Commutazione a 6 fasi nei motori BLDC: cosa conta davvero in un azionamento reale

La commutazione a sei fasi non è sofisticata, ma consente di movimentare molti prodotti. Se la tabella di commutazione, il rilevamento e la temporizzazione sono corretti, di solito la spedizione va a buon fine. Se uno di questi elementi non è corretto, nessuna teoria può risolvere il rumore, i passi persi o i reset casuali sul banco di prova.

Perché gli ingegneri continuano a scegliere il metodo in 6 fasi pur sapendo dell'esistenza del FOC?

I libri di testo e le presentazioni dei fornitori continuano a indicare il controllo orientato al campo come obiettivo finale. Poi si entra in un elettrodomestico, un utensile elettrico, un ventilatore, una pompa o un robot a basso costo e si vede un semplice ponte trifase, un piccolo MCU, tre linee Hall e una tabella a 6 passi impressa nella memoria flash. Il controllo trapezoidale (commutazione a blocchi di 120°, 6 passi) rimane in uso perché svolge molto bene alcune funzioni: alta velocità massima, basso carico computazionale e gestione semplice dei guasti.

Le note di Microchip e Onsemi dicono entrambe la stessa cosa con un linguaggio leggermente diverso: sei posizioni discrete del campo statorico per ciclo elettrico, solo due fasi azionate alla volta, una fase flottante e il magnete del rotore che continua a inseguire quel campo. TI aggiunge poi un dettaglio ovvio ma spesso ignorato: questo metodo di solito offre la massima velocità e una complessità del gate driver molto bassa, a scapito della ripple di coppia e del rumore acustico.

Se stai leggendo questo articolo, probabilmente sai già tutto ciò. Il valore ora sta nei dettagli che di solito non si vedono nei documenti di “introduzione al BLDC”: come costruire e debuggare la tabella di commutazione, come scegliere uno schema PWM che si adatti al tuo hardware e come fare in modo che il 6-step senza sensori non si comporti in modo anomalo a bassa velocità.

Settori elettrici, coppie di poli e perché i tuoi calcoli angolari continuano a darti filo da torcere

La documentazione di Microchip spiega chiaramente la convenzione: sei settori per ciclo elettrico, 60 gradi elettrici per settore e un ciclo elettrico per coppia di poli del rotore per rivoluzione meccanica. Conosci la formula, ma nel software c'è la brutta abitudine di ottenere un risultato “più o meno corretto” e poi deviare.

Se il motore ha (N_p) coppie di poli, un giro meccanico corrisponde a (N_p) cicli elettrici. Quindi una transizione del sensore Hall ogni 60 gradi elettrici diventa ogni 360/(6Np) gradi meccanici. Facile sulla carta. Nel firmware, è qui che gli ingegneri inseriscono silenziosamente delle costanti fino a quando la stima della velocità non corrisponde al tachimetro.

La logica a sei fasi non tiene conto dell'angolo assoluto in gradi. Richiede solo un indice di settore compreso tra 1 e 6 (o tra 0 e 5) e una direzione di rotazione desiderata. Questo è il vantaggio dei metodi rudimentali: nessuna trasformazione di Park, solo “siamo nel settore 3, vogliamo andare avanti, quindi alimentiamo queste due fasi con questa polarità e lasciamo la terza fase ad alta impedenza”. Il blocco di controllo motore di MathWorks formalizza essenzialmente questo concetto in un blocco che mappa lo stato Hall al settore e quindi agli stati di commutazione, con un angolo di coppia target di circa 90° ± 30°.

Se consideri l'indice di settore come lo stato principale e lasci che tutto il resto ne derivi, il tuo codice risulterà spesso più semplice rispetto a quello ottenuto continuando a utilizzare gli angoli.

Una pratica tabella di commutazione in 6 passaggi che puoi effettivamente codificare

Ogni nota applicativa dei fornitori presenta una versione di una tabella in sei passaggi. La nota sulla commutazione basata su Hall di TI mostra chiaramente lo schema: tre segnali Hall digitali, sei stati validi, una mappatura da quello stato alle polarità di fase e una fase lasciata flottante. MathWorks mostra poi quasi la stessa mappatura, ma in termini di comandi gate AA′, BB′, CC′.

Ecco una versione compatta che puoi inserire direttamente in una tabella di ricerca. Si presume che le fasi siano denominate U, V, W e che le sale siano A, B, C. La mappatura è per un senso di rotazione; invertendo l'ordine dei passaggi nel firmware si inverte il senso di rotazione.

Da questa tabella emergono due piccole ma importanti osservazioni.

In primo luogo, i codici Hall non validi (000 o 111, o qualsiasi modello non presente nella tabella se il cablaggio è dispari) devono essere trattati come guasti o stati di “assenza di commutazione”. TI raccomanda esplicitamente di utilizzare gli stati Hall come indici in una tabella di ricerca software e di trattare i valori imprevisti come condizioni di errore, non come tentativi di azionamento “migliori possibili”. Consentire la mappatura di modelli casuali su stati di gate arbitrari è un modo sottile per distruggere i MOSFET.

In secondo luogo, la tabella presuppone un particolare allineamento tra la posizione meccanica del rotore e le transizioni Hall. Se i sensori Hall sono cablati in modo diverso o il magnete del rotore è incollato con un orientamento diverso da quello previsto, la sequenza di stati ruoterà o si invertirà. A questo punto è necessario ricablare le fasi, rimappare le linee Hall o ruotare la tabella del firmware. È qui che molti progetti impiegano un pomeriggio intero.

Utilizzo della tabella come firmware, non solo come disegno

Il vantaggio di una tabella a 6 passaggi è che è possibile utilizzarla sia per lo stadio di potenza che per la logica di controllo. I bit Hall grezzi formano un indice a 3 bit. Tale indice fornisce tre informazioni contemporaneamente: quale gate high-side applicare al PWM, quale gate low-side applicare al PWM o al clamp e quale fase è high-Z per la misurazione del potenziale BEMF in un progetto senza sensori.

Si è tentati di codificare solo la fase alta e dedurre il resto. Resistete a questa tentazione. Inserire il pattern completo del gate nella tabella per ogni passo semplifica notevolmente il debug: è possibile stampare o registrare il pattern completo e confrontarlo con le forme d'onda previste dai diagrammi del fornitore. L'esempio di MathWorks illustra esplicitamente i bit della sequenza di commutazione per settore; copiare quel pattern in una struttura C o LUT è quanto di più sicuro si possa fare.

Una volta che la tabella è pronta, la maggior parte del codice di controllo si riduce a tre operazioni: decodificare Hall in settore, selezionare la riga per la direzione, applicare il duty PWM alle gambe attive. Tutta la “teoria di controllo” si trova un livello più in alto, decidendo quale deve essere il duty per soddisfare gli obiettivi di velocità o corrente.

Schemi PWM per 6 fasi: scegliere il compromesso meno peggiore

La documentazione relativa al controllo dei motori di Microchip riassume tre schemi PWM molto comuni per la commutazione a sei fasi. Il testo sembra di natura commerciale, ma i compromessi sono reali:

Uno schema aziona contemporaneamente il lato alto di una fase attiva e il lato basso dell'altra, con accensione/spegnimento fissi sui rami opposti. È semplice, ha una bassa perdita di commutazione e non richiede tempo morto tra i dispositivi complementari, ma tende a produrre un'elevata ondulazione di corrente.

Un altro schema utilizza il PWM complementare su una fase attiva mantenendo completamente attiva la parte bassa dell'altra fase. Ciò mantiene bassa la perdita di commutazione su un ramo, ma ora è necessario gestire il tempo morto e gestire forme d'onda di corrente più complesse.

Il terzo schema aziona entrambe le fasi attive con PWM complementare. Ciò riduce l'ondulazione di corrente e può garantire una migliore uniformità della coppia, ma a costo di una maggiore perdita di commutazione complessiva e di una gestione più rigorosa dei tempi morti.

Renesas aggiunge una variante denominata “PWM bilanciato”, in cui sia il ramo positivo che quello negativo di una determinata fase condividono il compito di taglio in ciascun periodo di conduzione, equalizzando lo stress di commutazione e riducendo l'oscillazione di coppia. L'idea è semplice: se un dispositivo commuta in modo significativamente maggiore rispetto al suo partner durante la vita meccanica del prodotto, quel dispositivo invecchia più rapidamente. Gli schemi bilanciati mirano a distribuire lo stress in modo più uniforme.

In pratica, su un driver per ventilatori a bassa potenza, il primo schema è spesso più che sufficiente. Su un utensile elettrico a corrente più elevata o su una pompa per automobili, il terzo schema, ovvero quello bilanciato, tende a funzionare meglio e la complessità del tempo morto è minima rispetto al costo delle ondulazioni di corrente udibili o dei problemi di interferenza elettromagnetica.

6 livelli con sensore: cablaggio Hall, calibrazione e direzione

I progetti più pratici in 6 fasi iniziano ancora con sensori Hall. TI, NXP, Microchip, ancora NXP: tutti presentano lo stesso archetipo: tre latch Hall digitali distanziati di 120 gradi elettrici (o distanziati meccanicamente in modo corrispondente), che alimentano tre GPIO.

I problemi interessanti non riguardano i dispositivi Hall in sé, bensì il cablaggio e la calibrazione:

In primo luogo, i tre cavi di fase del motore e le tre uscite Hall possono essere cablati in sei permutazioni ciascuno. Monolithic Power Systems mostra anche una tabella chiara di tutte e sei le possibili configurazioni dei cavi di fase del motore (A-B-C, C-A-B, B-C-A e così via). Combinando questo dato con le piedinature arbitrarie dei connettori Hall, si ottiene un puzzle in cui il software vede un modello valido a sei stati, ma l'ordine in cui questi stati appaiono nel ciclo elettrico potrebbe non corrispondere alla tabella “ideale”.

In secondo luogo, per ottenere una coppia pulita, è necessario che le transizioni Hall avvengano circa 30 gradi elettrici prima o dopo l'istante di commutazione ideale, a seconda dell'anticipo di fase scelto. MathWorks suggerisce esplicitamente una procedura di “calibrazione della sequenza del sensore Hall” per scoprire la sequenza effettiva e allinearla al modello di commutazione. In laboratorio, questo significa solitamente far girare lentamente il motore con un dispositivo di fissaggio o un altro motore, registrare gli stati Hall e le tensioni di fase e costruire la sequenza reale sulla base delle misurazioni piuttosto che delle ipotesi.

La direzione è principalmente una questione di contabilità. Se il motore gira nella direzione sbagliata, è possibile scambiare due cavi di fase qualsiasi, invertire il flag di direzione nel firmware o invertire l'ordine in cui si eseguono i sei passaggi. Scambiare due fasi e lasciare invariato il cablaggio Hall è la soluzione hardware istintiva; invertire la tabella è la soluzione firmware a minor rischio.

6 fasi senza sensore: rilevamento BEMF, blanking e cliff a bassa velocità

Le note dei fornitori TI, ST e Renesas mostrano tutte lo stesso quadro a 6 fasi senza sensori: la fase non pilotata trasporta una tensione indotta (EMF inversa), il controller confronta tale tensione con un riferimento (spesso metà del bus CC) e il passaggio per lo zero segna il momento giusto per la commutazione.

Nell'hardware reale, alcuni dettagli determinano se funziona o se emette solo un ronzio:

Ad ogni commutazione, la bobina precedentemente conduttiva necessita di tempo per smagnetizzarsi. Durante questo intervallo di smagnetizzazione, la fase “flottante” non è realmente flottante; la tensione terminale oscilla perché la corrente nelle altre fasi sta cambiando. La nota applicativa di ST mostra come il lato basso dell'inviluppo di tensione aumenti quando la polarità della BEMF si inverte e perché un campionamento troppo precoce porta a un rilevamento errato del passaggio per lo zero. Il tempo di blanking dopo ogni commutazione non è superfluo, ma essenziale.

Il PWM complica ulteriormente la situazione. Se si rileva la BEMF durante il tempo di spegnimento del lato basso (vero Z elevato sul terminale), la finestra di campionamento effettiva si riduce con il ciclo di lavoro. Alcuni progetti rilevano invece durante il tempo di accensione utilizzando un riferimento a metà del bus CC, come nota ST, che scambia la complessità del circuito analogico con una finestra di rilevamento più ampia ad alti cicli di lavoro.

Poi c'è il problema della bassa velocità. Nessuna rotazione, nessun BEMF. Le slide della formazione TI lo spiegano chiaramente: i metodi a sei fasi senza sensori non funzionano quando è necessaria una coppia a velocità pari o vicina allo zero. Le strategie di avvio diventano un sottosistema separato: allineare il rotore forzando un campo statico, avviare alla cieca con una rampa a ciclo aperto o iniettare brevemente impulsi ad alta frequenza per dedurre la posizione iniziale. È possibile che questa logica non venga mai mostrata in un diagramma a blocchi, ma di solito è la differenza tra “avvio affidabile” e “avvio a volte irregolare”.”

Velocità e loop di corrente su 6 livelli

Il Six-step definisce solo quali transistor sono attivi. Non importa se il motore gira a 300 giri al minuto o a 30.000 giri al minuto. Ci pensano i circuiti di controllo.

Il caso più semplice è il controllo del ciclo di lavoro a circuito aperto: si considera il ciclo di lavoro come un approssimativo indicatore della coppia e si accetta qualsiasi velocità consentita dal carico e dall'alimentazione. Per i ventilatori e alcune pompe, questo è sufficiente.

Qualsiasi cosa che richieda una velocità o una coppia regolata aggiunge almeno un circuito di retroazione. Un modello comune nelle note applicative è un circuito di velocità esterno (controllore PI che chiude sulla velocità misurata dai bordi Hall) che aggiorna un riferimento di coppia o di duty cycle, e un circuito di corrente interno o uno schema di protezione che mantiene la corrente di fase entro i limiti. La documentazione di Microchip sul controllo dei motori descrive sia l'approccio a circuito aperto che quello a circuito chiuso e include il supporto hardware come la limitazione della corrente ciclo per ciclo nel modulo PWM.

Un controllo rigoroso della corrente non è obbligatorio per tutti gli azionamenti a sei fasi. L'inerzia meccanica e la tolleranza al carico a volte nascondono molte imperfezioni elettriche. Tuttavia, quando si passa a una densità di coppia più elevata o si desidera una risposta transitoria prevedibile, un circuito di corrente di base attorno al duty cycle PWM inizia a sembrare meno un lusso e più l'unico modo per mantenere il sistema entro i limiti termici ed EMI.

Debugging in 6 fasi sul banco di prova: una routine che individua effettivamente i guasti

La maggior parte dei problemi relativi alle 6 fasi rientra in un breve elenco: sequenza Hall errata, fasi morte o scambiate, tempo morto mancante, temporizzazione BEMF errata e problemi di alimentazione o messa a terra. È possibile individuarli tutti osservando i segnali corretti.

Una routine pratica è più o meno questa, anche se non la si mette per iscritto. Per prima cosa si controllano il bus CC e l'alimentazione del gate drive per assicurarsi che lo stadio di potenza funzioni a un livello base. Quindi si controllano le linee Hall mentre si gira meccanicamente il rotore; si dovrebbero vedere sei stati puliti, senza codici illegali mantenuti per più di pochi microsecondi. Se si vedono 000 o 111 che rimangono, ci sono problemi di cablaggio o di sensori prima ancora che venga eseguito qualsiasi algoritmo di controllo.

Successivamente, sovrapponi la tensione di fase (o tensione fase-fase) con le transizioni Hall. Le transizioni dovrebbero verificarsi in posizioni coerenti rispetto alla sequenza in sei fasi mostrata nei diagrammi del fornitore; se sono sfalsate di un valore costante, è possibile correggere l'angolo di commutazione nel software. Se il modello è ruotato o invertito, è necessario correggere il cablaggio o ruotare la tabella di ricerca.

Per gli azionamenti senza sensori, è necessario monitorare anche la fase non azionata e l'uscita del comparatore, verificando che i passaggi per lo zero rilevati siano allineati con i punti medi previsti delle regioni piatte nell'inviluppo della tensione di fase, come nelle figure ST e Renesas. Quando la temporizzazione varia con la temperatura o il carico, il problema spesso risiede nel front-end analogico, non nel codice MCU.

Quando tutto sembra ragionevole, passate alla corrente. Misurate l'ondulazione della corrente di fase per ogni schema PWM che provate; confrontatela con i compromessi elencati nelle note di Microchip e Renesas. Di solito scoprirete che lo schema più economico nel codice non è il più economico in termini di magnetismo e filtri EMI.

Dove il 6-step si adatta al sinusoidale e al FOC

La presentazione “Demystifying BLDC commutation” (Svelare i misteri della commutazione BLDC) di TI illustra la gerarchia: trapezoidale (6 fasi) nella parte più semplice, sinusoidale nella parte centrale e FOC nella parte più complessa. Possiamo riformulare la versione pratica senza grafici.

Se l'applicazione è principalmente orientata al costo, ha requisiti acustici modesti e può accettare un ripple di coppia, solitamente è sufficiente un sistema a sei fasi. Questo sistema è vantaggioso in termini di carico computazionale e spesso anche di velocità elettrica massima raggiungibile, specialmente se implementato con semplici gate driver e MCU. La nota applicativa di Onsemi lo conferma: il controllo trapezoidale è uno dei metodi più semplici disponibili e offre buone prestazioni di picco per molti carichi industriali.

Quando occorre ridurre il rumore, migliorare l'efficienza a carico parziale o ottenere una coppia più fluida, il controllo sinusoidale diventa più interessante. Quando occorre un controllo rigoroso della coppia su un ampio intervallo di velocità, un indebolimento del campo o la massima efficienza energetica, si finisce nel territorio FOC e il controllo a sei fasi diventa la modalità di riserva o di avvio, non il metodo principale.

Non si tratta tanto di stabilire quale metodo sia globalmente “migliore”, quanto piuttosto di capire a quali aspetti del comportamento motorio il vostro prodotto presta effettivamente attenzione.

Riepilogo per il tuo prossimo progetto

Se si considera il metodo in 6 fasi come “l'opzione più semplice”, esso tende a comportarsi in modo anomalo in tutti i modi consueti. Se lo si tratta come un algoritmo di controllo discreto, basato sullo stato, con vincoli specifici di temporizzazione e misurazione, esso appare più come un sottoinsieme robusto di metodi più avanzati.

Costruisci la tua tabella di commutazione utilizzando dati Hall o BEMF reali, non solo un diagramma. Scegli uno schema PWM che corrisponda ai tuoi limiti magnetici e termici, non solo al blocco timer del tuo MCU. Considera l'avvio senza sensori e il comportamento a bassa velocità come un problema di progettazione separato, non come una modifica minore. E mantieni una routine di banco standard per verificare i modelli Hall, le tensioni di fase e la temporizzazione BEMF prima di dare la colpa a uno qualsiasi dei circuiti di controllo.

La commutazione in sei fasi smette quindi di essere un espediente veloce e diventa una scelta progettuale deliberata. Ed è proprio da questo che derivano solitamente i prodotti affidabili.