Commutazione senza sensori: portare i motori BLDC oltre il laboratorio
La commutazione senza sensori è stata in gran parte risolta sulla carta. Gli schemi Back-EMF, gli osservatori e i trucchi di iniezione funzionano tutti. Ciò che ancora ostacola i progetti non è la mancanza di teoria, ma i dettagli di misurazione, il comportamento all'avvio e il modo in cui l'algoritmo si degrada ai margini. Trattateli come problemi di progettazione di prima classe e quasi tutti i metodi moderni raggiungeranno le vostre specifiche. Ignorateli e otterrete reset casuali, MOSFET surriscaldati e ticket di assistenza.
Indice
Ciò che la maggior parte degli articoli tralascia
Se si leggono i tipici contenuti relativi al controllo senza sensori, solitamente si riscontra lo stesso schema: definizione del BLDC, confronto tra sensori e senza sensori, presentazione di un chiaro diagramma della forza controelettromotrice, quindi indicazione di uno o due algoritmi. Alcune note applicative approfondiscono il filtraggio e i punti neutri virtuali, ma si fermano comunque nel punto in cui l'hardware e il firmware iniziano a entrare in conflitto tra loro.
I recenti lavori e le note dei fornitori spingono oltre: commutazione della tensione terminale senza rilevamento del neutro, schemi DC-link senza filtro, osservatori a modalità scorrevole, iniezione ad alta frequenza, persino stimatori a rete neurale. Ma di solito vengono descritti come opzioni di un menu, non come elementi di una catena di produzione che deve condividere silicio, larghezza di banda e limiti EMC.
Quindi questo non è un tutorial. È una visione orientata al campo di ciò che effettivamente determina se la commutazione senza sensori è noiosamente affidabile o permanentemente “sotto indagine”.”
Due problemi nascosti sotto la “commutazione senza sensori”
Non si progetta mai realmente una “commutazione senza sensori” come un unico blocco. Si progettano due regimi separati e un livello di arbitrato che finge che siano uguali.
A velocità zero e molto bassa, la forza controelettromotrice non è misurabile. I classici schemi zero-cross e la maggior parte degli osservatori della forza controelettromotrice sono ciechi in questo caso. È possibile eseguire un ciclo aperto (commutazione forzata con una posizione del rotore presunta), iniettare un segnale di sondaggio o convivere con una velocità minima scomoda.
Una volta che il rotore raggiunge una velocità sufficiente, il problema cambia natura. Non ci si chiede più “dove si trova il rotore?”, ma “quanto è in ritardo il mio stimatore e quanto è stabile rispetto alla corrente, alla temperatura e all'alimentazione?”. In questo ambito, quasi tutti gli algoritmi sensibili funzionano se i segnali sono puliti. Il fattore determinante è la prevedibilità dei ritardi e delle modalità di guasto.
Il passaggio di consegne tra questi regimi è il punto in cui molti sistemi funzionano male. Un anti-pattern comune consiste nell'incollare una rampa a ciclo aperto rudimentale a un sofisticato stimatore ad alta velocità e supporre che una singola soglia di velocità li manterrà fuori dai piedi l'uno dell'altro. Tende a funzionare sul banco di prova, ma poi fallisce in caso di combinazioni insolite di carico e tensione di alimentazione che il vostro piano di test non ha coperto.
Scegliere un metodo: non solo “FOC contro sei fasi”
La maggior parte dei post sui blog presenta la scelta come binaria: commutazione a blocchi con semplice rilevamento della forza controelettromotrice (back-EMF) o controllo completamente orientato al campo con un osservatore. I fornitori pubblicano confronti chiari su ondulazione di coppia, rumore ed efficienza. La realtà è più articolata.
Ecco una panoramica sintetica delle principali famiglie attualmente in uso, comprese le tecniche descritte in articoli recenti e nelle note applicative più recenti.
| Metodo | Punto ottimale tipico | Segnali richiesti / hardware | Principali punti critici pratici | Dove tende a vincere |
|---|---|---|---|---|
| Semplice zero-cross back-EMF con neutro virtuale | Motori trapezoidali a velocità medio-alta | Tensioni di fase, rete neutra virtuale, comparatori o ADC | Scarse prestazioni a bassa velocità, sensibilità alle ondulazioni dell'alimentazione e alle tolleranze del motore, regolazione dei filtri RC rispetto alla velocità | Ventilatori, pompe, azionamenti a basso costo dove il rumore acustico e la risposta dinamica non sono fattori determinanti |
| EMF posteriore filtrato con logica di temporizzazione digitale | Velocità medio-alta, intervallo di giri più ampio | Campionamento ADC delle tensioni di fase, filtri digitali, acquisizione timer | Ritardo di fase dipendente dalla velocità dei filtri, calibrazione tra motori, budget computazionale su piccoli microcontrollori | Azionamenti sensibili ai costi che richiedono una precisione di temporizzazione superiore rispetto agli schemi comparatori grezzi |
| Commutazione linea-linea / tensione terminale | BLDC a media velocità e bassa tensione | Due o tre tensioni terminali riferite al bus CC, solitamente senza ricostruzione del neutro | Accoppiamento dipendente dal layout, necessità di un buon rifiuto di modo comune, tempistica accurata delle finestre di misurazione | Azionamenti compatti a bassa tensione in cui l'area PCB e la distinta base per reti neutre o filtri sono limitate |
| Metodi di modulazione del collegamento CC senza filtro | Sistemi a media velocità e bassa tensione con PWM rumoroso | Tensione e corrente del collegamento CC, modello di modulazione speciale | Legato a una modulazione specifica; l'aggiornamento al firmware generico dell'inverter è complicato; interazione con i filtri EMI | Casi in cui il rumore PWM è predominante e l'eliminazione dei filtri analogici consente di risparmiare sui costi e di ridurre la variazione del ritardo di commutazione |
| Stima della forza controelettromotrice in modalità scorrevole o basata su osservatore | Ampia gamma di velocità al di sopra di una velocità minima | Correnti e tensioni di fase, stimatore computazionalmente più pesante | Controllo del chattering, sensibilità dei parametri, complessità del debug, necessità di attenzione ai punti fissi sui piccoli MCU | Unità di fascia alta che richiedono stime di posizione continue, una migliore risposta dinamica e compatibilità FOC |
| Iniezione ad alta frequenza (HFI) e metodi basati sulla salienza | Da zero a bassa velocità, in particolare IPMSM con salienza | Iniezione di tensione ad alta frequenza e misurazione della corrente, ottimo front-end analogico | Rumore acustico causato dall'iniezione, dipendenza dei parametri dalla temperatura, ulteriori calcoli matematici, considerazioni relative alle interferenze elettromagnetiche (EMI) | Applicazioni di tipo servo che richiedono coppia a regime stazionario senza sensori, oppure azionamenti che devono avviarsi in modo affidabile con un carico sconosciuto. |
| Stimatori basati sui dati / assistiti da ML | Varia; principalmente nella ricerca e nei prodotti di nicchia | Più memoria e potenza di calcolo, dati di addestramento o ciclo di adattamento | Più difficile da certificare e spiegare, sensibilità ai punti operativi non visibili, manutenzione dei modelli | Azionamenti personalizzati in cui è possibile raccogliere dati sul campo e si desidera compensare effetti fortemente non lineari o variazioni di produzione |
Il punto non è che una fila sia “migliore” delle altre. Il punto è che la maggior parte dei prodotti reali finisce per combinare almeno due di questi comportamenti in termini di velocità, a volte anche tre. Ad esempio, un azionamento per elettrodomestici di fascia media può utilizzare l'allineamento e la rampa a ciclo aperto, quindi uno schema di commutazione linea per linea e infine passare al FOC completo con un osservatore di forza controelettromotrice una volta che la velocità e il rapporto segnale/rumore lo rendono conveniente.
L'impianto idraulico di misurazione decide quasi tutto
I documenti e il materiale di marketing mostrano solitamente forme d'onda pulite con pendenze regolari. Il vostro PCB non lo farà. L'intero stack senza sensori si basa su ciò che l'ADC o il comparatore vedono effettivamente dopo il tempo morto, i picchi di recupero dei diodi, le ondulazioni dell'alimentazione, i rimbalzi di terra e gli shunt economici.
Alcuni modelli ricorrono ripetutamente.
Se si utilizzano comparatori per il rilevamento dello zero crossing, i tempi di isteresi e di blanking non sono impostazioni secondarie. Essi programmano direttamente il grado di errore di temporizzazione elettrico tollerabile a diverse velocità. Un'isteresi troppo bassa provoca il chattering del comparatore sui fronti PWM. Se è eccessiva, la soglia di attraversamento effettiva deriva con la corrente. Il blanking che nasconde i fronti di commutazione può anche nascondere il vero attraversamento dello zero ad alta velocità. I fornitori lo suggeriscono, ma la regolazione tende comunque ad essere basata su tentativi ed errori, a meno che non si calcoli esplicitamente l'errore di fase su tutta la gamma di velocità e corrente.
Se ci si affida al campionamento ADC della forza controelettromotrice, l'interazione tra gli istanti di campionamento e i modelli PWM diventa il problema principale. Il PWM allineato al centro, il PWM allineato al bordo e la modulazione vettoriale spaziale creano tutti finestre “pulite” diverse per misurare una fase flottante. Spostando l'ISR di campionamento di pochi cicli CPU, si modifica la distorsione dello stimatore. La maggior parte dei casi in cui “funziona in una build ma non in un'altra” è riconducibile a questo accoppiamento temporale piuttosto che a errori nelle equazioni dell'algoritmo.
Per gli osservatori utilizzati con FOC, la qualità del rilevamento della corrente determina silenziosamente anche la qualità della commutazione. La deriva dell'offset negli shunt, la scarsa ricostruzione nei progetti a shunt singolo o gli amplificatori saturi durante i picchi di corrente si riflettono direttamente sulla posizione stimata del rotore. Ciò si traduce in un'oscillazione della coppia o in un rumore acustico e viene facilmente attribuito erroneamente alla strategia di modulazione.
Quindi, se volete una regola pratica: considerate il front-end analogico e il programma di campionamento come parte dell'algoritmo di commutazione, non come semplici componenti. Disegnateli sullo stesso diagramma. Annotate i loro ritardi in gradi elettrici a diverse velocità e correnti. Modificate il codice fino a quando i numeri non saranno espliciti, non ipotetici.
Avvio e bassa velocità: scegli la tua finzione
A motore fermo è necessario prendere una decisione: assumere una posizione del rotore e applicare uno schema, oppure disturbare il motore e leggere la sua risposta. Entrambe sono approssimazioni. La domanda è: quale approssimazione fallisce in modo più elegante nella vostra applicazione?.
L'allineamento e la rampa ad anello aperto sono semplici ed economici. Si alimenta un vettore noto abbastanza a lungo da allineare il rotore, quindi si accelera la commutazione con un profilo fisso fino a quando la forza controelettromotrice o un osservatore non hanno un segnale sufficiente per subentrare. Questo funziona bene quando la coppia di carico è prevedibile e l'inerzia è nota. Diventa fragile quando il carico può bloccarsi, invertire la marcia o applicare una coppia a gradini all'avvio. In tal caso, il rotore potrebbe non seguire la traiettoria prevista e non c'è modo di saperlo fino a quando non si raggiungono i limiti di corrente o lo stimatore improvvisamente non è più d'accordo.
I metodi di iniezione ad alta frequenza evitano deliberatamente questa finzione trattando il motore a bassa velocità come un sistema magnetico quasi statico. Un piccolo segnale di sondaggio rivela la salienza o l'anisotropia del rotore, fornendo una stima della posizione anche con velocità media pari a zero. Ciò migliora il controllo della coppia a bassa velocità e la robustezza all'avvio, ma aggiunge un background costante di energia iniettata e complessità dell'algoritmo. È inoltre necessario accettare che le firme acustiche ed EMI cambino; a volte questo va bene, altre volte il marketing lo definirà un problema.
Un design ibrido spesso funziona meglio: allineamento deterministico breve, rampa a ciclo aperto minima, quindi HFI solo nella regione ristretta in cui la stima basata sulla forza controelettromotrice non è ancora soddisfacente. L'uso discontinuo dell'iniezione riduce l'impatto acustico e il calcolo, ma fornisce comunque allo stimatore qualcosa a cui aggrapparsi durante transitori difficili come l'avviamento lento o gli stalli parziali.
È l'errore di temporizzazione, non il nome dell'algoritmo, a causare perdite e rumore
Le discussioni sull'efficienza e sulle prestazioni acustiche spesso mettono a confronto il controllo a sei fasi con il FOC, come se fosse solo lo stile di commutazione a determinare il risultato. In pratica, il fattore dominante è l'errore di allineamento di fase tra il flusso del rotore e la corrente, non il fatto che il codice scriva tre cicli di lavoro o due più un vettore zero.
Con la commutazione a blocchi di base, qualsiasi errore di temporizzazione coerente sugli istanti di commutazione spinge l'ondulazione di coppia e aumenta le perdite nel rame e nel nucleo. Una commutazione sottoutilizzata spreca la coppia potenziale e produce un caratteristico rombo a determinate velocità e carichi. Una commutazione eccessiva aumenta la corrente per lo stesso carico e può surriscaldare il motore e l'inverter in modo sproporzionato. La stessa logica si applica nella FOC continua, espressa semplicemente come errore angolare nell'osservatore o nell'encoder.
Ecco perché le specifiche del vostro stimatore senza sensori contano meno della loro varianza e della loro distorsione nei punti operativi. Uno schema zero-cross rudimentale con un ritardo accuratamente caratterizzato e una semplice tabella di anticipo dipendente dalla velocità può fornire un'efficienza reale migliore rispetto a un osservatore sofisticato che si sposta di diversi gradi ogni volta che il bus CC salta a causa dell'attivazione di un compressore.
Quindi un obiettivo concreto è quantificare l'errore dell'angolo elettrico rispetto al carico, alla velocità e alla tensione del bus. Se riesci a mantenerlo entro una banda ristretta che conosci, puoi compensarlo. Se non riesci nemmeno a misurarlo, ti limiti a scambiare algoritmi e sperare.
Utilizzare idee più innovative senza ricostruire l'intero stack
Le recenti pubblicazioni sulla commutazione senza sensori presentano tecniche che possono essere utilizzate in modo incrementale piuttosto che come sostituzioni totali.
I metodi di modulazione DC-link senza filtro dimostrano che è possibile evitare i classici filtri RC e ottenere comunque istanti di commutazione puliti modellando la commutazione dell'inverter per semplificare le misurazioni. Non è necessario copiare esattamente la modulazione per trarne insegnamento; anche modesti vincoli sui modelli di commutazione in determinati settori possono rendere le finestre di misurazione più prevedibili e ridurre la dipendenza dai filtri analogici.
La commutazione basata sulla tensione terminale, compresi gli schemi che utilizzano solo due tensioni terminali relative a un neutro virtuale, può ridurre il numero di componenti e talvolta migliorare la tolleranza ai disturbi di modo comune. Inoltre, costringe a considerare il motore e l'inverter come un'unica rete distribuita, poiché le capacità dipendenti dal layout influenzano improvvisamente il rilevamento in modo diretto. Ciò è meno comodo, ma offre un modello più realistico.
Gli osservatori in modalità scorrevole e tecniche robuste simili sono spesso presentati come componenti "tutto o niente", ma possono coesistere con stimatori più semplici. Un modello pragmatico consiste nell'eseguire in parallelo uno stimatore EMF di base e un osservatore più avanzato, quindi utilizzare la logica di confidenza per scegliere quale dei due alimenta l'angolo di commutazione in ciascun punto operativo. Ciò è particolarmente utile quando lo stimatore avanzato è forte sotto carico dinamico ma meno affidabile in prossimità di combinazioni specifiche di velocità e ripple del bus CC.
Gli stimatori basati sull'apprendimento automatico sono ancora agli albori in questo settore, ma alcuni lavori combinano già tensioni terminali e variabili DC-link per guidare modelli neurali per la temporizzazione della commutazione. Anche se non si utilizza mai uno stimatore neurale, i modelli offline addestrati sui dati di laboratorio possono aiutare a comprendere la struttura degli errori di fase e a progettare una compensazione basata su regole più efficace.
Un percorso di messa a punto pratico che non insegue fantasmi all'infinito
Quando si lavora su un nuovo progetto, si è tentati di implementare immediatamente l'intero stack senza sensori. Questo però spesso maschera i problemi invece di far risparmiare tempo. Un approccio più prudente prevede una complessità graduale e una registrazione accurata.
In primo luogo, rendere noioso l'inverter e il rilevamento della corrente con un controllo sensibile o un modello a circuito aperto noto e funzionante. Verificare che le letture di corrente, le temperature e il comportamento EMI corrispondano alle aspettative. Se questo passaggio è debole, qualsiasi metodo senza sensori erediterà tale debolezza e la amplificherà.
In secondo luogo, implementa il metodo di rilevamento della commutazione più semplice possibile che possa funzionare sul tuo hardware, anche se sai che non soddisferà i requisiti finali. Per molti sistemi, si tratta di un rilevamento zero-cross con comparatore grezzo con ritardi fissi. Per altri, potrebbe essere uno stimatore ADC back-EMF di base senza filtri sofisticati. Usalo per raccogliere dati sull'errore angolare rispetto a un riferimento esterno come un encoder o un anello sensore Hall temporaneo.
Terzo, a partire da tali dati, creare tabelle di correzione o modelli compatti dipendenti dalla velocità e dal carico. Solo dopo aver spiegato la forma di tali correzioni ha senso introdurre osservatori, filtri digitali o schemi ibridi. Altrimenti si finisce per accumulare compensatori alla cieca.
Infine, considera le transizioni come caratteristiche di prima importanza. Definisci esattamente a quale velocità e in quali condizioni si passa dal circuito aperto allo stimatore A, dallo stimatore A allo stimatore B o dal sistema a sei fasi al FOC. Registra esplicitamente tali transizioni e sottolineale nei test: salti di bus, improvvisi cambiamenti di carico, comandi di inversione, cali di tensione.
Niente di tutto questo è esotico. È solo metodico. E tende a produrre azionamenti che si comportano allo stesso modo il lunedì e il venerdì, su unità calde e fredde, in tutta la produzione.
Debugging basato sui sintomi anziché sulla teoria
In pratica, di solito si parte dal comportamento del motore, non dalle equazioni. Alcuni sintomi sono strettamente correlati a determinate classi di problemi di commutazione senza sensori. Alcuni esempi illustrano questo modo di pensare.
Se il motore si avvia in modo affidabile quando è freddo ma non quando è caldo, sospettare variazioni dipendenti dalla temperatura nelle soglie del comparatore, negli offset dello shunt o nei parametri del motore utilizzati negli osservatori. È possibile verificarlo registrando l'angolo stimato rispetto a un encoder mentre il sistema si riscalda dalla temperatura ambiente fino al suo stato stazionario.
Se l'azionamento è silenzioso ed efficiente alle basse e alle alte velocità, ma presenta una banda stretta e rumorosa nella gamma media, sospettare ritardi del filtro dipendenti dalla velocità, quantizzazione del timer o interazione PWM. I metodi basati sulla forza controelettromotrice (EMF) che si affidano a reti RC e timer spesso mostrano tali “bande rumorose” dove le loro ipotesi di ritardo fisso si allineano male con la frequenza elettrica del motore.
Se l'azionamento funziona correttamente sotto carico costante ma presenta errori durante rapidi cambiamenti di coppia, controllare la larghezza di banda dell'osservatore e la saturazione del rilevamento della corrente. Molti stimatori in modalità scorrevole o basati su PLL presuppongono che i segnali di corrente rimangano entro intervalli lineari e che il jitter di campionamento sia modesto. Quando tali presupposti vengono meno, lo stimatore subisce un ritardo e l'angolo di commutazione può variare di diversi gradi.
Avere un catalogo di tali coppie sintomo-meccanismo all'interno del proprio team spesso riduce i tempi di debug più di un altro nuovo stimatore.
Note conclusive
La commutazione senza sensori non necessita di un'altra spiegazione generica della forza controelettromotrice. Richiede piuttosto una visione onesta di ciò che realmente determina la stabilità, l'efficienza e la riproducibilità dell'azionamento lungo una linea di produzione. Gli algoritmi sono importanti, ma la combinazione di catena di misurazione, strategia di avvio, logica di transizione e budget di errore di temporizzazione espliciti è ancora più importante.
Se si progettano questi componenti con la stessa cura con cui si sceglie lo stimatore, la maggior parte dei classici dibattiti sul confronto tra sei fasi e FOC, o tra back-EMF e osservatori, diventano molto meno accesi. Si ottiene così un sistema il cui comportamento di commutazione è prevedibile, spiegabile e complesso solo nella misura necessaria all'applicazione.
