol motor tanpa sikat.

Ketika saya menerapkan kontrol oleh sensor Hall, saya masih tidak benar-benar mengerti apa yang terjadi di mesin di luar tiga gulungan dan dua kutub abstrak: mengapa itu 120 derajat dan mengapa algoritma kontrol seperti itu.

Semuanya jatuh ke tempatnya ketika saya mulai memahami ide kontrol tanpa sensor dari motor tanpa sikat - memahami proses yang terjadi pada sepotong besi nyata membantu mengembangkan perangkat keras dan memahami algoritma kontrol.

Di bawah ini saya akan mencoba melukis cara saya untuk memahami prinsip mengendalikan motor DC brushless.



Untuk pengoperasian motor tanpa-sikat, perlu bahwa medan magnet konstan rotor terbawa di belakang medan elektromagnetik berputar dari stator, seperti pada DPT konvensional.

Rotasi medan magnet stator dilakukan dengan mengganti belitan menggunakan unit kontrol elektronik.
Desain motor brushless mirip dengan desain motor sinkron, jika Anda menghubungkan motor brushless ke jaringan AC tiga fase yang memenuhi parameter listrik motor, itu akan bekerja.

Pergantian belitan motor tanpa sikat tertentu memungkinkannya dikendalikan dari sumber arus searah. Untuk memahami cara membuat tabel pergantian motor tanpa sikat, Anda perlu mempertimbangkan kontrol mesin AC sinkron.

Mesin sinkron
Mesin sinkron dikendalikan oleh jaringan AC tiga fase. Mesin memiliki 3 gulungan listrik, diimbangi oleh 120 derajat listrik.

Memulai motor tiga fase dalam mode generator, EMF akan diinduksi oleh medan magnet konstan pada masing-masing lilitan motor, lilitan motor akan didistribusikan secara merata, tegangan sinusoidal akan diinduksi pada setiap fase dan sinyal-sinyal ini akan diimbangi oleh 1/3 dari waktu (Gambar 1). Bentuk perubahan EMF menurut hukum sinusoidal, periode gelombang sinus adalah 2P (360), karena kita berurusan dengan kuantitas listrik (EMF, tegangan, arus) kita akan memanggil derajat listrik ini dan kita akan mengukur periode di dalamnya.

Ketika tegangan tiga fase diterapkan ke motor pada setiap saat waktu, setiap belitan akan memiliki nilai arus tertentu.


                                                Gambar 1. Tampilan sinyal sumber AC tiga fase.

Setiap belitan membentuk vektor medan magnet sebanding dengan arus pada belitan. Menambahkan 3 vektor, Anda bisa mendapatkan vektor medan magnet. Karena seiring waktu arus pada belitan motor berubah menurut hukum sinusoidal, besarnya vektor medan magnet dari setiap belitan berubah, dan vektor total yang dihasilkan mengubah sudut rotasi, sedangkan besarnya vektor ini tetap konstan.

                                                       Gambar 2. Satu periode listrik dari motor tiga fase.

Gambar 2 menunjukkan satu periode listrik dari motor tiga fase, 3 momen acak ditunjukkan pada periode ini, untuk membangun vektor medan magnet pada setiap momen ini, kami menunda periode ini, 360 derajat listrik, pada lingkaran. Kami akan menempatkan 3 belitan motor bergeser 120 derajat listrik relatif satu sama lain (Gambar 3)

     Gambar 3. Momen 1. Vektor medan magnet dari masing-masing belitan (kiri) dan vektor medan magnet yang dihasilkan (kanan).

Vektor medan magnet dibuat sepanjang setiap fase, dibuat oleh belitan motor. Arah vektor ditentukan oleh arah arus searah dalam belitan, jika tegangan yang diterapkan pada belitan positif, maka vektor diarahkan ke arah yang berlawanan dari belitan, jika negatif, kemudian sepanjang belitan. Besarnya vektor sebanding dengan besarnya tegangan fasa pada saat tertentu.
Untuk mendapatkan vektor medan magnet yang dihasilkan, perlu menambahkan data vektor sesuai dengan hukum penambahan vektor.
Demikian pula konstruksi untuk titik kedua dan ketiga dalam waktu.

      Gambar 4. Momen 2. Vektor medan magnet dari masing-masing belitan (kiri) dan vektor medan magnet yang dihasilkan (kanan).

Jadi, seiring waktu, vektor yang dihasilkan secara bertahap mengubah arahnya, Gambar 5 menunjukkan vektor yang dihasilkan dan menunjukkan rotasi penuh medan magnet stator dalam satu periode listrik.

                                 Gambar 5. Tampilan medan magnet berputar yang dihasilkan oleh belitan pada stator motor.

Di belakang vektor medan magnet listrik ini, medan magnet magnet rotor permanen terbawa pada setiap saat (Gambar 6).

                            Gambar 6. Magnet permanen (rotor) mengikuti arah medan magnet yang dihasilkan oleh stator.

Inilah cara kerja mesin AC sinkron.

Memiliki sumber arus searah, perlu untuk secara mandiri membentuk satu periode listrik dengan perubahan arah arus pada tiga belitan motor. Karena motor brushless sama dengan motor sinkron dalam mode generator dan memiliki parameter yang identik, maka perlu untuk melanjutkan dari Gambar 5, yang menunjukkan medan magnet berputar yang dihasilkan.

Tegangan konstan
Sumber DC hanya memiliki 2 kabel “plus power” dan “minus power”, yang berarti dimungkinkan untuk memasok tegangan ke hanya dua dari tiga belitan. Hal ini diperlukan untuk mendekati Gambar 5 dan memilih semua momen di mana dimungkinkan untuk mengubah 2 fase dari tiga.

Jumlah permutasi dari set 3 adalah 6, oleh karena itu, ada 6 opsi untuk menghubungkan belitan.
Kami akan menggambarkan opsi pengalihan yang mungkin dan memilih urutan di mana vektor akan diputar selangkah demi selangkah lebih lanjut hingga mencapai akhir periode dan mulai lagi.

Periode listrik akan dihitung dari vektor pertama.


      Gambar 7. Tampilan enam vektor medan magnet yang dapat dibuat dari sumber DC dengan mengganti dua dari tiga belitan.

Gambar 5 menunjukkan bahwa ketika mengendalikan tegangan sinusoidal tiga fase, ada banyak vektor yang berputar dengan lancar dari waktu ke waktu, dan ketika beralih dengan arus searah dimungkinkan untuk memperoleh bidang putar hanya 6 vektor, yaitu, beralih ke langkah berikutnya harus terjadi setiap 60 derajat listrik.
Hasil dari Gambar 7 diringkas dalam Tabel 1.

 Tabel 1. Urutan yang dihasilkan dari belitan motor switching.

Ditambah kekuatan	Kekurangan daya	Berliku tidak terhubung
W	U	V
W	V	U
U	V	W
U	W	V
V	W	U
V	U	W

Jenis sinyal kontrol yang dihasilkan sesuai dengan tabel 1 ditunjukkan pada Gambar 8. Di mana -V beralih ke catu daya minus (GND), dan + V beralih ke ditambah catu daya.


    Gambar 8. Tampilan sinyal kontrol dari sumber DC untuk motor tanpa sikat. Fase kuning W, biru - U, merah - V.

Namun, gambaran nyata dari fase motor akan mirip dengan sinyal sinusoidal dari Gambar 1. Sinyal berbentuk trapesium, karena pada saat belitan motor tidak terhubung, magnet rotor permanen menginduksi EMF-nya (Gambar 9).


                                    Gambar 9. Jenis sinyal dari belitan motor brushless dalam mode operasi.

Pada osiloskop, tampilannya seperti ini:


                                 Gambar 10. Tampilan jendela osiloskop saat mengukur satu fase motor.

Fitur desain
Seperti yang disebutkan sebelumnya, lebih dari 6 belitan switching, satu periode listrik 360 derajat listrik terbentuk.
Hal ini diperlukan untuk menghubungkan periode ini dengan sudut rotasi rotor yang sebenarnya. Motor dengan satu pasang kutub dan stator trisula jarang digunakan, motor memiliki N pasang kutub.
Gambar 11 menunjukkan model motor dengan satu pasang kutub dan dengan dua pasang kutub.


                                       a. b.
                                      Gambar 11. Model motor dengan satu (a) dan dua (b) pasangan kutub.

Motor dengan dua pasang kutub memiliki 6 belitan, masing-masing belitan berpasangan, masing-masing kelompok 3 belitan diimbangi oleh 120 derajat listrik. Gambar 12b. satu periode untuk 6 belitan tertunda. Gulungan U1-U2, V1-V2, W1-W2 saling berhubungan dan dalam desain mewakili kabel output 3 fase. Untuk kesederhanaan gambar, tidak ada koneksi yang ditampilkan, tetapi ingat bahwa U1-U2, V1-V2, W1-W2 adalah satu dan sama.

Gambar 12, berdasarkan data pada tabel 1, menunjukkan vektor untuk satu dan dua pasang kutub.

                                       a. b.
                     Gambar 12. Diagram vektor medan magnet untuk motor dengan satu (a) dan dua (b) pasangan kutub.

Gambar 13 menunjukkan vektor yang dibuat oleh 6 pergantian belitan motor dengan sepasang kutub. Rotor terdiri dari magnet permanen, dalam 6 langkah rotor akan berputar 360 derajat mekanis.
Gambar menunjukkan posisi ujung rotor, dalam interval antara dua posisi yang berdekatan, rotor berputar dari sebelumnya ke keadaan komuter berikutnya. Ketika rotor mencapai posisi ujung ini, pergeseran berikutnya harus terjadi dan rotor akan cenderung ke posisi preset baru sehingga vektor medan magnetnya menjadi sejajar dengan vektor medan elektromagnetik stator.


        Gambar 13. Posisi akhir rotor dengan pergantian enam kecepatan motor tanpa sikat dengan sepasang kutub.

Pada motor dengan pasangan kutub N, perlu melewati periode listrik N untuk revolusi mekanis lengkap.
Motor dengan dua pasang kutub akan memiliki dua magnet dengan kutub S dan N, dan 6 belitan (Gambar 14). Setiap kelompok 3 belitan diimbangi satu sama lain dengan 120 derajat listrik.


        Gambar 14. Posisi akhir rotor dengan pergantian enam kecepatan motor tanpa sikat dengan dua pasang kutub.

Menentukan posisi rotor motor tanpa sikat
Seperti disebutkan sebelumnya, agar motor dapat beroperasi, perlu menghubungkan tegangan ke belitan stator yang diperlukan pada waktu yang tepat. Hal ini diperlukan untuk memberikan tegangan pada belitan motor tergantung pada posisi rotor, sehingga medan magnet stator selalu di depan medan magnet rotor. Untuk menentukan posisi rotor motor dan mengganti belitan, unit kontrol elektronik digunakan.
Melacak posisi rotor dimungkinkan dengan beberapa cara:
      1. Dengan sensor Hall
      2. Dengan membalikkan EMF
Sebagai aturan, pabrikan melengkapi sensor Hall dengan mesin pada rilis, jadi ini adalah metode kontrol yang paling umum.
Beralih belitan sesuai dengan sinyal dari belakang EMF memungkinkan Anda untuk meninggalkan sensor yang dibangun ke dalam motor dan digunakan sebagai sensor analisis fase bebas motor, yang akan diinduksi oleh medan magnet dari counter-EMF.

Manajemen motor tanpa sikat dengan sensor Hall
Untuk mengganti belitan pada waktu yang tepat, perlu untuk memantau posisi rotor dalam derajat listrik. Untuk ini, sensor Hall digunakan.
Karena ada 6 keadaan vektor medan magnet, diperlukan sensor 3 Hall, yang akan mewakili satu sensor posisi absolut dengan output tiga-bit. Sensor hall juga dipasang sebagai belitan, diimbangi oleh 120 derajat listrik. Ini memungkinkan penggunaan magnet rotor sebagai elemen akting dari sensor.


                                Gambar 15. Sinyal dari sensor Hall untuk satu putaran listrik mesin.

Untuk memutar motor, perlu bahwa medan magnet stator berada di depan medan magnet rotor, posisi ketika vektor medan magnet rotor disejajarkan dengan vektor medan magnet stator adalah final untuk pergantian ini, pada saat inilah peralihan ke kombinasi berikutnya harus dilakukan untuk mencegah rotor dari menggantung di alat tulis statis. posisi.
Mari kita bandingkan sinyal dari sensor Hall dengan kombinasi fase yang harus diganti (Tabel 2).

 Tabel 2. Perbandingan sinyal dari sensor Hall dengan switching fase motor.

Posisi mesin	HU (1)	HV (2)	HW (3)	U	V	W
0	0	0	1	0	-	+
	1	0	1	+	-	0
	1	0	0	+	0	-
	1	1	0	0	+	-
	0	1	0	-	+	0
360 / N	0	1	1	-	0	+

Dengan putaran mesin yang seragam, sinyal yang dipindahkan 1/6 dari periode tersebut, 60 derajat listrik, diterima dari sensor (Gambar 16).


                                                        Gambar 16. Tampilan sinyal dari sensor Hall.

Kontrol EMF
Ada motor brushless tanpa sensor posisi. Posisi rotor ditentukan dengan menganalisis sinyal EMF dalam fase bebas motor. Pada setiap saat, "+" terhubung ke salah satu fase ke catu daya "-" lainnya, salah satu fase tetap bebas. Berputar, medan magnet rotor menginduksi EMF dalam belitan bebas. Saat berputar, tegangan dalam fase bebas berubah (Gambar 17).


                                                 Gambar 17. Perubahan tegangan pada fase motor.

Sinyal dari belitan motor dibagi menjadi 4 poin:
   1. Belitan terhubung ke 0
   2. Belitan tidak terhubung (fase bebas)
   3. Belitan terhubung ke tegangan suplai
   4. Belitan tidak terhubung (fase bebas)
Membandingkan sinyal dari fase dengan sinyal kontrol, kita melihat bahwa momen transisi ke keadaan berikutnya dapat dideteksi oleh persimpangan titik tengah (setengah dari tegangan suplai) dengan fase yang saat ini tidak terhubung (Gambar 18).


                            Gambar 18. Perbandingan sinyal kontrol dengan sinyal pada fase motor.

Setelah mendeteksi persimpangan, jeda dan aktifkan status berikutnya. Menurut gambar ini, sebuah algoritma untuk mengganti status belitan dikompilasi (tabel 3).

 Tabel 3. Algoritma switching belitan motor

Status saat ini	U	V	W	Keadaan selanjutnya
1	-	Menunggu titik tengah menyeberang dari + ke -	+	2
2	Menunggu titik tengah untuk menyeberang dari - ke +	-	+	3
3	+	-	Menunggu titik tengah menyeberang dari + ke -	4
4	+	Menunggu titik tengah untuk menyeberang dari - ke +	-	5
5	Menunggu titik tengah menyeberang dari + ke -	+	-	6
6	-	+	Menunggu titik tengah untuk menyeberang dari - ke +	1

Perpotongan titik tengah paling mudah dideteksi dengan pembanding, tegangan titik tengah diterapkan ke satu input pembanding, dan tegangan fase arus diterapkan ke yang kedua.


                                            Gambar 19. Deteksi titik tengah oleh pembanding.

Komparator dipicu ketika tegangan melewati titik tengah dan menghasilkan sinyal untuk mikrokontroler.

Memproses sinyal dari fase motor
Namun, sinyal dari fase ketika mengatur kecepatan PWM berbeda dalam penampilan dan memiliki sifat berdenyut (Gambar 21), dalam sinyal seperti itu tidak mungkin untuk mendeteksi persimpangan dengan titik tengah.


                                        Gambar 20. Tampilan sinyal fasa saat mengatur kecepatan PWM.

Oleh karena itu, sinyal ini harus disaring oleh filter RC untuk mendapatkan amplop, serta dibagi sesuai dengan persyaratan pembanding. Dengan meningkatnya siklus tugas, sinyal PWM akan meningkat dalam amplitudo (Gambar 22).


                                                   Gambar 21. Diagram pembagi sinyal dan filter dari fase motor.


                                            Gambar 22. Amplop sinyal saat mengubah siklus tugas PWM.

Skema titik tengah


                                                      Gambar 23. Tampilan titik tengah virtual. Gambar diambil dari avislab.com/

Sinyal dihapus dari fase melalui resistor pembatas arus dan digabungkan, jadi kami mendapatkan gambar berikut:


                                          Gambar 24. Tampilan bentuk gelombang tegangan dari titik tengah virtual.

Karena PWM, tegangan titik tengah tidak konstan, sinyal juga perlu disaring. Tegangan titik tengah setelah penghalusan akan cukup besar (di wilayah tegangan suplai motor), itu harus dibagi dengan pembagi tegangan hingga setengah dari tegangan suplai.



Setelah sinyal melewati filter, osilasi dihaluskan dan tegangan genap diperoleh sehubungan dengan persimpangan dari ggl belakang dapat dideteksi.


                                       Gambar 26. Tegangan setelah pembagi dan filter low pass.

Titik tengah akan mengubah nilainya tergantung pada tegangan (siklus tugas PWM), serta amplop sinyal.
                               

Sinyal yang diterima dari pembanding diumpankan ke mikrokontroler, yang memprosesnya sesuai dengan algoritma di atas.
Itu saja untuk saat ini.