Czujniki i tryby sprzężenia zwrotnego dla silników BLDC/PMSM*

Aby kontroler mógł prawidłowo sterować silnikiem BLDC (bezszczotkowy DC) lub PMSM (z magnesami trwałymi synchronicznymi), musi stale znać pozycję wirnika.

Ta informacja jest niezbędna do synchronizacji przełączania faz, regulacji momentu obrotowego, prędkości i, w niektórych przypadkach, pozycji absolutnej.

Istnieje kilka technologii sprzężenia zwrotnego, z których każda jest dostosowana do innego poziomu wydajności lub precyzji.

Czujniki Halla: prostota i solidność

Najczęściej spotykany system opiera się na trzech czujnikach efektu Halla, zintegrowanych bezpośrednio w silniku.

Te czujniki wykrywają przejście biegunów magnetycznych wirnika i dostarczają cyfrową informację (0 lub 1) do kontrolera.

• Trzy sygnały połączone definiują sześć sektorów przełączania na obrót elektryczny.

• Kontroler przełącza fazy silnika przy każdej zmianie stanu, co wystarcza do utrzymania stabilnego momentu obrotowego i płynnej prędkości przy umiarkowanych obrotach.

Zalety :

• Rozwiązanie ekonomiczne i bardzo niezawodne.

• Wystarczające dla większości zastosowań trakcyjnych, siłowników lub prostych automatyzacji.

• Działa nawet przy bardzo niskich prędkościach (w przeciwieństwie do sensorless).

Ograniczenia :

• Ograniczona rozdzielczość (6 pozycji elektrycznych na obrót).

• Delikatne falowanie momentu obrotowego odczuwalne przy niskiej prędkości.

Czujniki Halla są zatem doskonałym kompromisem prostoty / solidności / kosztu dla silników zasilanych napięciem od 24 do 51,2 V w zastosowaniach mobilnych lub przemysłowych.

Enkoder (inkrementalny lub absolutny): precyzja i zaawansowana kontrola

Dla zastosowań wymagających precyzyjnej kontroli pozycji, prędkości lub ruchu, silniki są wyposażone w enkoder.

Może to być:

• enkoder inkrementalny (generujący impulsy A/B i referencję Z),

• lub enkoder absolutny, dostarczający bezpośrednio pozycję kątową wirnika.

Niektóre enkodery dostarczają sygnały sin/cos, umożliwiając bardzo dokładną interpolację pozycji, z rozdzielczością kilku tysięcy punktów na obrót.

Zalety :

• Bardzo precyzyjna kontrola momentu obrotowego, prędkości i pozycji.

• Niezbędne dla systemów zrobotyzowanych, zsynchronizowanych lub wieloosiowych.

• Umożliwia wydajne i płynne sterowanie wektorowe (FOC).

Ograniczenia :

• Wyższy koszt.

• Wymaga bardziej rygorystycznego okablowania i konfiguracji.

Ten typ sprzężenia zwrotnego jest preferowany w wysokoprecyzyjnych siłownikach elektrycznych, osiach maszyn lub robotach rolniczych, gdzie powtarzalność ruchu jest kluczowa.

Sensorless: sterowanie bez czujników

Możliwe jest również sterowanie silnikiem BLDC bez fizycznych czujników.

Kontroler szacuje wtedy pozycję wirnika mierząc siłę przeciwelektromotoryczną (back-EMF) generowaną przez uzwojenia w momencie przełączania.

Zalety :

• Zmniejszenie kosztów i złożoności silnika (brak czujników).

• Zwiększona niezawodność w trudnych warunkach (kurz, wibracje).

Ograniczenia :

• Nieskuteczne przy bardzo niskiej prędkości lub przy rozruchu, ponieważ back-EMF jest zbyt słabe, aby mogło być mierzone.

• Mniej wytrzymałe przy dużych momentach obrotowych lub szybkich zmianach obciążenia.

Rozwiązania sensorless są odpowiednie do zastosowań, w których silnik działa głównie ze stałą prędkością, a rozruch wspomagany (mechaniczny lub programowy) jest możliwy.

Porównanie syntetyczne

Podsumowanie

Wybór typu czujnika zależy od oczekiwanego poziomu wydajności:

• Dla solidnego i ekonomicznego sterowania → czujniki Halla.

• Dla precyzyjnej i zsynchronizowanej kontroli → enkoder.

• Dla minimalnych kosztów i stabilnych prędkości → sensorless.

Sprzężenie zwrotne pozycji jest kluczowym elementem sterowania silnikiem, zapewniającym zarówno wydajność, bezpieczeństwo, jak i trwałość systemu.

*: Informacje techniczne przedstawione w tym artykule mają charakter orientacyjny. Nie zastępują oficjalnych instrukcji producentów. Przed instalacją, obsługą lub użytkowaniem należy zapoznać się z dokumentacją produktu i przestrzegać zaleceń bezpieczeństwa. Strona Torque.works nie ponosi odpowiedzialności za niewłaściwe użycie lub błędną interpretację dostarczonych informacji.