วิธีที่ดีกว่าในการแปลงกระแสมอเตอร์ BLDC

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบไร้แปรงถ่านหรือมอเตอร์ BLDC คือมอเตอร์ที่เปลี่ยนทิศทางด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ขับเคลื่อนด้วยแหล่งไฟฟ้ากระแสตรงผ่านตัวควบคุมมอเตอร์ภายนอก มอเตอร์ BLDC แตกต่างจากญาติที่มีแปรงถ่านตรงที่ต้องอาศัยตัวควบคุมภายนอกเพื่อให้เกิดการสับเปลี่ยน ซึ่งเป็นกระบวนการเปลี่ยนกระแสในเฟสของมอเตอร์เพื่อสร้างการเคลื่อนที่ มอเตอร์แบบแปรงถ่านมีแปรงจริงเพื่อให้บรรลุกระบวนการนี้สองครั้งต่อการหมุน ในขณะที่มอเตอร์ BLDC ไม่มี และเนื่องจากธรรมชาติของการออกแบบ จึงสามารถมีคู่ขั้วจำนวนเท่าใดก็ได้สำหรับการเปลี่ยน บทความนี้จะทบทวนพื้นฐานของมอเตอร์ BLDC ดูวิธีการทั่วไปของการเปลี่ยนมอเตอร์ BLDC และแนะนำโซลูชันใหม่สำหรับการรวบรวมความคิดเห็นเกี่ยวกับตำแหน่ง

พื้นฐานการเปลี่ยนมอเตอร์ BLDC

การกำหนดค่าทั่วไปของมอเตอร์ BLDC คือ 3 เฟส จำนวนเฟสตรงกับจำนวนขดลวดบนสเตเตอร์ ในขณะที่ขั้วโรเตอร์สามารถเป็นกี่คู่ก็ได้ขึ้นอยู่กับการใช้งาน เนื่องจากโรเตอร์ของมอเตอร์ BLDC ได้รับอิทธิพลจากขั้วสเตเตอร์ที่หมุน จึงต้องติดตามตำแหน่งขั้วสเตเตอร์เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ทั้งสามเฟสอย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น ตัวควบคุมมอเตอร์จึงใช้เพื่อสร้างรูปแบบการเปลี่ยน 6 ขั้นในสามเฟสของมอเตอร์ ขั้นตอนทั้งหกนี้หรือขั้นตอนการเปลี่ยน จะย้ายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งทำให้แม่เหล็กถาวรของโรเตอร์เคลื่อนเพลามอเตอร์ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: รูปแบบ 6 ขั้นตอนสำหรับการเปลี่ยนมอเตอร์ BLDC (แหล่งที่มารูปภาพ: Same Sky)

เพื่อให้ตัวควบคุมเปลี่ยนมอเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวควบคุมจะต้องมีข้อมูลที่ถูกต้องเกี่ยวกับตำแหน่งของโรเตอร์เสมอ เซ็นเซอร์ Hall effect เป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับการตอบสนองการเปลี่ยนตั้งแต่เริ่มใช้มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน ในสถานการณ์ทั่วไป จำเป็นต้องมีเซ็นเซอร์สามตัวสำหรับการควบคุม 3 เฟส เซนเซอร์ Hall effect ฝังอยู่ในสเตเตอร์ของมอเตอร์เพื่อตรวจจับตำแหน่งโรเตอร์ ซึ่งใช้ในการสลับทรานซิสเตอร์ในบริดจ์ 3 เฟสเพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ เอาต์พุตเซ็นเซอร์สามตัวมักถูกระบุว่าเป็นช่อง U, V และ W ขออภัย มีข้อเสียบางประการสำหรับวิธีการป้อนกลับตำแหน่งนี้ แม้ว่าต้นทุน BOM ของเซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ Hall จะต่ำ แต่ค่าใช้จ่ายในการรวมเซ็นเซอร์เหล่านี้เข้ากับ BLDC สามารถเพิ่มต้นทุนรวมของมอเตอร์ได้เป็นสองเท่า นอกจากนี้ คอนโทรลเลอร์ยังได้รับภาพบางส่วนของตำแหน่งของมอเตอร์จากเซ็นเซอร์ Hall effect ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาในระบบที่ต้องการการตอบสนองตำแหน่งที่แม่นยำเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง

ตัวเข้ารหัสมีความแม่นยำมากขึ้น

ในโลกปัจจุบัน ระบบที่ต้องใช้มอเตอร์ BLDC ต้องการความแม่นยำในการวัดตำแหน่งมากกว่าที่เคยเป็นมา เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ สามารถจับคู่เอ็นโค้ดเดอร์ส่วนเพิ่มกับมอเตอร์ BLDC นอกเหนือจากเซ็นเซอร์ Hall effect สิ่งนี้นำเสนอระบบที่ให้ข้อเสนอแนะตำแหน่งที่ได้รับการปรับปรุง แต่ตอนนี้ผู้ผลิตมอเตอร์ต้องเพิ่มเซ็นเซอร์ Hall ทั้งสองตัวในมอเตอร์พร้อมกับตัวเข้ารหัสที่เพิ่มขึ้นหลังจากการประกอบ ตัวเลือกที่ดีกว่าจะข้ามเซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ Hall ไปพร้อมกันและแทนที่ตัวเข้ารหัสส่วนเพิ่มด้วยตัวเข้ารหัสการเปลี่ยน ตัวเข้ารหัสการเปลี่ยนเหล่านี้ เช่น ซีรีส์ AMT31 หรือ AMT33 ของอุปกรณ์ CUI มีเอาต์พุตที่เพิ่มขึ้นสำหรับการติดตามตำแหน่งที่แม่นยำ พร้อมด้วยเอาต์พุตการเปลี่ยนที่ตรงกับการกำหนดค่าเสาเฉพาะของมอเตอร์ ตัวเข้ารหัสการแลกเปลี่ยนจาก Same Sky เป็นแบบดิจิตอล ทำให้สามารถตั้งโปรแกรมพารามิเตอร์เหล่านี้ รวมทั้งจำนวนเสา ความละเอียด และทิศทางได้ สิ่งนี้ให้ความยืดหยุ่นแก่วิศวกรระหว่างการสร้างต้นแบบและการทดสอบ รวมถึงจำนวน SKU ของตัวเข้ารหัสที่ลดลงในการออกแบบที่หลากหลาย

การจัดตำแหน่งมอเตอร์สับเปลี่ยน

เมื่อจ่ายกระแสให้กับมอเตอร์ มันจะหมุน และในทางกลับกัน เมื่อคุณหมุนมอเตอร์ มันจะสร้างกระแส หากคุณต้องหมุนมอเตอร์ BLDC คุณจะเห็นเอาต์พุตใน 3 เฟสคล้ายกับรูปที่ 2 ด้านล่าง ในการจัดตำแหน่งตัวเข้ารหัสการเปลี่ยนหรือแม้แต่เซ็นเซอร์ Hall effect เข้ากับมอเตอร์ BLDC อย่างถูกต้อง รูปคลื่นการเปลี่ยนที่ได้ควรอยู่ในแนวเดียวกับ EMF ด้านหลัง ตามเนื้อผ้า ผลลัพธ์นี้ทำให้เกิดกระบวนการวนซ้ำซึ่งต้องใช้มอเตอร์ตัวที่สองเพื่อขับมอเตอร์ตัวแรก และออสซิลโลสโคปเพื่อสังเกตรูปคลื่น ซึ่งอาจใช้เวลานานและเพิ่มต้นทุนจำนวนมากในระหว่างกระบวนการผลิต

รูปที่ 2: เอาต์พุตการสับเปลี่ยนและเฟสของมอเตอร์ (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

ด้วยตัวเข้ารหัส AMT แบบคาปาซิทีฟ กระบวนการจัดตำแหน่งแทบจะทันทีและต้องใช้แหล่งจ่ายไฟเท่านั้น เมื่อติดตั้งเอ็นโค้ดเดอร์แล้ว ผู้ใช้ต้องการเพียงจ่ายพลังงานให้กับสองเฟสที่สอดคล้องกับตำแหน่งเริ่มต้นที่ต้องการของเอ็นโค้ดเดอร์ AMT และส่งคำสั่งจัดตำแหน่ง ในการทำเช่นนั้น ผู้ใช้ได้ตั้งค่าตำแหน่งเริ่มต้นของรูปคลื่นการเปลี่ยนของเอ็นโค้ดเดอร์และรูปคลื่น EMF ด้านหลังของมอเตอร์เป็นหลัก

นอกจากความง่ายในการจัดตำแหน่งแล้ว สัญญาณการเปลี่ยนของตัวเข้ารหัส AMT ยังจัดตำแหน่งให้ตรงกับเสามอเตอร์ได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น การจัดตำแหน่งตัวเข้ารหัสการเปลี่ยนตำแหน่งให้ตรงกับมอเตอร์เป็นการกำหนดตำแหน่งเริ่มต้นเท่านั้น หากทำอย่างถูกต้อง รูปคลื่นการเปลี่ยนควรตรงกับรูปคลื่น EMF ด้านหลังของมอเตอร์อย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่สามารถทำได้เสมอไป การจัดตำแหน่งโดยทั่วไปกับเซ็นเซอร์ฮอลล์หรือตัวเข้ารหัสออปติคอลจะอยู่ที่ ±1 องศาทางไฟฟ้า ในทางกลับกัน ตัวเข้ารหัส AMT สามารถบรรลุความแม่นยำที่มากขึ้น โดยทั่วไปจะอยู่ภายใน ±0.1 องศาทางไฟฟ้า รูปคลื่นของตัวเข้ารหัส AMT เริ่มต้นเมื่อ U และ W สูงทั้งคู่ (สถานะที่สามในรูปคลื่นด้านบน) ปรึกษาผู้ผลิตมอเตอร์ของคุณสำหรับไดอะแกรม EMF ด้านหลังที่เหมาะสม เพื่อพิจารณาว่าเฟสใดควรได้รับพลังงานระหว่างการจัดตำแหน่ง

การตั้งค่าทิศทางสำหรับตัวเข้ารหัสการเปลี่ยน AMT

นอกเหนือจากคุณสมบัติการนับเสาที่ตั้งโปรแกรมได้และคุณสมบัติความละเอียดแล้ว ซีรีส์ AMT ยังมีการตั้งค่าทิศทางสำหรับแอปพลิเคชันการเปลี่ยน ซึ่งเป็นตัวเลือกพิเศษที่ผู้ผลิตเอนโค้ดเดอร์สับเปลี่ยนรายอื่นๆ ส่วนใหญ่ไม่มีให้ พูดง่ายๆ ก็คือ ทิศทางจะบอกคุณว่าเพลาของตัวเข้ารหัสควรหมุนไปทางใดเพื่อให้สัญญาณการเปลี่ยนไปข้างหน้า โดยทั่วไปแล้ว เอ็นโค้ดเดอร์สับเปลี่ยนจะอยู่ที่เพลาหลังของมอเตอร์ ในสถานการณ์สมมตินี้ สัญญาณการเปลี่ยนจะเคลื่อนผ่านสถานะต่างๆ เมื่อมอเตอร์หมุนทวนเข็มนาฬิกา (เมื่อมองจากด้านหลังของมอเตอร์) อย่างไรก็ตาม หากคุณใส่ตัวเข้ารหัสบน ด้านหน้า แกน คุณได้พลิกเอ็นโค้ดเดอร์กลับด้านแล้ว และตอนนี้เมื่อคุณหมุน เครื่องยนต์ ทวนเข็มนาฬิกา (มองจากด้านหลัง) ตัวเข้ารหัส เพลากำลังหมุนตามเข็มนาฬิกาจริง ๆ (ดูจากบนลงล่างบนตัวเข้ารหัส) ซึ่งหมายความว่าขั้วของมอเตอร์จะหมุนในทิศทางตรงกันข้ามกับขั้วของเอ็นโค้ดเดอร์ ดังแสดงในรูปที่ 3 ด้านล่าง เทคโนโลยีอื่น ๆ ที่ไม่มีตัวเลือกที่ตั้งโปรแกรมได้นี้จำเป็นต้องมีการสลับทางกายภาพของดิสก์ตัวเข้ารหัสหรือช่อง U, V, W เพื่อทำงานเดียวกันให้สำเร็จ สำหรับการใช้งานที่ใช้มอเตอร์ BLDC หลายตัวที่มีข้อกำหนดทิศทางต่างกัน คุณสมบัติที่ตั้งโปรแกรมได้นี้จะมีประโยชน์อย่างยิ่ง

รูปที่ 3: รูปคลื่นการเปลี่ยนที่ตรงข้ามกับ EMF ด้านหลัง (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

สรุป

มอเตอร์ BLDC มีการใช้งานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและสามารถใช้งานได้หลากหลายเมื่อมีวงจรควบคุมที่แน่นหนาและการตอบสนองในการตรวจจับตำแหน่งที่มีความแม่นยำสูง เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์เป็นโซลูชันที่มุ่งสู่เป้าหมายมานานหลายปีเนื่องจากต้นทุน BOM ที่ต่ำ แต่มักจะให้ภาพที่สมบูรณ์ของตำแหน่งของมอเตอร์ไม่ได้ เว้นแต่จะจับคู่กับตัวเข้ารหัสส่วนเพิ่ม อย่างไรก็ตาม ตัวเข้ารหัสการเปลี่ยน AMT ของอุปกรณ์ CUI มอบโซลูชันแบบครบวงจรที่ขจัดความจำเป็นในการใช้เซ็นเซอร์ Hall effect และตัวเข้ารหัสส่วนเพิ่มทั้งหมด ตัวเข้ารหัสการเปลี่ยน AMT31 หรือ AMT33 ของอุปกรณ์ CUI เป็นตัวเลือกที่หลากหลายที่สุดในตลาด เนื่องจากความสามารถในการตั้งโปรแกรมที่ยืดหยุ่นและการติดตั้งที่ง่ายดาย ความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับหลักการเปลี่ยนโค้ดเดอร์ตามที่ระบุไว้ในบทความนี้ทำให้เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับโครงการมอเตอร์ BLDC ที่กำลังจะมาถึง