Come funziona un controller per motori BLDC? PWM, commutazione e suggerimenti per la selezione

Quando il motore del raffreddatore ad aria BLDC con rotore esterno alimentato a 220 V CC entra in funzione, non si sentirà lo scatto del commutatore né si vedrà la polvere delle spazzole. Il rotore gira dolcemente e la sua velocità è regolata da un circuito elettronico compatto che si trova da qualche parte all'interno dell'attrezzatura. Quel circuito è il controller del motore BLDC. Il suo compito sembra semplice: trasformare la corrente continua in correnti trifase commutate sequenzialmente e sapere esattamente quando commutarle. Il risultato è un motore autosincrono che segue il campo dello statore senza contatti meccanici. La qualità di quel controller determina se il motore funziona in modo silenzioso, efficiente e per anni senza surriscaldarsi.

Cosa fa realmente un controller per motori BLDC

Un controller per motore BLDC esegue tre funzioni principali: avviare il motore, regolare la velocità e controllare la coppia. Accetta un comando dell'utente, come una velocità o una coppia target, rileva la posizione del rotore ed energizza la sequenza di avvolgimento corretta al momento giusto. Poiché la direzione e l'entità delle correnti nei tre avvolgimenti dello statore determinano il modo in cui si muove il rotore del magnete permanente, il controller deve sapere quale avvolgimento alimentare e quando cambiarlo.

Per un motore BLDC trifase, lo statore ha avvolgimenti trifase distanziati di 120 gradi l'uno dall'altro. Il rotore trasporta magneti permanenti. Il controller crea un campo magnetico rotante che insegue i poli del rotore. Mentre il rotore si muove, il controller fa avanzare la sequenza di commutazione in modo che il campo continui a spingere il rotore in avanti. In un motore CC con spazzole, il commutatore meccanico e le spazzole eseguono questa commutazione. In un motore BLDC, il controller lo fa elettronicamente, motivo per cui viene spesso chiamata commutazione elettronica.

Componenti principali di un controller motore BLDC

Ogni controller BLDC, dal semplice driver della ventola al servoamplificatore, è costituito da pochi blocchi essenziali. Ogni blocco deve funzionare insieme entro microsecondi:

• Microcontrollore o DSP: esegue l'algoritmo di commutazione, calcola i cicli di lavoro PWM e gestisce le condizioni di guasto.
• Gate driver: converte i segnali logici a bassa tensione provenienti dal microcontrollore in tensioni di gate ad alta tensione che accendono e spengono gli interruttori di alimentazione.
• Stadio di potenza (MOSFET o IGBT): costituisce il ponte inverter trifase che commuta la corrente del motore principale.
• Sensore di posizione: sensori a effetto Hall, un codificatore o un circuito di rilevamento BEMF che indica al controller dove si trova il rotore.
• Sensori di corrente: misurano la corrente di fase per il controllo della coppia e la protezione da sovracorrente.
• Alimentazione: fornisce tensione CC pulita ai circuiti di controllo e ai sensori.

L'intero assieme forma un circuito chiuso in tempo reale. Il microcontrollore legge la posizione del rotore e il feedback corrente molte volte al secondo e aggiorna lo stato di commutazione successivo. Senza feedback di posizione o corrente, un controller può funzionare solo in modalità ad anello aperto, il che porta a scarsa efficienza, mancata commutazione e possibili danni.

Come viene rilevata la posizione del rotore

Il rilevamento della posizione del rotore è il fondamento del controllo BLDC. Il controller deve sapere dove si trova il rotore magnetico prima di poter passare alla fase successiva. Esistono due metodi tradizionali.

Il primo utilizza sensori ad effetto Hall. Tre sensori Hall sono posizionati a 120 gradi elettrici di distanza sullo statore. Mentre i poli del rotore li superano, i sensori producono modelli digitali alto/basso che indicano al microcontrollore in quale dei sei settori si trova attualmente il rotore. Questo metodo è semplice, robusto e ampiamente utilizzato nelle apparecchiature industriali a basso costo. Lo svantaggio è il cablaggio aggiuntivo del sensore e la sensibilità alla temperatura e alle interferenze magnetiche.

Il secondo metodo è il controllo senza sensori. Rileva i passaggi per lo zero della forza controelettromotrice (BEMF) nell'avvolgimento di fase non eccitato. Mentre il rotore gira, ciascun avvolgimento genera un campo elettromagnetico indotto. Il punto in cui questa FEM cambia polarità indica un allineamento noto del rotore. Rilevando questi passaggi per lo zero, il controller può calcolare il successivo punto di commutazione. Il controllo senza sensori consente di risparmiare sui costi di cablaggio e componenti, ma a velocità molto basse il BEMF è troppo debole per essere misurato, quindi il motore necessita di una routine di avvio per avviarlo prima di passare al funzionamento ad anello chiuso.

Per le apparecchiature di ventilazione e raffreddamento, compresi i motori di raffreddamento ad aria BLDC a rotore esterno, la velocità operativa è generalmente sufficientemente elevata per il controllo senza sensori. Tuttavia, le applicazioni che richiedono un posizionamento preciso a bassa velocità preferiscono i sensori Hall.

Commutazione: Sei passi e FOC

Una volta nota la posizione del rotore, il controller decide quale schema di commutazione applicare. Il metodo più semplice è la commutazione a sei fasi, detta anche commutazione trapezoidale o a blocchi. Divide ogni ciclo elettrico in sei settori. In ciascun settore vengono alimentati due avvolgimenti mentre il terzo viene lasciato flottante. La corrente scorre attraverso un avvolgimento verso il centro e fuori dall'altro, creando un vettore magnetico che avanza gradualmente. Questo approccio è facile da implementare in un microcontrollore e utilizza la semplice logica del sensore Hall.

La limitazione è che la forma d'onda della corrente è rettangolare, il che produce un'ondulazione della coppia. A velocità inferiori, l'ondulazione può tradursi in rumore udibile e vibrazione meccanica.

Il controllo ad orientamento di campo, o FOC, è più avanzato. Trasforma le correnti trifase in un sistema di coordinate d-q rotante, in cui l'asse d si allinea con il flusso magnetico del rotore e l'asse q controlla la coppia. Regolando la corrente in questo sistema di riferimento, il motore si comporta come una macchina CC ad eccitazione separata. Il FOC produce correnti di fase quasi sinusoidali, che producono una coppia uniforme su tutta la gamma di velocità. Il costo è rappresentato da uno sforzo computazionale più elevato, da un microcontrollore veloce e da un rilevamento della corrente più complesso.

Per i motori BLDC con raffreddatore ad aria a rotore esterno di grandi dimensioni, spesso sono sufficienti sei fasi. Ma quando l'obiettivo di progettazione è la bassa rumorosità e un ampio intervallo di velocità, un controller FOC diventa la scelta migliore, soprattutto a livelli di potenza più elevati.

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Controllo di corrente e coppia PWM

Dopo aver scelto la sequenza di commutazione, il controller deve regolare la tensione e la corrente. La maggior parte dei controller utilizza la modulazione di larghezza di impulso (PWM). In PWM, gli interruttori di alimentazione vengono accesi e spenti a una frequenza fissa, spesso compresa tra 10 kHz e 30 kHz. Modificando il rapporto di tempo di attivazione, o ciclo di lavoro, il controller imposta la tensione media applicata agli avvolgimenti. Un ciclo di lavoro del 50% significa che lo switch è acceso per metà del tempo in ciascun periodo PWM, producendo circa la metà della tensione del bus.

Per il controllo della coppia, la corrente è la variabile più importante. In un motore BLDC, la coppia sviluppata è proporzionale alla corrente di fase, almeno al di sotto della saturazione magnetica. Il controller misura la corrente utilizzando un resistore di shunt o un trasformatore di corrente, la confronta con un valore di riferimento e regola il ciclo di lavoro PWM per forzare la corrente effettiva a seguire il riferimento. Questo è un circuito di feedback corrente ed è ciò che conferisce al motore la sua rigidità e reattività.

Robuste funzionalità di protezione dovrebbero far parte di qualsiasi controller serio. La protezione da sovracorrente, lo spegnimento per sovratemperatura, il blocco per sottotensione e il rilevamento dello stallo prevengono guasti prematuri. Per gli acquirenti che confrontano i controller, la presenza di queste protezioni è importante quanto la potenza nominale.

Abbinamento di un controller a un motore del ventilatore BLDC

Abbinare un controller a un motore non è solo una questione di classe di tensione. La tensione del bus, la corrente di fase di picco, la costante EMF posteriore, la fasatura del sensore Hall, l'intervallo di velocità e il profilo della coppia di carico devono essere tutti compatibili.

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Un altro punto pratico è la progettazione termica. Un controller che funziona in un involucro caldo ridurrà la sua uscita. Se il motore del raffreddatore d'aria è installato in un ambiente stretto e pieno di polvere, la scheda del controller deve avere un rivestimento conforme e il suo stadio di potenza deve avere un'area di rame sufficiente o un flusso d'aria forzato. Queste scelte influiscono sul costo totale e sull'affidabilità del sistema. Per i produttori di apparecchiature per il trattamento dell'aria, il confronto tra la protezione del controller e le curve di declassamento è una parte essenziale della valutazione del fornitore. Abbiamo più dettagli su applicazioni di ventilatori industriali che può aiutarti a inquadrare tali requisiti.

Considerazioni pratiche sulle ventole e sulle apparecchiature di raffreddamento

Le ventole e le apparecchiature di raffreddamento impongono requisiti speciali al controllo dei motori BLDC. A differenza di un carico a coppia costante, una ventola è un carico a coppia quadratica: la coppia aumenta con il quadrato della velocità e la potenza aumenta con il cubo. Ciò significa che il controller deve gestire un carico molto leggero a bassa velocità e un carico in forte aumento ad alta velocità. Un controller ottimizzato per un servomotore potrebbe non gestire bene questa caratteristica.

Inoltre, molti ventilatori utilizzano motori a rotore esterno, dove il rotore è il guscio esterno e lo statore è all'interno. Il motore è spesso integrato direttamente nella girante del ventilatore, lasciando uno spazio limitato per il controller. In alcuni prodotti, il controller è integrato nella morsettiera del motore o addirittura montato su una scheda elettronica separata all'interno dell'alloggiamento del ventilatore. Questa integrazione influisce sulla modalità di dissipazione del calore e sulla protezione del controller da umidità e polvere.

Per i ventilatori EC, il controller è parte integrante del gruppo motore. La ventola assorbe la tensione di linea CA, la rettifica in CC e quindi utilizza il controller BLDC per azionare il motore. Gli utenti collegano semplicemente la ventola all'alimentazione CA e ottengono il risparmio energetico di un'unità CC senza bisogno di un VFD esterno. La nostra serie ECF35010 è un buon esempio di questo design EC compatto, che utilizza un ingresso da 220 V e un'uscita da 350 W.

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Quando si seleziona un motore BLDC a rotore esterno per applicazioni di raffreddamento ad aria, è necessario che la corrente nominale del controller, la resistenza e l'induttanza del motore corrispondano. Un controller sottodimensionato si surriscalderà; uno sovradimensionato può comportare costi inutili e spreco di spazio. Un riferimento utile è il nostro articolo su motore di raffreddamento dell'aria BLDC esterno considerazioni di progettazione.

Conclusione

I controller per motori BLDC sono l'intelligenza dietro ogni motore brushless. Utilizzano feedback di posizione, logica di commutazione e PWM per trasformare l'elettricità CC in una coppia a rotazione continua. La scelta tra sei fasi e FOC influisce sulla fluidità, sui costi e sulla complessità, mentre la corrispondenza dei valori di tensione e corrente determina se un motore funziona in sicurezza a pieno carico. Per ingegneri e acquirenti che lavorano con raffreddatori ad aria, ventole EC e altri ventilatori industriali, capire come funziona un controller BLDC è il primo passo verso la selezione di una combinazione affidabile di motore e controller.