توضیح دقیق کنترل کننده موتور بدون برس (ESC)

 

هنگام بحثMotors بدون برس (BLDC)، ما اغلب روی سرعت ، گشتاور ، چگالی قدرت و سایر پارامترهای سخت افزاری آن تمرکز می کنیم ، اما تمایل داریم از یک مؤلفه به همان اندازه مهم غافل شویم - کنترل کننده موتور بدون برس (کنترل کننده سرعت الکترونیکی ، ESC برای کوتاه) ، همچنین به عنوان کنترل کننده سرعت الکترونیکی شناخته می شود.

 

در حقیقت ، آیا می توان از عملکرد یک موتور بدون برس به طور کامل استفاده کرد ، بستگی به کنترلر دارد که مجهز به آن است. می توان گفت که ESC نه تنها مغز موتور بلکه عامل تعیین کننده راندمان پاسخ و ثبات کل سیستم است.

1. تعریف اساسی ESC: "مغز" که سرعت موتور را کنترل می کند

ESC یک ماژول مدار الکترونیکی است که مخصوص موتورهای بدون برس طراحی شده است. وظیفه اصلی آن دریافت سیگنال ها از صفحه کنترل اصلی ، کنترل از راه دور یا رایانه میزبان و تبدیل آنها به ولتاژ درایو و سیگنال های جابجایی برای سیم پیچ سه فاز موتور است و از این طریق به کنترل دقیق سرعت موتور ، جهت و شروع\/ترمز می رسد.

 

این دستگاه بین منبع تغذیه ، موتور بدون برس و سیستم کنترل اصلی متصل است ، به عنوان یک پل عمل می کند ، خروجی انرژی و حالت جابجایی را در زمان واقعی تنظیم می کند و بخشی ضروری از سیستم موتور بدون برس است.

 

2. ماژول های عملکردی هسته ESC

• ESC بالغ نه تنها می تواند راه اندازی و عملکرد اصلی موتور را تکمیل کند ، بلکه انواع ماژول های کاربردی کلیدی را نیز از جمله: ادغام می کند.
• کنترل رفت و آمد سه فاز: طبق گفته سالن یا سیگنال بازخورد Back-EMF ، موقعیت روتور برای دستیابی به رفت و آمد کارآمد تعیین می شود.
• تنظیم سرعت: فرکانس درایو و چرخه وظیفه را با توجه به سیگنال های ورودی مانند PWM\/آنالوگ\/UART تنظیم کنید.
• محافظت از جریان و ولتاژ: برای جلوگیری از خطرات بیش از حد ، ولتاژ و مدار کوتاه ، جریان و ولتاژ باتری موتور را تشخیص دهید.
• منطق شروع و ترمز: پشتیبانی از شروع نرم ، ترمز سریع ، معکوس و سایر استراتژی های کنترل.
• عملکرد بازخورد حالت: ESC با سطح بالا می تواند بازخورد در زمان واقعی از سرعت ، جریان ، دما و سایر پارامترها را برای تسهیل در تشکیل یک سیستم کنترل حلقه بسته فراهم کند.

 

3. چرا کنترل کننده موتور حد بالایی عملکرد موتور را تعیین می کند؟

ممکن است بپرسید: آیا موتور سخت افزار اصلی نیست؟ آیا کنترل کننده واقعاً آنقدر مهم است؟

این مسلم است الگوریتم کنترل و دقت پاسخ ESC به طور مستقیم مشخص می کند که آیا موتور "هوشمندانه" و "هموار" کار می کند یا خیر. به زبان ساده:

• اگر الگوریتم کنترل دقیق نباشد ، سرعت مستعد نوسانات و راندمان کم است.
• اگر فرکانس رانندگی زیاد نباشد ، موتور نویز و استرس مکانیکی بیشتری ایجاد می کند.
• اگر الگوریتم های مرتبه بالا مانند FOC پشتیبانی نشوند ، دستیابی به گشتاور\/موقعیت با دقت بالا برای موتور دشوار است.

به عبارت دیگر ، عملکرد همان موتور بدون برس ممکن است در هنگام هدایت توسط کنترل کننده های مختلف متفاوت باشد.

به همین دلیل در موقعیت های پر تقاضا مانند هواپیماهای بدون سرنشین هواپیمایی ، روبات ها و تجهیزات پزشکی ، انتخاب و اشکال زدایی کنترل کننده ها انرژی زیادی را در توسعه سیستم به خود اختصاص می دهد.

-- تجزیه و تحلیل سه روش کنترل مشترک

کلید کنترل موتور بدون برس (BLDC) نحوه "رانندگی" آن برای چرخش صحیح است. از آنجا که خود موتور بدون برس برس و رفت و آمد ندارد ، باید به یک کنترلر خارجی (ESC) تکیه کند تا به طور دقیق توالی انرژی سیم پیچ سه فاز را با توجه به موقعیت روتور ارائه دهد. این فرآیند به صورت الکترونیکی رفت و آمد نامیده می شود.

 

روشهای مختلف کنترل بر راندمان ، سر و صدا ، صافی در حال اجرا و سرعت پاسخ موتور تأثیر می گذارد. در حال حاضر سه روش کنترل موتور بدون برس اصلی وجود دارد: کنترل موج مربع شش مرحله ای ، کنترل موج سینوسی و کنترل میدان گرا (FOC). بیایید یک به یک به آنها نگاهی بیندازیم.

 

1. کنترل موج مربع شش مرحله ای: پاسخ اقتصادی ، عملی ، سریع

کنترل موج مربع شش مرحله ای (همچنین کنترل موج ذوزنقه یا کنترل تله نامیده می شود) در حال حاضر متداول ترین و کمترین روش کنترل است و به طور گسترده در ابزارهای برق ، هواپیماهای بدون سرنشین ، فن های خنک کننده و سایر محصولات مورد استفاده قرار می گیرد.

 

اصل:

در یک چرخه الکتریکی ، کنترل کننده سیم پیچ سه فاز موتور را به شش حالت در یک توالی ثابت تقسیم می کند و به نوبه خود قدرت را گردش می کند (دو مرحله روشن می شود و هر بار یک فاز قطع می شود) ، و یک میدان مغناطیسی چرخشی ساده را تشکیل می دهد و از این طریق روتور را حرکت می دهد تا حرکت کند.

 

مزیت:

• این الگوریتم ساده است و نیازهای سخت افزاری کم دارد
• پاسخ سریع ، مناسب برای سناریوهای شتاب فوری\/کاهش
• کم هزینه ، مناسب برای برنامه های مصرف کننده در مقیاس بزرگ

 

کاستی:

• هنگام تعویض مراحل ، جریان به طور ناگهانی تغییر می کند ، که تولید سر و صدای الکترومغناطیسی و لرزش آسان است
• راندمان به اندازه کنترل موج سینوسی ، به خصوص با سرعت کم ، مناسب نیست.
• برای تجهیزات با نیازهای دقیق بر سر و صدا و لرزش مناسب نیست

2. کنترل موج سینوسی: نرم تر و ساکت تر

کنترل موج سینوسی ، همانطور که از نام آن پیداست ، شکل موج جریان سه فاز را تا حد امکان به موج سینوسی نزدیک می کند ، که می تواند یک میدان مغناطیسی چرخشی مداوم و پایدار تر تولید کند. این پیشرفت از کنترل موج مربع پیشرفته تر است و به طور گسترده ای در تجهیزات مورد نیاز به ثبات و کنترل سر و صدا مانند تجهیزات پزشکی ، وسایل نقلیه برقی ، فن های صنعتی و غیره استفاده می شود.

 

اصل:

با جستجوی جدول یا انجام محاسبات در زمان واقعی ، کنترلر به طور دقیق جریان سه فاز را با توجه به موقعیت روتور در هر لحظه تعدیل می کند ، به طوری که یک موج سینوسی با اختلاف فاز 120 درجه تشکیل می دهد و روتور را به راحتی می چرخاند.

 

مزیت:

• جهش فعلی را در حین جابجایی کاهش دهید ، به طور قابل توجهی سر و صدا و لرزش را کاهش دهید
• فرآیند شروع و صاف تر ، مناسب برای برنامه های دارای نیازهای راحتی بالا
• راندمان بالا ، به خصوص در محدوده متوسط ​​و کم سرعت

 

کاستی:

• الزامات بالا برای کنترل شکل موج فعلی ، افزایش پیچیدگی و هزینه کنترلر
• تشخیص دقیق موقعیت مبنای است (معمولاً به سنسور یا رمزگذار هال نیاز دارد)

3. کنترل FOC (کنترل میدان گرا): اولین انتخاب برای سیستم های با کارایی بالا

FOC ، همچنین به عنوان کنترل میدان گرا نیز شناخته می شود ، یک فناوری کنترل موتور با سطح بالا است. این دقیقاً می تواند میدان جریان و مغناطیسی را همگام سازی کند و از این طریق به کنترل گشتاور کارآمدتر و دقیق تر برسد. FOC به راه حل اصلی در سیستم های سروو صنعتی ، روبات ها و درایوهای وسیله نقلیه برقی تبدیل شده است.

 

اصل:

FOC جریان سه فاز را به اجزای محور D و محور Q در یک سیستم مختصات مستطیل از طریق تحول ریاضی (Clarke & Park تبدیل می کند) تبدیل می کند ، و سپس به طور مستقل جریان گشتاور و جریان تحریک را برای دستیابی به کنترل دقیق تر میدان مغناطیسی کنترل می کند. سپس کنترلر از طریق تبدیل معکوس ، خروجی سیگنال PWM را تولید می کند.

 

مزیت:

• کنترل گشتاور بسیار دقیق و کنترل سرعت قابل دستیابی است
• پاسخ سریع سیستم ، عملکرد پویا عالی ، راه اندازی نرم تر
• شکل موج فعلی سینوسی تر است ، باعث افزایش کارایی و کاهش مصرف انرژی می شود
• برای دستیابی به کنترل موقعیت یابی می توان در سیستم های سرو حلقه بسته در ترکیب با رمزگذارها استفاده کرد

 

کاستی:

• این الگوریتم پیچیده است و کنترلر به قدرت پردازش قوی (مانند MCU با کارایی بالا) نیاز دارد
• اشکال زدایی دشوار است ، و هزینه های توسعه اولیه و سرمایه گذاری زمان زیاد است

 

خلاصه: روشهای مختلف کنترل برای سناریوهای مختلف برنامه مناسب هستند

روش کنترل	ویژگی	سناریوهای قابل اجرا
کنترل موج مربع شش مرحله ای	پاسخ ساده ، سریع ، کم هزینه	هواپیماهای بدون سرنشین ، ابزارهای برق ، طرفداران
کنترل موج سینوسی	سر و صدای کم ، ثبات خوب	تجهیزات پزشکی ، وسایل نقلیه برقی ، لوازم خانگی
کنترل کانونه	با دقت بالا و راندمان بالا	سرووهای صنعتی ، روبات ها ، تجهیزات اتوماسیون

 

انتخاب روش کنترل مناسب به نیازهای کاربردی ، بودجه و انتظارات شما برای عملکرد سیستم بستگی دارد. اگر به دنبال دقت کنترل ، راندمان عملیاتی یا تجربه سر و صدای کم هستید ، انتخاب روش کنترل حتی از خود موتور مهمتر است.

 

پس از درک منطق کنترل کنترل کننده موتور بدون برس (ESC) ، ما همچنین باید ساختار داخلی آن و نحوه برقراری ارتباط با دستگاه های خارجی را درک کنیم. این محتویات نه تنها برای توسعه دهندگان محصول مفید هستند بلکه به کاربران نیز کمک می کنند تا تعیین کنند که آیا یک کنترلر برای کاربرد آنها مناسب است یا خیر.

 

1. اجزای اصلی کنترلر

اگرچه انواع مختلفی از کنترل کننده های موتور بدون برس در بازار وجود دارد ، اما ساختار اصلی اکثر ESC تقریباً یکسان است ، عمدتا شامل ماژول های اصلی زیر است:

(1) تراشه کنترل اصلی (MCU)

تراشه کنترل اصلی "مغز" کنترلر ، مسئول دریافت دستورالعمل ها ، پردازش الگوریتم های جابجایی ، تعدیل سیگنال های خروجی و غیره است. تراشه های مشترک شامل STM32 ، TI C2000 ، NXP و غیره است. عملکرد تراشه ، دقت کنترل ، الگوریتم پشتیبانی شده (مانند فوک) ، قابلیت های ارتباطی و غیره را تعیین می کند.

 

(2) مدار رانندگی

مدار درایو وظیفه تقویت سیگنال کنترل PWM ارسال شده توسط تراشه کنترل اصلی و رانندگی دستگاه MOSFET یا IGBT را برای تأمین ولتاژ قدرت بالا به سیم پیچ سه فاز دارد. این قسمت همچنین "مرحله قدرت" نامیده می شود.

 

(3) ماژول تشخیص جریان و ولتاژ

برای نظارت بر جریان و ولتاژ در زمان واقعی در حین کار موتور استفاده می شود. اگر جریان خیلی زیاد باشد یا ولتاژ خیلی کم باشد ، کنترلر می تواند به موقع اقدامات محافظتی انجام دهد تا از سوزاندن موتور یا از دست دادن کنترل جلوگیری کند. سنسورهای فعلی سالن یا مقاومت های شنت به طور کلی برای تشخیص جریان استفاده می شوند.

 

(4) ماژول مدیریت انرژی

قدرت اصلی ولتاژ بالا (مانند 12 ولت ، 24 ولت ، 48 ولت و غیره) را به ولتاژ کم (مانند 3.3 ولت یا 5 ولت) که توسط مدار کنترل مورد نیاز است ، تبدیل می کند. معمولاً شامل مؤلفه هایی مانند مبدل DC-DC و تنظیم کننده ولتاژ برای اطمینان از عملکرد پایدار سیستم است.

 

(5) رابط سیگنال و مدار محافظت

مسئول برقراری ارتباط با دستگاه های خارجی ، از جمله ورود دستورات و سیگنال های وضعیت بازخورد. علاوه بر این ، ESC غالباً با حفاظت از ولتاژ ، محافظت از بیش از حد ، حفاظت از الکترواستاتیک ESD و سایر مدارها برای بهبود قابلیت اطمینان سیستم طراحی شده است.

2. روش های ورودی سیگنال متداول و پروتکل های ارتباطی

ESC باید نحوه رانندگی موتور را بر اساس سیگنال های ارسال شده توسط دستگاه های خارجی (مانند صفحه کنترل اصلی ، کنترل از راه دور ، PLC) تعیین کند. بنابراین ، باید از چندین روش ورودی و پروتکل های ارتباطی پشتیبانی کند. موارد زیر موارد اصلی فعلی است:

 

(1) سیگنال PWM (رایج ترین)

• اصل: سرعت را با تغییر نسبت زمان بالا (چرخه وظیفه) کنترل کنید
• برنامه: مدل های کنترل از راه دور ، کنترل فن ، اسکیت های برقی و غیره
• ویژگی ها: استفاده آسان ، سازگاری قوی ، اما نمی تواند دستورالعمل های پیچیده ای را تصویب کند

 

(2) سیگنال PPM (سنتز چند کانال)

• اصل: چندین سیگنال PWM را در یک خط برای انتقال ، مناسب برای سیستم کنترل از راه دور ترکیب کنید
• کاربرد: پهپادهای چند روتر ، سیستم کنترل از راه دور
• ویژگی ها: کابل ها را ذخیره کنید ، مناسب برای کنترل چند کانال

 

(3) ارتباطات سریال UART

• اصل: دستورالعمل ها و داده ها (مانند سرعت ، حالت ، پارامترها) را در قالب متن انتقال دهید
• کاربرد: اتوماسیون صنعتی ، توسعه ربات
• ویژگی ها: پشتیبانی از ارتباطات دو طرفه ، مناسب برای اشکال زدایی و بازخورد وضعیت

 

(4) Can Bus (شبکه منطقه کنترل کننده)

• اصل: چندین دستگاه یک اتوبوس را به اشتراک می گذارند و از یک ساختار فریم برای انتقال دستورالعمل ها و اطلاعات بازخورد استفاده می کنند
• کاربرد: خودرو ، ربات صنعتی ، ماشین AGV
• ویژگی ها: پایدار و قابل اعتماد ، ضد مداخله قوی ، مناسب برای کنترل چند گره در سیستم های پیچیده

 

(5) ارتباط I²C

• اصل: ساختار کارشناسی ارشد برده ، دو خط سیگنال برای تکمیل ارتباطات دو طرفه
• برنامه: دستگاه های هوشمند کوچک ، سیستم های یکپارچه سنسور
• ویژگی ها: تعداد کمتری پین ، میزان انتقال متوسط ​​را اشغال می کند ، اما فاصله نباید خیلی دور باشد

 

(6) ورودی ولتاژ آنالوگ

• اصل: تنظیم سرعت از طریق سیگنال آنالوگ 05 ولت یا 03.3 ولت
• کاربرد: تجهیزات صنعتی ساده ، سیستم های کنترل قدیمی
• ویژگی ها: مناسب برای مواردی با نیازهای دقت کنترل کم ، ادغام آسان

 

3. روندها: پشتیبانی از اطلاعات ، شبکه و پشتیبانی چند پروتکل

ESC مدرن نه تنها "مجری" است که دستورالعمل های کنترل را اجرا می کند ، بلکه قابلیت های بیشتری نیز مانند قضاوت هوشمند ، خودآگاهی پارامتر و بازخورد وضعیت عملیاتی دارد. به عنوان مثال:

• بازخورد نظارت بر وضعیت: بازخورد سرعت در زمان واقعی ، جریان ، ولتاژ ، دما و غیره
• پیکربندی از راه دور: پارامترهای PID و استراتژی های کنترل را بصورت آنلاین از طریق پورت سریال یا CAN تنظیم کنید
• سازگاری چند پروتکل: One ESC از PWM و UART پشتیبانی می کند و ادغام سازگار سیستم های مختلف را تسهیل می کند

در برنامه های ربات صنعتی یا هوشمند ، این نوع کنترلر "هوشمند" در حال تبدیل شدن به جریان اصلی است.

 

درایوهای سفارشی -- قابل اعتماد در سطح جهانی

اگر به دنبال یک کیفیت بالا هستیدتولید کننده موتور بدون برس، موتور VSD انتخاب شماست.ما روی تحقیق و توسعه و تولید موتورهای بدون برس DC (BLDC) تمرکز می کنیم، و متعهد به ارائه راه حل های قدرت پایدار و قابل اعتماد برای مختلف صنعتی ، روباتیک ، تجهیزات پزشکی و سایر سناریوهای کاربردی هستند.

 

قابلیت های اصلی ما عبارتند از:

گزینه های مختلف ساختاری: روتور داخلی ، روتور بیرونی ، نوع مسطح و سایر طرح ها در دسترس هستند

فرآیند تولید با دقت بالا: سیم پیچ اتوماتیک ، تنظیم تعادل پویا و روند بازرسی و آزمایش کامل

کنترل کیفیت قابل اعتماد: محصولات دارای مجوز CE و ROHS هستند و تحت آزمایش های پیری دقیق قرار می گیرند

خدمات سفارشی: اندازه ، طول شافت ، روش نصب ، رابط مهار سیم کشی و غیره را می توان در صورت لزوم تنظیم کرد

 

محصولات VSD به اروپا ، آمریکای شمالی ، آسیای جنوب شرقی و مناطق دیگر صادر شده و توسط مشتریان در سراسر جهان به طور گسترده ای شناخته می شوند. ما همچنین از همکاری OEM\/ODM برای توسعه مشترک محصولات حرکتی مناسب برای سناریوهای تقسیم شده استقبال می کنیم.