Egy BLDC motorvezérlő jellemzően Hall-szenzorokkal érzékeli a forgórész pozícióját, és ismeri fel a kommutálás (áramirány-változtatás) szükségességét. Ezek a szenzorok egyrészt költségnövelő tényezők, másrészt pedig hibaforrások is egyben. A jó hír azonban az, hogy fejlett vezérlési algoritmusokkal és nagy tudású vezérlővel lehetséges a szenzorok teljes kiiktatása a rendszerből. A múltban ehhez drága vezérlőkre, a szenzormentes algoritmus kifejlesztésére és a prototípus megépítésére igencsak drága hardver vált szükségessé.
A Microchip megváltoztatta ezeket a korlátozó feltételeket a rendkívül olcsó, dsPIC33FJ16MC102 típusnevű digitális jelvezérlő (DSC) és a legújabb motorvezérlési fejlesztőkit (MCSK) termékei bemutatásával. A cég felismerte, hogy az új technológiák elsajátításának leghatékonyabb módja a vele való munkavégzés, ennek megfelelően a BLDC motorok vezérlésének elsajátítása a legcélszerűbben egy BLDC motorral történő kísérletezéssel történhet, az MCSK pedig éppen ezt a célt szolgálja, hiszen tartalmaz mindent, amely ahhoz szükséges, hogy a fejlesztő elkezdhessen foglalkozni, kísérletezni BLDC motorral, beleértve a motort magát is. A fejlesztőkártyát egyetlen, 9 V feszültségű tápegységgel életre lehet kelteni, az integrált, USB-s programozó/hibavadász pedig egyszerűen csatlakoztatható az MPLAB IDE fejlesztőkörnyezethez. A kártya egy közönséges, háromfázisú, diszkrét meghajtó áramkört tartalmaz, a fontos jelek megtekintését pedig mérőpontokkal segíti elő, amelyek egyszerű hozzáférést biztosítanak a motor fázisfeszültségeihez és az alsó és felső oldali PWM-jelekhez is.
1. ábra. Microchip MCSK (cikkszám: DM330015) szenzormentes BLDC motorok költséghatékony fejlesztéséreA kit újdonsága a dsPIC33FJ16MC102 típusnevű dsPIC áramkör, amely kapacitív érintésérzékelést támogat, és rögtön ki is lehet használni a fejlesztőkitre integrált, kapacitív csúszkával, amely a motorsebesség szabályozására hivatott.
A kiváló hardver a szoftver és támogató erőforrások nélkül természetesen félkarú óriás csupán, ezért az MCSK tartalmaz alkalmazási jegyzetet is a szenzormentes BLDC motorok működtetésére, valamint forráskódot is kínál erre a célra és a kapacitív érintésérzékelésre is. A motormeghajtó hardverrel, motorvezérlő szoftverrel, programozóval és a magára a kártyára épített BLDC motorral az MCSK valódi, all-in-one fejlesztőplatform a szenzormentes BLDC motoros alkalmazásfejlesztők számára.
A BLDC motorok szenzor nélküli vezérléséhez elengedhetetlen magának a motornak és működésének a pontos ismerete. A BLDC motorokban három fázis van, amelyek különböző tekercseléseket gerjesztenek a motoron belül. A forgórészen lévő állandó mágnes a gerjesztett fázisnak megfelelően áll be. A fázisok adott sorrendben történő be- és kikapcsolásával érhető el, hogy a forgórész mozgásba lendüljön, és ez az a pont, amelynél a szenzorok a képbe kerülnek. A BLDC motoron elhelyezett szenzorok megmutatják a kontrollernek a rotor pozícióját, ezzel pedig egyben azt is, hogy mely fázist kell be-, ill. lekapcsolni. Egy szenzormentes rendszerben a vezérlő az ellenelektromos erőt méri a gerjesztetlen fázisokon, és ezen információ alapján határozza meg, mely fázist kell fel-, és ill. lekapcsolni. Az egyik fázis ellenelektromos ereje egy BLDC motorban egy trapéz alakú hullámformával jellemezhető, amelynek pozitív és negatív csúcsai a Vbus+, ill. Vbus-. A három fázis egymáshoz képest 120 fokot zár be, és a motor forgása közben közülük mindig csupán kettő gerjesztett.
2. ábra. Fázisok be- és kikapcsolása, kommutálás BLDC motornálAmikor az egyik motorfázis keresztezi a zérus pontot a Vbus+ és a Vbus- között, a kontrollernek kommutálnia kell, vagyis állítania, hogy mely fázis van be-, ill. kikapcsolva. Ez közvetlenül utal a forgórész pozíciójára, tehát akárcsak egy szenzorral, a kontroller ilyenkor is pontosan tudja, hogy mikor kell kommutálnia (lásd 2. ábra).
A szenzor használatának kiküszöböléséhez a kontrollernek mérnie kell az ellenelektromos erőt minden fázison, hogy érzékelni tudja a nullpontátlépést, és tudja, hogy mikor kerüljön sor a kommutálásra. Mivel az ellenelektromos erő a motor forgási sebességével változik, a szenzormentes vezérlés alacsony motorsebesség esetén, amikor ez az erő igen kicsi, nem működik jól. Egy olyan korszerű digitális jelvezérlő áramkör, mint a kitben is dolgozó dsPIC, rendkívül pontos A/D-átalakítóval rendelkezik az ellenelektromos erők nagyon pontos mérésére a fázisokon. Az ellenelektromoserő-jelek pontos szűrésére is szükség van ahhoz, hogy ne legyen zavaró a fáziskapcsolások hatása, és ezzel ne érzékeljen a rendszer fals nullpont-átlépést. Az áramkörben egy többségi érzékelésen alapuló algoritmus működik, a digitális szűrő pedig pontosan olvassa vissza az ellenelektromoserő-jeleket. A minden fázison pontosan mintavételezett ellenelektromoserő-jelekkel az áramkör pontosan érzékeli a zéruspontátlépéseket, és képes a motort kommutálni. A Microchip AN1160 számú alkalmazási jegyzete (amelyet az MCSK is tartalmaz) pontosan leírja a BLDC-k és a szenzormentes vezérlőalgoritmus működését.
Egy további motorvezérlő algoritmus szenzormentes kialakításban az ún. FOC2, amely a motor jellemzőinek pontos ismeretében, egy sor matematikai transzformáció útján ad becslést a forgórész szögére, és állapítja meg a kommutálás szükségességét. Az FOC hatékonyabbá teheti a motor működését, és kedvezőbb nyomatékgörbék érhető el vele, azonban sokkal összetettebb algoritmusokat használ, és drágább, nagyobb számítási teljesítményű dsPIC vezérlőre van szükség, ha ezt szeretnénk használni. A BLDC motoros alkalmazások többségében az ellenelektromoserő-jelek alapján működő vezérlés használata a racionálisabb döntés.
A szenzormentes BLDC motorvezérlés használata egyszerűbb felépítésű áramköri kártyákat támogat, és nagyobb megbízhatóságú, olcsóbb rendszerek építését teszi lehetővé. A Microchip MCSK jelenleg egyedi megoldás a piacon ilyen fejlesztési célokra. A kártyára integrált motor lényegében a fejlesztés azonnali megkezdését teszi lehetővé, a tápfeszültség- és PC-csatlakoztatást lehetővé tevő USB-s összeköttetésen kívül másra gyakorlatilag nincs is szükség. A fejlesztőkiten futó vezérlőszoftver standard BLDC-vezérlési módszertanokra épül, így kiváló alapja egy valódi, BLDC motoros rendszer fejlesztésének. A legfontosabb jelekhez kivezetett, dedikált tesztpontok jelentősen megkönnyítik a fejlesztést és kísérletezgetést, az integrált, érintésérzékeny csúszka pedig egy ilyen kezelőszerv egyszerű beépítését teszi lehetővé a kész rendszerbe. A dsPIC33FJ16MC102 vezérlő 16 MIPS feldolgozási teljesítménye és rendkívül kedvező ára kiváló alapot ad egy olcsó, BLDC motoros alkalmazás fejlesztéséhez.
1: BLDC: Brushless DC
2: Field Oriented Control
