Borstelloze gelijkstroommotoren, (Brushless DC motors), of BLDC’s, hebben veel nieuwe toepassingen mogelijk gemaakt, van drones tot elektrische scooter en elektrische auto’s. Maar, in tegenstelling tot gelijkstroommotoren met (kool)borstels, is het aansturen in een toepassing best lastig. Hoe wordt een BLDC motor gecommuteerd?
Bijna iedereen heeft weleens een kleine gelijkstroommotor aangestuurd. Er hoeft alleen een spanningsbron zoals bijvoorbeeld een batterij op aangesloten te worden en de motor komt tot leven. Met een regelbare voeding kunt u de snelheid eenvoudig regelen door de spanning te variëren. De constructie van een borstelloze gelijkstroommotor (BLDC) laat aansturing vanuit een eenvoudige voedingsbron niet toe.
Gelijkstroommotoren – in het Nederlands de standaard benaming voor een niet borstelloze motor – zijn zo eenvoudig aan te sturen omdat het commuteren mechanisch, intern in de motor, geregeld wordt. De plaats van de koolborstels ten opzichte van de commutator zorgt ervoor dat de juiste spoelen in het anker op het juiste moment van stroom voorzien worden ten opzicht van het magnetisch veld dat opgewekt wordt door de permanente magneten in de stator magnetic field generated by the permanent magnets.
Daarentegen is bij BLDC motoren elektronisch commuteren nodig. De aansluitingen van elke spoel zijn buiten de behuizing van de motor gebracht en de ontwerper is verantwoordelijk voor aansturen ervan in de juiste volgorde.
Inschrijven
Schrijf u in voor tag alert e-mails over BLDC-motor!
Opbouw van de Motor
Voor we over de elektrische aansturing beginnen is het nodig de mechanische constructie van een BLDC motor te begrijpen. Een BLDC motor heeft meestal drie aansluitdraden, vaak aangeduid met U, V en W. De permanente magneten zijn aan de rotor gekoppeld, de spoelen de stator vormen en gekoppeld zijn aan het huis van de motor.
Een enkelpolige BLDC motor en de bijpassende Wye, Y, of ster configuratie van de spoelen. (Bron: Monolithic Power)
Een belangrijke eigenschap van een BLDC motorontwerp is het aantal noord/zuid polen in de rotor, meestal aangeduid als het aantal poolparen. De meeste motoren hebben twee poolparen (vier polen), maar het kunnen er ook meer zijn: drie of vier, of minder: één (twee polen). Minder poolparen maken een hoger maximum toerental mogelijk, maar het koppel bij lage snelheden is lager dan dat van een motor met meer poolparen. Meer poolparen geven meer koppel bij lagere snelheden, en een lager maximum toerental bij vergelijkbare grootte van de motoren.
Een BLDC motor met twee poolparen (vier polen). (Bron: Monolithic Power)
In de documentatie wordt beschreven hoe de statorwindingen zijn aangesloten: Wye, Y, or star configuratie, allen benamingen voor dezelfde configuratie. In sommige gevallen is een vierde aansluiting naar buiten uitgevoerd, namelijk het gemeenschappelijke knooppunt van de drie spoelen. Deze aansluiting wordt in sommige besturingen gebruikt maar tijdens gebruik ligt de spanning erop precies tussen de spanningen over de twee aangestuurde fases en kan hij normaal gewoon los blijven.
Er zijn vele variaties in de opbouw van BLDC motoren toegespitst op specifieke toepassingen. Voor drones en modelvliegtuigen zijn bijvoorbeeld de zogenaamde outrunner modellen populair. Bij deze types zit de stator binnenin de motor en draait de rotor met zijn permanente magneten buitenom de stator. Dat resulteert in een betere koeling en de grotere massatraagheid draagt bij aan het gelijkmatig draaien van de motor. Ondanks deze verschillen in constructie blijft de aansturing gelijk.
Bij outrunner BLDC motoren zitten de permanente magneten van de rotor aan de buitenzijde, en de statorspoelen binnenin. Dergelijke motoren zijn populair in drones en op afstand bestuurbare vliegtuigen.
Het is goed om te weten dat er talloze ontwerpen en materialen gebruikt worden voor BLDC motoren, het bovenstaande moet daarom enkel als voorbeeld ter verduidelijking van de werking gezien worden. Producenten van kwaliteitsmotoren hebben op hun website een veelheid aan informatie over zaken als moment, maximaal toerental, aantal poolparen en gegevens zoals afmetingen en mechanisch en elektrisch vermogen.
Commuteren van de Motor
Omdat de rotor het deel met de permanente magneten is, moet de ontwerper met de besturing een roterend magnetisch veld opwekken dat de rotor zal moeten volgen. Dat betekent dat de statorspoelen aangestuurd moeten worden in de juiste volgorde. Elke statorspoel wordt afwisselend noordpool en zuidpool. Met drie statorspoelen betekent dat dat we in totaal zes stappen moeten doorlopen om een commutatorcyclus te doorlopen.
De rotor (midden) volgt het magnetisch veld dat door de statorspoelen U, V en W opgewekt wordt in zes stappen. Rood is een noordpool, blauw is zuid.
Elektrisch gezien wordt in elke fase één spoel met de voedingsspanning verbonden en één met de nul terwijl de derde blijft zweven.
De stromen door de BLDC motor in Wye configuratie lopen zoals weergegeven in deze figuur (links), in het rechterdiagram is weergegeven in welke fase de spoelen aangestuurd worden met hoog, laag of zwevend blijven (high, low, float). Merk ook het verschil tussen mechanische en elektrische rotatie op in de figuur.
Om dit te bewerkstelligen wordt een driefasen brugschakeling gebruikt. Opgebouwd uit zes MOSFETs, die aangestuurd worden door een microcontroller of een geïntegreerde BLDC motor driver. Net als bij de Hbrug die gebruikt wordt om gelijkstroommotoren met koolborstels aan te sturen is ook hier het risico van kortsluiting aanwezig. Daarom moet er bij het schrijven van software voor een microcontroller altijd op gelet worden dat beide MOSFETS in de takken van de brug nooit tegelijk aangestuurd mogen worden.
Omdat de spoelen een lage Ohmse weerstand hebben, ontstaat er risico als een spoel langere tijd bekrachtigd wordt. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren als een debugger gebruikt wordt bij een microcontroller en het programma bereikt een breakpoint. Microcontrollers die specifiek voor BLDC motor toepassingen geschikt zijn kunnen daarom de I/O pinnen uitschakelen zodra de debugger de microcontroller stilzet.
Dit vereenvoudigde schema laat zien hoe de fasen van de BLDC motor worden aangestuurd met een driefasen brug. De getekende schakelaars worden meestal geïmplementeerd met MOSFETs of IGBTs.
Helaas wordt het allemaal nog iets ingewikkelder. Eén elektrische omwenteling volgens de beschreven zes stappen komt niet altijd overeen met één mechanische omwenteling! Mechanische en elektrische rotatie zijn alleen gelijk als de motor een enkel poolpaar heeft zoals in het diagram hierboven. Een elektrische omwenteling komt overeen met een halve mechanische bij een motor met twee poolparen. Bij vier poolparen blijft er nog maar 90°over. Het is belangrijk om zich dit te realiseren bij het ontwikkelen van software. In de eerste plaats moet u rekening houden met dit verschil als de software de snelheid van de motor bijhoudt in TPM (toeren per minuut).
Een andere afweging is de processor belasting. Bij een motor met één poolpaar zijn bij 100 TPM 600 ms (60 seconden ÷ 100) beschikbaar om de benodigde code voor een omwenteling uit te voeren. Bij een motor met vier poolparen is voor diezelfde code slechts 150 ms (een kwart) beschikbaar. Bij 1000 TPM is dat respectievelijk nog 60 ms en 15 ms.
Als er code voor snelheidsregeling in het spel is (vaak een PID controller), kan de processorbelasting flink oplopen en zelfs het maximum toerental limiteren. Om die reden bieden microcontroller verkopers motor controllers aan, die een deel van deze complexiteit in speciale hardware uitvoeren.
Inschrijven
Schrijf u in voor tag alert e-mails over motor control!
De Juiste Volgorde en de Juiste Timing - Rotor Positie Sensors
Maar welke statorspoelen schakelt u in bij de start? Er is een één op zes kans om goed te gokken. Om dit op te lossen bieden veel motoren een rotorsensor of een voorziening om deze later te monteren. Een goedkope oplossing zijn Hall sensors, die gewoonlijk een resolutie van 60° of beter bieden (360° ÷ 6 bij een motor met één poolpaar). Aan de top van het prijsspectrum vinden we resolvers, een analoge hoek sensor die een nauwkeurigheid van minder dan een graad kan opleveren. Uw microcontroller of geïntegreerde BLDC driver kan deze sensoren uitlezen zodat de rotorstand bekend is voordat het eerste paar spoelen aangestuurd wordt.
Drie Hall sensors, H1, H2, en H3, geïntegreerd in een kleine BLDC motor.
Het voordeel van het weten van de rotorstand voordat de spoelen bekrachtigd worden is dat het voorkomt dat de rotor zich bij het inschakelen met een schok uitlijnt met het magnetisch veld. De positie van de rotor weten is nuttig om als de motor draait de juiste spoelparen op het juiste moment te bekrachtigen. Door terugkoppeling van het sensorsignaal aan het besturingsalgoritme kan de snelheid constant gehouden worden bij wisselende belastingen.
BLDC Motorsnelheid regelen
Nu de rotorpositie bekend is en we de juiste spoelparen op het juiste moment kunnen aansturen is de volgende stap het regelen van de snelheid van de motor. Dit gebeurt net als bij een conventionele DC motor: door de spanning te variëren.
Terugverwijzend naar de driefase brugschakeling, zijn de drie bovenste MOSFETs meestal verbonden met microcontroller pinnen die een pulsbreedte gemoduleerd (pulse width modulation of PWM) signaal kunnen produceren. Met een lage aan-uit verhouding is de effectieve spanning op de statorspoelen laag. Dit resulteert in een laag toerental, en door gebruik te maken van de feedback van de Hall sensoren kan de microcontroller zijn uitgangen in het juiste tempo aansturen om de snelheid van de commutatie cyclus aan te passen. Bij hogere spanningen zal de rotor sneller draaien en kan de processor het tempo van de zes commutatie stappen daarop aanpassen.
Maar: door een zwaardere belasting op de rotor zal deze vertragen tenzij een regelalgoritme (PID) wordt toegepast.
PWM, gebruikt op de bovenkant van de driefasen brug en synchroon met gewenste commutatie maakt snelheidsregeling mogelijk.
Geavanceerde BLDC besturing
Zoals alles in elektronica, een besturing kan altijd beter mits het lukt om de complexiteit te beheersen. Een sensor op de rotor maakt bijvoorbeeld de motor groter, duurder, en introduceert een foutkans.
In plaats daarvan kan ook de tegen-EMK van de motor gemeten worden door een analoog-digitaal converter (ADC) die de spanning op de niet- of ground (0 V) aangestuurde aansluitingen meet. Analoge en digitale filters zijn nodig om ruis en storing in deze signalen te onderdrukken, wat weer extra belasting voor de processor oplevert. Een probleem bij deze oplossing is dat een stilstaande rotor geen tegen-EMK levert waardoor het lastig is de rotorpositie bij stilstand te bepalen, al zijn er vernuftige manieren en algoritmes die dit kunnen oplossen.
Het is mogelijk de motor sneller te laten draaien dan waar deze voor gespecificeerd is. Configureer de commutatiesoftware om de volgende stap iets eerder te maken dan gepland: wees de volgende stap iets voor. Door deze in de documentatie “phase advance” genoemde methode, kunnen motors meer dan het dubbele toerental halen van het maximale gespecificeerd in de datasheet, maar het gaat ten koste van koppel en rendement.
Door de volgende commutatiestap een paar graden vervroegen, bekend als phase advance, kan het toerental hoger worden dan de datasheet aangeeft. De prijs is een lager koppel en een lager rendement.
BLDC motoren die door een zes-stappen commutatie gestuurd worden hebben last van torque ripple, trillingen als gevolg van kleine variaties in de draaisnelheid van de rotor. Door een slimme constructie wordt dit effect beperkt maar in gevoelige systemen of als de geluidproductie minimaal moet zijn van belang. Als uw processor capabel genoeg is kunnen de PWM uitgangen zodanig gestuurd worden dat deze sinusvormige signalen produceren in plaats van een variabele gelijkspanning. De amplitude van de sinus bepaalt de motorsnelheid en als deze oploopt zal de frequentie van de sinus mee omhoog moeten.
BLDC Motor Control IC’s
De juiste IC’s vinden om BLDC motoren aan te sturen kan verwarrend zijn, omdat er nogal wat aanbieders zijn die vergelijkbare producten leveren. Leveranciers als Microchip en Infineon bieden microcontrollers aan die speciaal geschikt zijn om motoren aan te sturen. Deze worden dikwijls ondersteund door stroom-, hoek- en positiesensors. Anderen richten zich op de koppeling tussen de microcontroller en de driefasen brug. De gebruikte MOSFETs hebben vaak behoorlijk wat vermogen nodig om hun gates aan te sturen, waarvoor leveranciers als Elmos, Toshiba, en Monolithic Power (MPS) speciale drivers aanbieden, vaak voorzien van kortsluitbeveiliging, dead time control, en zelfs spanningsregelaars om de microcontroller en andere elektronica te voeden.
Infineon's MOTIX motor control kit bevat motorbesturing, hoek- en Hall sensors voor een snelle start in de wereld van BLDC motoren. (Bron: Infineon)
Completer oplossingen zijn beschikbaar bij leveranciers zoals Melexis. Volledig geïntegreerd bieden deze IC’s motor besturing zonder extra sensoren en komen met diverse tools om de besturing af te stemmen op de gekozen. Als laatste bieden bedrijven als Enclustra FPGA IP (intellectual property) voor motor besturing. Gecombineerd met Xilinx of Altera FPGA’s biedt dit een uitzonderlijk hoge mate van controle en vergemakkelijkt het de ondersteuning voor een breed scala motor toepassingen omdat de mogelijkheden niet meer beperkt worden door de processor.
