Explicație detaliată a controlerului motorului fără perii (ESC)

 

Când discutațiMotors DC fără perii (BLDC), De multe ori ne concentrăm pe viteza, cuplul, densitatea puterii și alți parametri hardware, dar tindem să trecem cu vederea o componentă la fel de critică - controlerul motorului fără perie (controler de viteză electronică, ESC pentru scurt), cunoscut și sub denumirea de controler electronic de viteză.

 

De fapt, dacă performanța unui motor fără perie poate fi utilizată complet depinde de controler cu care este echipat. Se poate spune că ESC nu este doar creierul motorului, ci și factorul determinant al eficienței răspunsului și stabilității întregului sistem.

1. Definiția de bază a ESC: „creierul" care controlează viteza motorului

ESC este un modul de circuit electronic special conceput pentru motoarele fără perii. Sarcina sa principală este de a primi semnale de la placa de control principală, de la telecomandă sau de computerul gazdă și de a le transforma în tensiune de acționare și semnale de comutare pentru înfășurarea trifazată a motorului, obținând astfel un control precis al vitezei motorului, direcției și pornirii\/frânei.

 

Este conectat între sursa de alimentare, motorul fără perie și sistemul principal de control, acționând ca o punte, reglând modul de energie și modul de comutare în timp real și este o parte indispensabilă a sistemului motor fără perie.

 

2. Module funcționale ESC Core

• Un ESC matur nu poate completa doar pornirea și funcționarea de bază a motorului, dar integrează și o varietate de module funcționale cheie, inclusiv:
• Controlul comutației trifazate: conform semnalului de feedback al holului sau al Back-EMF, poziția rotorului este determinată să obțină o comutare eficientă;
• Reglarea vitezei: Reglați frecvența de acționare și ciclul de serviciu în funcție de semnalele de intrare, cum ar fi PWM\/Analog\/UART;
• Protecția curentului și a tensiunii: detectați tensiunea curentului motorului și a bateriei pentru a evita riscurile de supra -curent, sub -tensiune și scurtcircuit;
• Start-stop și logica de frână: suportați strategiile de pornire soft, frânare rapidă, invers și alte de control;
• Funcție de feedback de stat: ESC de înaltă calitate poate oferi feedback în timp real cu privire la viteză, curent, temperatură și alți parametri pentru a facilita formarea unui sistem de control cu ​​buclă închisă.

 

3. De ce controlerul motorului determină limita superioară a performanței motorului?

Vă puteți întreba: motorul nu este motorul hardware -ului de bază? Controlerul este într -adevăr atât de important?

Acest lucru este sigur. Algoritmul de control și precizia răspunsului ESC determină direct dacă motorul rulează „inteligent" și „fără probleme". În termeni simpli:

• Dacă algoritmul de control nu este exact, viteza este predispusă la fluctuații și eficiența este scăzută;
• Dacă frecvența de conducere nu este ridicată, motorul va genera zgomot mai mare și tensiune mecanică;
• Dacă algoritmii de înaltă ordine, cum ar fi FOC, nu sunt acceptați, este dificil pentru motor să obțină un control de cuplu\/poziție de înaltă precizie.

Cu alte cuvinte, performanța aceluiași motor fără perie poate varia foarte mult atunci când este condus de controlori diferiți.

Acesta este motivul pentru care în situații de mare cerere, cum ar fi drone de aviație, roboți și echipamente medicale, selecția și depanarea controlerelor ocupă multă energie în dezvoltarea sistemului.

-- Analiza a trei metode comune de control

Cheia pentru a controla un motor fără perie (BLDC) este modul în care să -l „conduci" să se rotească corect. Deoarece motorul fără perii nu are perii și comutatoare, acesta trebuie să se bazeze pe un controler extern (ESC) pentru a da cu exactitate secvența de energizare a bobinei trifazate în funcție de poziția rotorului. Acest proces se numește comutație electronică.

 

Diferite metode de control vor afecta eficiența, zgomotul, netezimea și viteza de răspuns a motorului. În prezent, există trei metode de control al motorului fără perie: Controlul undelor pătrate în șase etape, controlul undelor sinusoidale și controlul orientat către câmp (FOC). Să aruncăm o privire asupra lor una câte una.

 

1. Controlul valurilor pătrate în șase pași: răspuns economic, practic, rapid

Controlul undelor pătrate în șase etape (numit și controlul undelor trapezoidale sau controlul capcanelor) este în prezent cea mai frecventă și cea mai mică metodă de control a costurilor și este utilizată pe scară largă în instrumente electrice, drone, ventilatoare de răcire și alte produse.

 

principiu:

Într-un ciclu electric, controlerul împarte înfășurarea trifazată a motorului într-o șase stări într-o secvență fixă ​​și circulă la rândul puterii (două faze sunt pornite și o fază este deconectată de fiecare dată), formând un simplu câmp magnetic rotativ, conducând astfel rotorul să se deplaseze.

 

avantaj:

• Algoritmul este simplu și are cerințe hardware scăzute
• Răspuns rapid, potrivit pentru scenarii de accelerare\/decelerare instantanee
• Costuri reduse, potrivite pentru aplicațiile de consum pe scară largă

 

neajuns:

• La comutarea fazelor, curentul se schimbă brusc, ceea ce este ușor de generat zgomot electromagnetic și vibrație
• Eficiența nu este la fel de bună ca controlul undelor sinusoidale, mai ales la viteză mică.
• Nu este potrivit pentru echipamente cu cerințe stricte privind zgomotul și vibrațiile

2. Controlul valurilor sinusoidale: mai neted și mai liniștit

Controlul undelor sinusoidale, după cum implică numele, face ca forma de undă cu curent trifazat să fie cât mai aproape de o undă sinusoidală, care poate produce un câmp magnetic rotativ mai continuu și mai stabil. Este mai avansat decât controlul undelor pătrate și este utilizat pe scară largă în echipamente care necesită stabilitate și control de zgomot, cum ar fi echipamente medicale, vehicule electrice, ventilatoare industriale etc.

 

principiu:

Căutând un tabel sau efectuând calcule în timp real, controlerul modulează cu exactitate curentul trifazat în funcție de poziția rotorului în fiecare moment, astfel încât să formeze o undă sinusoidală cu o diferență de fază de 120 de grade, conducând rotorul să se rotească lin.

 

avantaj:

• Reduceți mutația curentă în timpul comutației, reduceți semnificativ zgomotul și vibrațiile
• Procesul de pornire mai neted, potrivit pentru aplicații cu cerințe de confort ridicate
• Eficiență ridicată, în special în intervalul de viteză medie și scăzut

 

neajuns:

• Cerințe ridicate pentru controlul curentelor de undă, creșterea complexității și costurilor controlerului
• Detectarea exactă a poziției este baza (de obicei, necesită senzor sau codificator al sălii)

3. Controlul FOC (control orientat pe câmp): prima alegere pentru sisteme de înaltă performanță

FOC, cunoscut și sub denumirea de control orientat pe câmp, este o tehnologie de control motor de înaltă calitate. Poate sincroniza cu precizie câmpul curent și magnetic, obținând astfel un control al cuplului mai eficient și precis. FOC a devenit soluția principală în sisteme de servoatoare industriale, roboți și unități de vehicule electrice.

 

principiu:

FOC transformă curentul trifazat în componente de axa D și axa Q într-un sistem de coordonate dreptunghiulare prin transformarea matematică (Clarke & Park Transformation) și apoi controlează în mod independent curentul de cuplu și curentul de excitație pentru a obține un control mai precis al câmpului magnetic. Controlerul generează apoi o ieșire a semnalului PWM prin transformarea inversă.

 

avantaj:

• Se poate obține controlul cuplului foarte precis și controlul vitezei
• Răspuns rapid al sistemului, performanță dinamică excelentă, pornire mai ușoară
• Forma de undă actuală este mai sinusoidală, îmbunătățind eficiența și reducând consumul de energie
• Poate fi utilizat în sisteme servo cu buclă închisă în combinație cu codificatoare pentru a obține controlul de poziționare

 

neajuns:

• Algoritmul este complex, iar controlerul necesită o putere de procesare puternică (cum ar fi MCU de înaltă performanță)
• Debugarea este dificilă, iar costurile inițiale de dezvoltare și investițiile în timp sunt mari

 

Rezumat: diferite metode de control sunt potrivite pentru diferite scenarii de aplicare

Metoda de control	Caracteristici	Scenarii aplicabile
Controlul undelor pătrate în șase etape	Răspuns simplu, rapid, cost redus	Drone, instrumente electrice, fani
Controlul undelor sinusoidale	Zgomot scăzut, stabilitate bună	Echipamente medicale, vehicule electrice, aparate de acasă
Control FOC	Precizie ridicată și eficiență ridicată	Servos industrial, roboți, echipamente de automatizare

 

Alegerea metodei de control potrivite depinde de cerințele de aplicație, bugetul și așteptările pentru performanța sistemului. Dacă sunteți în căutarea preciziei de control, a eficienței de funcționare sau a experienței cu zgomot scăzut, alegerea metodei de control este chiar mai importantă decât motorul în sine.

 

După înțelegerea logicii de control a regulatorului de motor fără perie (ESC), trebuie să înțelegem, de asemenea, structura internă și modul în care comunică cu dispozitive externe. Aceste conținuturi nu sunt utile doar pentru dezvoltatorii de produse, dar îi ajută pe utilizatori să stabilească dacă un controler este potrivit pentru aplicația lor.

 

1. Componentele de bază ale controlerului

Deși există multe tipuri de controlere de motor fără perii pe piață, structura de bază a majorității ESC este aproximativ aceeași, incluzând în principal următoarele module de bază:

(1) Cipul principal de control (MCU)

Principalul cip de control este „creierul" controlerului, responsabil pentru primirea instrucțiunilor, prelucrarea algoritmilor de comutare, modularea semnalelor de ieșire, etc. Jetoanele comune includ STM32, TI C2000, NXP, etc. Performanța cipului determină precizia controlului, tipurile de algoritm suport (cum ar fi foc), capacități de comunicare etc.

 

(2) Circuitul de conducere

Circuitul de acționare este responsabil de amplificarea semnalului de control PWM trimis de cipul principal de control și de conducerea dispozitivului MOSFET sau IGBT pentru a asigura o tensiune de mare putere la înfășurarea trifazată. Această parte se mai numește „Etapa de putere".

 

(3) Modulul de detectare a curentului și tensiunii

Folosit pentru a monitoriza curentul și tensiunea în timp real în timpul funcționării motorului. Dacă curentul este prea mare sau tensiunea este prea mică, controlerul poate lua măsuri de protecție la timp pentru a împiedica motorul să ardă sau să piardă controlul. Senzorii de curent al sălii sau rezistențele de șunt sunt, în general, utilizați pentru a detecta curentul.

 

(4) modul de gestionare a puterii

Convertește puterea principală de înaltă tensiune (cum ar fi 12V, 24V, 48V etc.) în tensiune joasă (cum ar fi 3,3V sau 5V) cerută de circuitul de control. De obicei, include componente precum convertorul DC-DC și regulatorul de tensiune pentru a asigura funcționarea stabilă a sistemului.

 

(5) Interfață de semnal și circuit de protecție

Responsabil de comunicarea cu dispozitive externe, inclusiv de introducere a comenzilor și a semnalelor de stare de feedback. În plus, ESC este adesea proiectat cu protecție de supratensiune, protecție supraemperatură, protecție electrostatică ESD și alte circuite pentru a îmbunătăți fiabilitatea sistemului.

2. Metode comune de intrare a semnalului și protocoale de comunicare

ESC trebuie să stabilească cum să conducă motorul pe baza semnalelor trimise de dispozitive externe (cum ar fi placa de control principală, telecomandă, PLC). Prin urmare, trebuie să sprijine mai multe metode de intrare și protocoale de comunicare. Următoarele sunt cele curente de curent:

 

(1) Semnalul PWM (cel mai frecvent)

• Principiul: controlați viteza schimbând raportul de timp la nivel ridicat (ciclul de serviciu)
• Aplicație: modele de control de la distanță, control ventilator, skateboard -uri electrice etc.
• Caracteristici: ușor de utilizat, compatibilitate puternică, dar nu pot trece instrucțiuni complexe

 

(2) semnal PPM (sinteză multi-canal)

• Principiu: Combinați mai multe semnale PWM într -o singură linie pentru transmisie, potrivite pentru sistemul de control la distanță
• Aplicație: UAV multi-rotor, sistem de control de la distanță
• Caracteristici: Salvați cabluri, potrivite pentru controlul multi-canal

 

(3) Comunicarea în serie UART

• Principiul: transmite instrucțiuni și date (cum ar fi viteza, modul, parametrii) în format text
• Aplicație: automatizare industrială, dezvoltare robot
• Caracteristici: Suport comunicare în două sensuri, convenabil pentru depanare și feedback de stare

 

(4) autobuzul CAN (rețeaua de zona controlerului)

• Principiu: Mai multe dispozitive partajează un autobuz și folosesc o structură de cadre pentru a transmite instrucțiuni și informații despre feedback
• Aplicație: Automobile, robot industrial, mașină AGV
• Caracteristici: stabilă și fiabilă, puternică anti-interferență, potrivită pentru controlul cu mai multe noduri în sisteme complexe

 

(5) Comunicare I²C

• Principiul: Structura maestrului-sclav, două linii de semnal pentru a finaliza comunicarea în două sensuri
• Aplicație: dispozitive inteligente mici, sisteme integrate cu senzor
• Caracteristici: ocupă mai puțini pini, rata de transmisie moderată, dar distanța nu ar trebui să fie prea departe

 

(6) Intrare de tensiune analogică

• Principiul: Reglarea vitezei prin semnal analogic 05V sau 03.3V
• Aplicație: echipamente industriale simple, sisteme de control vechi
• Caracteristici: Potrivit pentru ocazii cu cerințe de precizie de control scăzut, ușor de integrat

 

3. Tendințe: inteligență, rețea și asistență multi-protocol

Modern ESC nu este doar un „executor" care execută instrucțiuni de control, dar are și din ce în ce mai multe capabilități, cum ar fi judecata inteligentă, auto-ajustarea parametrilor și feedback-ul statutului de funcționare. De exemplu:

• Feedback de monitorizare a stării: Feedback cu viteză în timp real, curent, tensiune, temperatură etc.
• Configurare la distanță: Reglați parametrii PID și strategiile de control online prin port serial sau poate
• Compatibilitatea multi-protocolului: One ESC acceptă atât PWM cât și UART, facilitând integrarea compatibilă a diferitelor sisteme

În aplicațiile robot industriale sau inteligente, acest tip de controler „inteligent" devine mainstream.

 

-- unități personalizate și capacități de fabricație de încredere la nivel mondial

Dacă sunteți în căutarea unei de înaltă calitateProducător de motoare fără perii, Motorul VSD este alegerea ta.Ne concentrăm pe cercetarea și dezvoltarea și producția de motoare DC fără perii (BLDC)și se angajează să ofere soluții de energie stabile și fiabile pentru diverse scenarii industriale, robotice, echipamente medicale și alte scenarii de aplicații.

 

Capacitățile noastre de bază includ:

Sunt disponibile diverse opțiuni structurale: rotor interior, rotor exterior, tip plat și alte modele

Proces de fabricație de înaltă precizie: înfășurare automată, ajustare dinamică a echilibrării și proces complet de inspecție și testare

Control de calitate fiabil: Produsele sunt certificate CE și ROHS și sunt supuse testelor stricte de îmbătrânire

Serviciu personalizat: dimensiunea, lungimea arborelui, metoda de instalare, interfața cablajului, etc.

 

Produsele VSD au fost exportate în Europa, America de Nord, Asia de Sud -Est și alte regiuni și sunt recunoscute pe scară largă de clienții din întreaga lume. De asemenea, salutăm cooperarea OEM\/ODM pentru a dezvolta în comun produse cu motoare adecvate pentru scenarii segmentate.