Esistono diversi tipi o metodi di controller del motore brushless per azionare i motori brushless che alterano il modo in cui il motore può funzionare.
Ogni metodo ha i suoi pro e contro, sia dal punto di vista tecnico che in alcuni casi dal punto di vista finanziario. Il primo (e in genere il più comune) è un azionamento trapezoidale. Il secondo è un azionamento sinusoidale e il terzo è un azionamento di controllo orientato al campo (più comunemente denominato FOC).
La commutazione trapezoidale può essere suddivisa in due varianti. Il primo è il controllo a due quadranti e il controllo a quattro quadranti. La Figura 1 (sotto) mostra il concetto fondamentale di un controllo di azionamento trapezoidale per una fase del motore. L’alimentazione viene accesa, mantenuta e quindi spenta in modo da creare una forma trapezoidale quando misurata su un grafico. Temporizzando questo schema attorno ai poli del motore è possibile muovere il rotore e quindi far girare il motore..
FIGURA 1 – Schema di azionamento trapezoidale semplice mostrato per una fase
Due quadranti essenzialmente significano che il PWM in ciascuna fase è acceso o spento solo in un determinato momento. È quindi controllando la commutazione di queste fasi che è possibile far girare il motore. Come risultato del modello di azionamento, il motore può apparire instabile a velocità inferiori poiché la natura on / off del modello significa che salta da un polo all’altro. A velocità più elevate, la quantità di moto del rotore lo attenuerà. Il trapezoidale a due quadranti va quindi perfettamente bene come opzione a velocità più elevata, ma non è consigliato per applicazioni con motori brushless che richiedono prestazioni fluide e affidabili a velocità inferiori.
Il controllo a quattro quadranti viene quindi nuovamente diviso in due, il più semplice è utilizzare un PWM standard (Uni-polar – come controllo a due quadranti) tuttavia invece di spegnere semplicemente l’H-Bridge (e aprire il circuito), un mosfet adiacente ( su una delle due fasi di riserva) si chiude durante il tempo di Off per creare un loop EMF di ritorno che frena attivamente il motore.
Il controllo unipolare a quattro quadranti è la forma più semplice di controllo a quattro quadranti.
Hai quindi un controllo bipolare completo a quattro quadranti che sposta i mosfet adiacenti in modo asincrono con la fase pilotata che essenzialmente guida la corrente nella direzione opposta della fase del motore per frenare il motore molto più velocemente di quanto farebbe altrimenti nel normale controllo a due quadranti.
Due quadranti è l’opzione con il costo più basso, tuttavia non può creare un’accelerazione / decelerazione completamente controllata del motore perché non è in grado di frenare attivamente il motore nel modo in cui può farlo il controllo a quattro quadranti.
Il controllo bipolare a quattro quadranti offre il controllo più completo di un motore brushless, tuttavia è molto meno efficiente poiché la corrente viene guidata nella direzione opposta.
Il controllo unipolare a quattro quadranti si trova nel mezzo di questi due in quanto aiuta con la frenata attiva (tramite l’EMF posteriore) ed è anche molto più efficiente della versione bipolare.
In definitiva, l’opzione migliore per la tua applicazione dipende davvero da ciò di cui hai bisogno poiché dove c’è un carico considerevole sull’albero motore spesso non è necessario avere il controllo a quattro quadranti e questo può aggiungere spese extra.
Il controllo sinusoidale è generalmente considerato come il passo successivo rispetto al controllo trapezoidale. La Figura 2 mostra uno schema di azionamento semplificato per una fase del motore. Questo mostra un’azione di trazione / spinta più fluida che essenzialmente fa passare il rotore in giro in un modo molto più fluido rispetto a un metodo trapezoidale che viene acceso e spento in modo molto meno fluido.
FIGURA 2 – Schema di azionamento sinusoidale semplificato
In questo caso, il controller misura due punti di commutazione e quindi stima e implementa una forma d’onda sinusoidale tra questi punti utilizzando il normale PWM (vedere la figura 2 sopra).
Ciò ha un enorme vantaggio quando si tratta di ridurre il rumore udibile creato dal motore / carico in quanto vi è un cogging minimo (salti di corrente tra due fasi di commutazione) quando la corrente viene attenuata (il confronto tra la figura 1 e 2 lo mostra chiaramente). Ciò può anche aumentare la coppia a velocità inferiori ed è quindi particolarmente utile in applicazioni che richiedono prestazioni a bassa velocità precise e affidabili. Attivando e disattivando gradualmente le fasi mentre il rotore gira (invece di accenderle e spegnerle come nel modello trapezoidale) il motore può essere più silenzioso, più fluido e beneficiare di una coppia più elevata.
Vale la pena notare che questa è una tecnologia molto più recente rispetto all’azionamento trapezoidale standard e molto più difficile da perfezionare. Tuttavia, poiché c’è meno cogging nel motore e la corrente viene trasferita in modo uniforme tra ogni fase di commutazione, è possibile ottenere velocità molto più basse.
Il controllo sinusoidale può anche essere implementato utilizzando encoder ad alto CCR per prevedere in modo più accurato la forma d’onda sinusoidale.
Il Field Orientated Control (FOC) è stato effettivamente sviluppato per i motori AC molto tempo fa, ma gli sviluppi tecnologici effettuati negli ultimi anni hanno fatto sì che questa tecnologia possa ora essere utilizzata con motori BLDC a bassa tensione.
In passato il campo magnetico effettivo veniva misurato all’interno del motore utilizzando sensori mentre era in funzione. Tuttavia ora a causa della riduzione del costo di potenti microcontrollori, formula avanzata e calcoli possono essere completati abbastanza velocemente da misurare molto accuratamente la corrente entro due fasi del motore (la terza può essere calcolata) per dettare l’esatto orientamento del rotore del motore.
Ciò consente al microcontrollore di completare molto rapidamente i calcoli e inviare PWM ottimizzati a tutte e tre le fasi del motore (circa 10.000 volte al secondo) per garantire che il motore produca sempre una coppia ottimale. Il FOC viene talvolta confuso con il controllo sinusoidale in quanto le forme d’onda della corrente sono quasi identiche, la differenza essendo con la commutazione sinusoidale la corrente prodotta in ogni posizione è normalmente approssimata e non tiene conto delle tolleranze di fabbricazione né del motore (o encoder se utilizzato) e dell’eventuale rotore / inerzia del carico del motore o dell’applicazione.
Poiché il driver FOC controlla continuamente ed esegue le informazioni di posizionamento / caricamento, è sempre ottimizzato per qualsiasi applicazione e funziona sempre alla MASSIMA efficienza poiché il campo elettromagnetico si origina sempre esattamente a 90 gradi rispetto a ciascun polo del motore. Di conseguenza, la velocità del motore può essere ridotta a quasi 0 giri / min.
