Commutatore meccanico vs commutazione sensorless: Come scegliere il giusto metodo di commutazione del motore
Costruiamo commutatori, quindi vediamo questa decisione dalla parte che la maggior parte delle discussioni salta. Non “quale tipo di motore è più nuovo”. Non è utile. La vera domanda da porsi è se il progetto ha bisogno di una funzione di commutazione integrata nel rotore o se può permettersi di spostare la commutazione nel controllore, nello stadio di potenza, nella logica di avvio e nel lavoro di convalida che ne consegue. I commutatori meccanici hanno ancora senso quando l'azionamento diretto in corrente continua, l'inversione semplice, il basso costo del sistema e il rapido trasferimento in produzione sono più importanti della massima efficienza o della minima manutenzione. I progetti brushless eliminano l'interfaccia spazzola-commutatore, ma la sostituiscono con una commutazione elettronica e uno stack di controllo più impegnativo.
Per questo motivo non consideriamo le spazzole e i brushless come un'argomentazione positiva o negativa. In molte applicazioni, entrambi possono funzionare. La risposta giusta di solito deriva dal sistema complessivo: budget per l'elettronica, comportamento all'avvio, ciclo di lavoro, intervallo di manutenzione, obiettivo acustico, tempo di progettazione disponibile e quante variazioni si prevede che la linea di produzione possa assorbire senza problemi.
Indice
Cosa cambia quando un cliente passa dalla commutazione meccanica a quella sensorless
Un commutatore meccanico esegue fisicamente la commutazione. Le spazzole contattano il commutatore, la corrente viene convogliata nelle bobine del rotore e la coppia segue. Il BLDC senza sensori elimina il set di commutazione fisica. Il motore deve ancora commutare, ovviamente. Lo fa solo elettronicamente. Nel comune controllo sensorless a sei fasi, due fasi vengono condotte, una fase rimane non pilotata e il controllore osserva il comportamento della back-EMF della fase non pilotata per decidere il successivo istante di commutazione. In condizioni di funzionamento stabile, l'evento di commutazione si colloca in genere circa 30 gradi elettrici dopo l'attraversamento dello zero.
Sulla carta, questo sembra ordinato. In un prodotto reale, non è così ordinato. La fase flottante è utile solo quando è effettivamente leggibile. Subito dopo la commutazione, i transitori di commutazione e la corrente di ruota libera possono alterare la finestra di rilevamento. Le implementazioni di riferimento affrontano questo problema ritardando il punto in cui è consentito il rilevamento della back-EMF, saltando i primi campioni, filtrando il segnale o spostando l'istante di campionamento in una parte più tranquilla del ciclo PWM. Quindi il lavoro di progettazione non scompare quando scompare il commutatore. Si sposta.
C'è un altro aspetto pratico. A riposo, non c'è alcuna back-EMF utile da leggere. Pertanto, un inverter BLDC senza sensori non parte davvero “senza sensori” da velocità zero, come molti acquirenti pensano. Di solito ha bisogno di una fase di allineamento, di una rampa di commutazione forzata o di una macchina a stati di avvio prima che il controllore possa passare alla commutazione basata sulla back-EMF. Questo passaggio è uno dei punti in cui i tempi di progetto si allungano più del previsto.
Perché questo è importante per un acquirente di commutatori
Un acquirente che inizia con “il brushless non ha il commutatore, quindi deve essere migliore” di solito guarda solo a un livello del sistema. A volte questa conclusione è giusta. A volte crea nuovo lavoro nell'elettronica di controllo, nella compatibilità elettromagnetica, nella robustezza dell'avviamento o nella convalida del software che costa più del problema di usura meccanica che si stava cercando di eliminare. I motori a spazzole rimangono interessanti in molti programmi perché la commutazione è incorporata nel motore, il controllo può essere semplice come l'applicazione di una tensione continua o di un ponte H e l'architettura richiede meno elementi esterni.
Lo vediamo spesso in prodotti sensibili ai costi e in programmi con finestre di validazione brevi. Se l'applicazione non ha bisogno dei vantaggi di durata di una piattaforma brushless e se il rumore, l'usura e le EMI di un sistema brushed sono già gestibili, un commutatore ben specificato è spesso la via più breve per la produzione. Non più alla moda. Solo più breve.
La schermata di selezione che utilizziamo nelle prime fasi del progetto
La tabella seguente non è un confronto di marketing. È la prima schermata di progettazione.
| Stato del progetto | Il commutatore meccanico di solito ha più senso | La commutazione senza sensore è di solito più sensata |
|---|---|---|
| Il tetto dei costi del sistema è stretto | Sì. La commutazione lato motore riduce la complessità del controllore. | Meno spesso. La commutazione elettronica aggiunge hardware di controllo e convalida. |
| Avvio diretto da questioni di riposo | Forte adattamento. Per avviare la rotazione non è necessario il rilevamento della back-EMF. | Necessita di una logica di avvio prima che il back-EMF sia affidabile. |
| L'architettura di controllo deve rimanere semplice | Adattamento forte. Spesso è sufficiente un'alimentazione in corrente continua o un ponte H di base. | Adattamento più debole. Lo stadio di potenza e la strategia di temporizzazione sono più impegnativi. |
| Un lungo intervallo di manutenzione è fondamentale | Limitato dall'usura delle spazzole e del commutatore. | Forte aderenza. Nessuna interfaccia di usura tra spazzola e commutatore. |
| Il servizio continuo ad alta velocità è fondamentale | È possibile, ma i limiti termici e di usura diventano più importanti. | Robusta vestibilità. I design senza spazzole sono comunemente scelti per garantire una lunga durata a velocità elevate. |
| Sono richiesti un rumore elettrico e un arco elettrico molto bassi. | Più difficile. Il contatto con le spazzole e gli archi elettrici devono essere gestiti con attenzione. | Di solito è meglio. Nessun arco di spazzole all'interfaccia di commutazione. |
| La tolleranza della produzione alle variazioni dell'elettronica è bassa | Forte adattamento. Il sistema meccanico è più facile da standardizzare in molti prodotti a bassa complessità. | Adattamento più debole. I margini di avvio, rilevamento e temporizzazione devono essere mantenuti nell'elettronica e nel firmware. |
Questo compromesso è coerente con le principali referenze di motori: i progetti brushed beneficiano di un controllo più semplice e di un minor numero di componenti esterni, mentre i progetti brushless scambiano questa semplicità con una maggiore durata, una capacità di velocità superiore e una commutazione gestita elettronicamente. Le varianti senza sensore aggiungono un'altra condizione: l'avvio e il comportamento a bassa velocità devono essere valutati nella progettazione del controllo, perché la back-EMF utilizzabile è un segnale di marcia costante, non un segnale di arresto.
Quando di solito si consiglia di rimanere con un commutatore meccanico
Quando il prodotto necessita di un funzionamento diretto in corrente continua, di una semplice inversione di direzione e di una rapida messa in produzione, la commutazione meccanica è ancora una scelta molto razionale. La funzione di commutazione rimane all'interno del motore. Questo è importante quando il budget per il controllore è ridotto, il team elettronico non sta cercando di costruire una piattaforma di controllo del motore da zero o il progetto semplicemente non vuole che il rischio principale si trasferisca nella temporizzazione del software.
Rimane anche una scelta pratica quando gli intervalli di manutenzione sono compresi e accettati. L'usura delle spazzole è reale. L'usura del commutatore è reale. Ma l'usura nota, con intervalli di ispezione noti e regole di sostituzione note, è spesso più facile da gestire rispetto alla riprogettazione dell'intera architettura del convertitore di frequenza. Ciò è particolarmente vero nei prodotti maturi, dove l'involucro meccanico, l'alimentazione e il modello di costo sono già fissati.
Quando il BLDC senza sensori è di solito la direzione migliore
Quando il progetto richiede una maggiore durata di funzionamento senza manutenzione delle spazzole, un'alta velocità sostenuta e minori perdite all'interfaccia di commutazione, l'architettura brushless inizia ad avere più senso. Questo è il caso pulito. Se si elimina la coppia di contatti spazzola-commutatore e si spostano gli avvolgimenti sullo statore, il meccanismo di usura cambia. Così come il comportamento termico. Così come il modello di servizio.
Ma “sensorless” non è un extra gratuito. Di solito è la strada giusta solo quando l'applicazione può tollerare la logica di avvio, i vincoli di velocità minima, la progettazione della finestra di rilevamento e la tempistica di commutazione in cambio dell'eliminazione dei sensori di posizione. Nel funzionamento a regime, l'attraversamento dello zero della back-EMF è pratico e ampiamente utilizzato. A bassa velocità e durante il lancio, è meno tollerante. Questa distinzione dovrebbe far parte della discussione sui costi fin dal primo giorno, non dalla ventiduesima settimana.
Se si mantiene una piattaforma a spazzole, i dettagli del commutatore decidono se viene spedito in modo pulito
È qui che inizia il nostro lavoro in fabbrica. Un motore a spazzole non ha successo perché sul disegno c'è scritto “commutatore”. Ha successo perché il set di commutazione viene abbinato come un sistema funzionante: superficie del commutatore, qualità della spazzola, pressione della molla, montaggio del supporto e profilo della corrente termica che il motore vedrà effettivamente in servizio. Quando questi elementi vengono trattati come linee di acquisto separate, i problemi di scintilla tendono a manifestarsi più tardi. Di solito nei test di durata. A volte sul campo.
Le condizioni della superficie sono una delle prime cose da esaminare. La superficie di un commutatore non può essere né troppo liscia né troppo ruvida se l'obiettivo è il trasferimento stabile della corrente e l'alloggiamento delle spazzole. Anche un'altezza eccessiva della mica crea problemi. Lo stesso vale per le bave e le cattive condizioni dei bordi delle barre. Sembrano piccoli dettagli da officina. Non sono piccoli quando la pellicola del pennello diventa instabile.
L'accoppiamento delle spazzole viene dopo. La spazzola e il commutatore sono una coppia, non due parti indipendenti. Il livello di attrito, il comportamento del contatto, la distribuzione della corrente e l'andamento dell'usura dipendono da questo accoppiamento. La pressione della molla deve essere sufficientemente elevata per mantenere il contatto, ma bilanciata su tutte le spazzole. Se la pressione è troppo bassa, il contatto diventa instabile. Troppa, e l'attrito e l'usura aumentano. La distanza tra i supporti è importante per lo stesso motivo: una spazzola che si blocca o che fa rumore non può commutare in modo pulito per molto tempo.
Questo è anche il motivo per cui il preventivo di un commutatore non dovrebbe mai basarsi solo sul diametro e sul numero di segmenti. La tensione, la corrente, il ciclo di lavoro, il carico di picco, la vita utile, il materiale delle spazzole, la velocità di rotazione e il profilo di commutazione effettivo devono essere esaminati. Se mancano questi dati, il disegno può sembrare completo. Il prodotto non lo sarà.
Domande frequenti
Il commutatore meccanico è ancora una scelta ragionevole per i nuovi programmi motore?
Sì. In molte applicazioni, l'architettura brushed o brushless può funzionare. La commutazione meccanica rimane una buona scelta quando il progetto privilegia il basso costo del sistema, la semplicità di controllo, il minor numero di componenti esterni e un percorso più rapido verso la produzione rispetto ai vantaggi di durata e velocità di una piattaforma brushless.
La commutazione sensorless riduce sempre il costo totale del sistema?
No. Può ridurre il numero di componenti eliminando i sensori di posizione discreti, ma sposta il lavoro nella logica di avvio, nella tempistica di commutazione, nella strategia di campionamento, nell'elettronica di potenza e nella convalida. Nei progetti in cui questi costi di sviluppo sono significativi, il costo totale del sistema potrebbe non migliorare così tanto come suggerisce il confronto con il solo motore.
Perché alcuni programmi BLDC utilizzano ancora i sensori di Hall invece del controllo senza sensori?
Perché i metodi back-EMF senza sensore sono più efficaci quando il motore sta già girando e produce un segnale utilizzabile. A velocità zero e molto bassa, l'avviamento deve affidarsi all'allineamento, alla commutazione forzata o a un'altra strategia di controllo. I sensori di posizione semplificano questa parte del campo operativo.
Cosa accorcia di solito la vita del commutatore?
Il contatto instabile delle spazzole, l'accoppiamento errato delle spazzole, le cattive condizioni della superficie, l'eccesso di mica, le bave, la pressione ineguale della molla e le scintille prolungate sono cause comuni. Non si tratta di difetti isolati. Interagiscono. Un problema di superficie spesso diventa un problema di spazzole, poi un problema di usura e infine un problema di rumore elettrico.
Un motore a spazzole può ancora essere controllato con PWM?
Sì. Uno dei motivi per cui i motori a spazzole rimangono utili è che il controllo della velocità può essere semplice. La tensione CC applicata modifica la velocità in un ampio intervallo e la PWM con un ponte H è un approccio standard quando è richiesto un movimento a velocità variabile o bidirezionale.
Quali informazioni sono necessarie per esaminare una richiesta di commutatore personalizzato?
Di solito si parte dall'inviluppo del rotore, dalla velocità dell'albero, dalla tensione, dalla corrente continua e di picco, dal ciclo di lavoro, dalla durata prevista, dal materiale delle spazzole, dallo spazio di installazione disponibile e dal tipo di carico. Se l'applicazione dispone già di dati sull'usura delle spazzole o sulle scintille, ciò è ancora più utile. Ci consente di stabilire rapidamente se la soluzione è da ricercare nel design del commutatore, nell'accoppiamento delle spazzole o nell'intero set di commutazione.
Nota finale
La scelta migliore non è quella con lo slogan migliore. È quella che si adatta all'architettura del prodotto.
Se il vostro programma ha bisogno di una soluzione brushed compatta, collaudata e dai costi contenuti, la commutazione meccanica è ancora una risposta ingegneristica seria. Se il vostro programma è già entrato nel territorio della lunga durata, dell'alta velocità e della bassa manutenzione, la commutazione elettronica brushless può essere la strada più pulita. L'errore non è scegliere l'uno o l'altro. L'errore è confrontare solo il motore e ignorare l'intero sistema che lo circonda.
