Podrobné vysvetlenie ovládača motora bez kefy (ESC)

 

Pri diskusiiBrushless DC Motors (BLDC), často sa zameriavame na jeho rýchlosť, krútiaci moment, hustotu výkonu a ďalšie hardvérové ​​parametre, ale majú tendenciu prehliadať rovnako kritický komponent - ovládač motora bez kefy (elektronický ovládač rýchlosti, skrátený), známy tiež ako elektronický ovládač rýchlosti.

 

V skutočnosti, či je možné výkon bez kefy bez kefiek, závisí od ovládača, ktorý je vybavený. Dá sa povedať, že ESC nie je len mozog motora, ale aj určujúci faktor účinnosti odozvy a stabilitu celého systému.

1. Základná definícia ESC: „mozog", ktorý riadi rýchlosť motora

ESC je elektronický obvodový modul špeciálne navrhnutý pre bezbrusové motory. Jeho hlavnou úlohou je prijímať signály z hlavnej riadiacej dosky, diaľkového ovládača alebo hostiteľského počítača a previesť ich na napätie hnacieho napätia a komutácie pre trojfázové vinutie motora, čím sa dosiahne presné ovládanie rýchlosti motora, smeru a štartu\/brzdu.

 

Je pripojený medzi napájanie, motorový motor a hlavný riadiaci systém, pôsobí ako most, upravuje energetický výstup a režim komutácie v reálnom čase a je nevyhnutnou súčasťou kefy bez kefiek.

 

2. ESC jadrové funkčné moduly

• Zrelý ESC môže nielen dokončiť základné spustenie a prevádzku motora, ale tiež integruje rôzne kľúčové funkčné moduly vrátane:
• Trojfázová kontrola komutácie: Podľa signálu spätnej väzby z haly alebo spätnej väzby zadku je určená poloha rotora na dosiahnutie efektívnej komutácie;
• Regulácia rýchlosti: Upravte frekvenciu pohonu a pracovný cyklus podľa vstupných signálov, ako je PWM\/Analog\/UART;
• Ochrana prúdu a napätia: detekcia prúdu motora a napätia batérie, aby sa predišlo rizikám nadprúdového, podvzdušňovacieho a skratového obvodu;
• Štart-Stop a Braking Logic: Podporte mäkký štart, rýchle brzdenie, spätné a ďalšie kontrolné stratégie;
• Funkcia spätnej väzby stavu: High-end ESC môže poskytnúť spätnú väzbu o rýchlosti, teplote, teplote a ďalších parametroch v reálnom čase, aby sa uľahčila tvorba riadiaceho systému s uzavretou slučkou.

 

3. Prečo ovládač motora určuje hornú hranicu výkonu motora?

Môžete sa opýtať: nie je motor základným hardvérom? Je ovládač skutočne taký dôležitý?

To je isté. Riadiaci algoritmus a presnosť odozvy ESC priamo určujú, či motor beží „inteligentne" a „hladko". Jednoducho povedané:

• Ak riadiaci algoritmus nie je presný, rýchlosť je náchylná na kolísanie a účinnosť je nízka;
• Ak hnacia frekvencia nie je vysoká, motor vytvorí väčší hluk a mechanické napätie;
• Ak algoritmy vysokého poriadku, ako je FOC, nie sú podporované, je pre motor ťažké dosiahnuť vysoko presný riadenie krútiaceho momentu\/polohy.

Inými slovami, výkon toho istého motora bez kefiek sa môže pri riadení rôznych ovládačov značne líšiť.

Preto v situáciách s vysokým dopytom, ako sú letecké roboty, roboty a lekárske vybavenie, výber a ladenie ovládačov zaberá pri vývoji systému veľa energie.

-- Analýza troch spoločných metód riadenia

Kľúčom k ovládaniu kefy bez kefy (BLDC) je to, ako ho „riadiť" a správne otáčať. Pretože samotný motor bez kefy nemá kefy a komutátory, musí sa spoliehať na externý ovládač (ESC), aby sa presne poskytol trojfázovú sekvenciu energie cievok podľa polohy rotora. Tento proces sa nazýva elektronická komutácia.

 

Rôzne riadiace metódy ovplyvnia účinnosť, hluk, plynulosť a rýchlosť odozvy motora. V súčasnosti existujú tri metódy riadenia motora bez kefy: šesťstupňové riadenie štvorcových vĺn, regulácia sínusových vĺn a regulácia orientovaná na pole (FOC). Pozrime sa na ne jeden po druhom.

 

1. Šesťstupňová kontrola štvorcových vĺn: ekonomická, praktická, rýchla reakcia

Šesťstupňová kontrola štvorcových vĺn (tiež nazývaná regulácia lichobežnej vlny alebo regulácia pasce) je v súčasnosti najbežnejšou a najnižšou metódou riadenia nákladov a široko sa používa v elektrických náradiach, robotoch, chladiacich ventilátoroch a iných produktoch.

 

Princíp:

V jednom elektrickom cykle regulátor rozdeľuje trojfázové vinutie motora do šiestich stavov v pevnej sekvencii a cirkuluje napájanie (dve fázy sú zapnuté a jedna fáza je zakaždým odpojená), čím sa vytvorí jednoduché rotujúce magnetické pole, čím sa pohybuje rotor, aby sa pohyboval.

 

výhoda:

• Algoritmus je jednoduchý a má nízke hardvérové ​​požiadavky
• Rýchla reakcia, vhodná na scenáre okamžitého zrýchlenia\/spomalenia
• Nízke náklady, vhodné pre rozsiahle spotrebiteľské aplikácie

 

nedostatok:

• Pri prepínaní fáz sa prúd náhle zmení, čo sa dá ľahko generovať elektromagnetický hluk a vibrácie
• Účinnosť nie je taká dobrá ako regulácia sínusových vĺn, najmä pri nízkej rýchlosti.
• Nie je vhodné pre vybavenie s prísnymi požiadavkami na hluk a vibrácie

2. Kontrola vlny sínusov: plynulejšia a tichšia

Kontrola sínusovej vlny, ako už názov napovedá, robí trojfázový prúdový tvar vlny čo najbližšie k sínusovej vlne, ktorá môže produkovať kontinuálne a stabilnejšie rotujúce magnetické pole. Je pokročilejšia ako kontrola štvorcových vĺn a široko sa používa v zariadeniach, ktoré vyžaduje stabilitu a kontrolu hluku, ako sú zdravotnícke vybavenie, elektrické vozidlá, priemyselné ventilátory atď.

 

Princíp:

Vyhľadaním tabuľky alebo vykonávaním výpočtov v reálnom čase regulátor presne moduluje trojfázový prúd podľa polohy rotora v každom okamihu, takže tvorí sínusovú vlnu s fázovým rozdielom 120 stupňov, čím sa rotor riadi hladko otáča.

 

výhoda:

• Znížte súčasnú mutáciu počas komutácie, výrazne znížte hluk a vibrácie
• Plynulejší proces začatia, ktorý je vhodný pre aplikácie s vysokými požiadavkami na pohodlie
• Vysoká účinnosť, najmä v rozsahu strednej a nízkej rýchlosti

 

nedostatok:

• Vysoké požiadavky na reguláciu aktuálneho tvaru vlny, zvyšujúca sa zložitosť a náklady na regulátor
• Základom je presná detekcia polohy (zvyčajne vyžaduje senzor alebo kódovač haly)

3. Ovládanie FOC (riadenie orientované na pole): Prvá voľba pre vysokovýkonné systémy

FOC, tiež známa ako riadenie orientované na pole, je technológia riadenia motora špičkovej úrovne. Môže presne synchronizovať prúdové a magnetické pole, čím sa dosiahne efektívnejšie a presnejšie riadenie krútiaceho momentu. Spoločnosť FOC sa stala bežným riešením v priemyselných servoprózových systémoch, robotoch a jednotkách elektrických vozidiel.

 

Princíp:

FOC premieňa trojfázový prúd na osi D a zložky osi Q v obdĺžnikovom súradnicovom systéme prostredníctvom matematickej transformácie (Clarke & Park Transformácia) a potom nezávisle riadi krútiaci moment a excitačný prúd, aby sa dosiahla presnejšie riadenie magnetického poľa. Radič potom vygeneruje výstup signálu PWM prostredníctvom inverznej transformácie.

 

výhoda:

• Je možné dosiahnuť veľmi presné riadenie krútiaceho momentu a riadenie rýchlosti
• Rýchla odozva systému, vynikajúci dynamický výkon, plynulejší spustenie
• Súčasný priebeh je sínusový, zlepšuje účinnosť a znižuje spotrebu energie
• Môže sa používať v servoch s uzavretou slučkou v kombinácii s kódovačmi na dosiahnutie riadenia polohy

 

nedostatok:

• Algoritmus je zložitý a ovládač vyžaduje silný výkon spracovania (napríklad vysoko výkonný MCU)
• Ladenie je ťažké a počiatočné náklady na rozvoj a časové investície sú vysoké

 

Zhrnutie: Rôzne metódy kontroly sú vhodné pre rôzne scenáre aplikácie

Metóda kontroly	Funkcie	Uplatniteľné scenáre
Šesťstupňová štvorcová vlna	Jednoduchá, rýchla reakcia, nízke náklady	Drony, elektrické náradie, fanúšikovia
Ovládanie sínusov	Nízky hluk, dobrá stabilita	Lekárske vybavenie, elektrické vozidlá, domáce spotrebiče
Kontrola	Vysoká presnosť a vysoká účinnosť	Priemyselné servos, roboty, automatizačné vybavenie

 

Výber metódy správneho riadenia závisí od vašich požiadaviek na vaše aplikácie, rozpočtu a očakávaní výkonu systému. Ak hľadáte presnosť riadenia, prevádzkovú efektívnosť alebo skúsenosti s nízkym hlukom, výber metódy riadenia je ešte dôležitejší ako samotný motor.

 

Po pochopení riadiacej logiky ovládača motora bez kefy (ESC) musíme tiež pochopiť jeho vnútornú štruktúru a spôsob, akým komunikuje s externými zariadeniami. Tento obsah nie je užitočný nielen pre vývojárov produktov, ale tiež pomáha používateľom určiť, či je ovládač vhodný pre svoju aplikáciu.

 

1. Základné komponenty radiča

Aj keď na trhu existuje veľa typov bezbrusových riadiacich motorov, základná štruktúra väčšiny ESC je zhruba rovnaká, najmä vrátane nasledujúcich základných modulov:

(1) Hlavný kontrolný čip (MCU)

Hlavným riadiacim čipom je „mozog" ovládača, ktorý je zodpovedný za prijímanie pokynov, spracovanie komutačných algoritmov, modulačné výstupné signály atď. Bežné čipy zahŕňajú STM32, Ti C2000, NXP atď.

 

(2) hnací obvod

Hnací obvod je zodpovedný za zosilnenie riadiaceho signálu PWM odoslaného hlavným riadiacim čipom a v riadení zariadenia MOSFET alebo IGBT, aby sa zabezpečilo vysoké napätie trojfázového vinutia. Táto časť sa tiež nazýva „výkonová fáza".

 

(3) Modul detekcie prúdu a napätia

Používa sa na monitorovanie prúdu a napätia v reálnom čase počas prevádzky motora. Ak je prúd príliš vysoký alebo je napätie príliš nízke, ovládač môže včas podniknúť ochranné pôsobenie, aby sa zabránilo spaľovaniu alebo strate kontroly motora. Na detekciu prúdu sa všeobecne používajú senzory prúdu haly alebo rezistory skratov.

 

(4) Modul riadenia výkonu

Prevádza hlavný napätie vysokého napätia (napríklad 12 V, 24 V, 48 V atď.) Na nízke napätie (napríklad 3,3 V alebo 5V) požadované riadiacim obvodom. Zvyčajne zahŕňa komponenty, ako je konvertor DC-DC a regulátor napätia, aby sa zabezpečila stabilná prevádzka systému.

 

(5) Rozhranie signálu a ochranný obvod

Zodpovedá za komunikáciu s externými zariadeniami vrátane zadávania príkazov a signálov stavu spätnej väzby. Okrem toho je ESC často navrhnutý s ochranou na prepätie, ochranou podriadeného, ​​elektrostatickej ochrany ESD a inými obvodmi, aby sa zlepšila spoľahlivosť systému.

2. Spoločné metódy vstupu signálu a komunikačné protokoly

ESC musí určiť, ako riadiť motor na základe signálov odoslaných externými zariadeniami (napríklad hlavná riadiaca doska, diaľkové ovládanie, plc). Preto musí podporovať viac vstupných metód a komunikačných protokolov. Nasledujú súčasné bežné:

 

(1) signál PWM (najbežnejší)

• Princíp: Riadenie rýchlosti zmenou pomeru času vysokej úrovne (pracovný cyklus)
• Aplikácia: modely diaľkového ovládania, ovládacie prvky ventilátora, elektrické skateboardy atď.
• Funkcie: Ľahko použiteľné, silná kompatibilita, ale nemôžu prejsť zložité pokyny

 

(2) signál PPM (viackanálová syntéza)

• Princíp: Kombinujte viac signálov PWM do jedného riadku pre prenos, vhodné pre systém diaľkového ovládania
• Aplikácia: Multi-rotor UAV, systém diaľkového ovládania
• Funkcie: Uložte káble, vhodné pre viackanálové ovládanie

 

(3) UART sériová komunikácia

• Princíp: Prenosové pokyny a údaje (napríklad rýchlosť, režim, parametre) vo formáte textu
• Aplikácia: priemyselná automatizácia, rozvoj robotov
• Funkcie: Podporte obojsmernú komunikáciu, vhodné pre ladenie a spätnú väzbu stavu

 

(4) Can Bus (sieť oblasti radiča)

• Princíp: Viaceré zariadenia zdieľajú zbernicu a použite štruktúru rámcov na prenos pokynov a informácií o spätnej väzbe
• Aplikácia: Automobil, priemyselný robot, AGV CAR
• Vlastnosti: stabilný a spoľahlivý, silný anti-interferencia, vhodné na reguláciu viacerých uzlov v komplexných systémoch

 

(5) Komunikácia I²C

• Princíp: Štruktúra Master-Slave, dve signálne línie na dokončenie obojsmernej komunikácie
• Aplikácia: malé inteligentné zariadenia, integrované systémy senzorov
• Vlastnosti: Zaberá menej kolíkov, mierna rýchlosť prenosu, ale vzdialenosť by nemala byť príliš ďaleko

 

(6) Vstup analógového napätia

• Princíp: Nastavenie rýchlosti cez 05V alebo 03.3V analógový signál
• Aplikácia: Jednoduché priemyselné vybavenie, staré riadiace systémy
• Vlastnosti: Vhodné pre príležitosti s nízkymi požiadavkami na presnosť kontroly, ľahko integrovateľné

 

3. Trendy: inteligencia, vytváranie sietí a podpora viacerých protokolov

Modern ESC nie je len „exekútorom", ktorý vykonáva riadiace pokyny, ale má stále viac a viac schopností, ako je inteligentný úsudok, samo-nastavenie parametrov a spätná väzba prevádzkového stavu. Napríklad:

• Spätná väzba na monitorovanie stavu: Spätná väzba o rýchlosti, prúdu, napätí, teplote atď.
• Vzdialená konfigurácia: Upravte parametre PID a stratégie riadenia online prostredníctvom sériového portu alebo Can
• Kompatibilita viacerých protokolov: Jeden ESC podporuje PWM aj UART, čo uľahčuje kompatibilnú integráciu rôznych systémov

V priemyselných alebo inteligentných aplikáciách robotov sa tento typ „inteligentného" ovládača stáva hlavným prúdom.

 

-- vlastné jednotky a globálne dôveryhodné výrobné schopnosti

Ak hľadáte vysokokvalitnú výrobca motora bez kefy, VSD Motor je vaša voľba.Zameriavame sa na výskum a vývoj a výrobu Brushless DC Motors (BLDC) a sú odhodlané poskytovať stabilné a spoľahlivé elektrické riešenia pre rôzne priemyselné, robotické, lekárske vybavenie a ďalšie scenáre aplikácií.

 

Medzi naše základné schopnosti patrí:

K dispozícii sú rôzne konštrukčné možnosti: vnútorný rotor, vonkajší rotor, plochý typ a ďalšie vzory

Výrobný proces s vysokou presnosťou: automatické vinutie, nastavenie dynamického vyváženia a úplný proces kontroly a testovania

Spoľahlivá kontrola kvality: Výrobky sú certifikované CE a ROHS a podrobujú sa prísnym starnutím testov

Prispôsobená služba: veľkosť, dĺžka hriadeľa, metóda inštalácie, rozhranie káblového zväzku atď. Je možné podľa potreby upraviť

 

Výrobky VSD boli vyvážané do Európy, Severnej Ameriky, juhovýchodnej Ázie a ďalších regiónov a zákazníci ich všeobecne uznávajú. Vítame tiež spoluprácu OEM\/ODM, aby sme spoločne vyvíjali motorové výrobky vhodné pre segmentované scenáre.