ตัวควบคุมมอเตอร์ไร้เซนเซอร์แบบไร้เซ็นเซอร์: ทำงานอย่างไร และควรใช้เมื่อใด

เซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์ต้องเสียค่าใช้จ่าย ใช้พื้นที่ภายในมอเตอร์ และเพิ่มสายไฟสามเส้นขึ้นไปให้กับขั้วต่อทุกตัว ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมและผู้บริโภคที่ความเรียบง่าย ต้นทุน และความน่าเชื่อถือมีความสำคัญ วิศวกรได้ถามมานานแล้วว่า จะเกิดอะไรขึ้นหากตัวควบคุมสามารถระบุตำแหน่งของโรเตอร์ได้ด้วยตัวเอง คำตอบคือการควบคุมมอเตอร์ไร้เซ็นเซอร์แบบไร้เซ็นเซอร์ ซึ่งเป็นเทคนิคที่ดึงข้อมูลตำแหน่งโรเตอร์โดยตรงจากพฤติกรรมทางไฟฟ้าของมอเตอร์ โดยไม่ต้องใช้ฮาร์ดแวร์ป้อนกลับโดยเฉพาะ

ปัจจุบัน การควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์ไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาเฉพาะกลุ่ม โดยขับเคลื่อนระบบขับเคลื่อน e-bike พัดลมอุตสาหกรรม คอมเพรสเซอร์ HVAC เครื่องมือไฟฟ้า และการใช้งานหุ่นยนต์ทั่วโลก การทำความเข้าใจวิธีการทำงานของตัวควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์และจุดที่มีขีดจำกัดที่แท้จริง ถือเป็นสิ่งสำคัญในการเลือกสถาปัตยกรรมไดรฟ์ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน DC แบบไร้แปรงถ่าน

การควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์ทำงานอย่างไร: การอ่านค่า EMF ด้านหลัง

มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านทุกตัวจะสร้างแรงดันไฟฟ้าในขดลวดในขณะที่โรเตอร์หมุน ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับ หรือ back-EMF (BEMF) แอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้านี้เป็นสัดส่วนกับความเร็วของโรเตอร์ และความสัมพันธ์ระหว่างเฟสกับกระแสสเตเตอร์จะเข้ารหัสตำแหน่งของโรเตอร์โดยตรง ตัวควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์จะตรวจสอบรูปคลื่น BEMF ทั่วขดลวดเฟสที่ไม่ได้รับพลังงานของมอเตอร์ เพื่อระบุตำแหน่งของโรเตอร์ในช่วงเวลาใดก็ตาม

วิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือการตรวจจับแบบ Zero-Crossing ในมอเตอร์ BLDC สามเฟสมาตรฐานที่ทำงานด้วยการสับเปลี่ยนหกขั้นตอน (สี่เหลี่ยมคางหมู) เฟสหนึ่งจะลอยอยู่ตลอดเวลาโดยไม่ได้รับพลังงาน ตัวควบคุมจะวัดแรงดันไฟฟ้าในเฟสลอยตัวนี้ และตรวจจับเมื่อ BEMF ตัดผ่านศูนย์ การข้ามศูนย์แต่ละครั้งจะระบุมุมโรเตอร์ที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งจะกระตุ้นให้เกิดขั้นตอนการเปลี่ยนถัดไป กำหนดเวลาสามารถคาดเดาได้และทำซ้ำได้ ช่วยให้คอนโทรลเลอร์ซิงโครไนซ์การสับเปลี่ยนกับตำแหน่งโรเตอร์จริงโดยไม่ต้องใช้เซ็นเซอร์ทางกายภาพ

แนวทางนี้มีความตรงไปตรงมาทางเทคนิคและมีน้ำหนักเบาในการคำนวณ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงครอบงำแอปพลิเคชันความเร็วปานกลางถึงสูงที่คำนึงถึงต้นทุน ของเรา ชุดควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน B2B ใช้การควบคุมแบบไร้เซนเซอร์ข้ามศูนย์ BEMF ที่ได้รับการปรับปรุงแล้วในช่วงกำลังหลายช่วงสำหรับระบบขับเคลื่อนทางอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์

การควบคุมแบบไร้เซนเซอร์ที่ใช้ FOC: ความแม่นยำที่สูงขึ้นและความซับซ้อนที่มากขึ้น

การควบคุม BEMF แบบ Zero-crossing ทำงานได้ดีสำหรับการใช้งานที่มีความเร็วคงที่ สำหรับการใช้งานที่ต้องการแรงบิดที่ราบรื่นที่ความเร็วตัวแปร เสียงน้อยที่สุด หรือการทำงานในช่วงความเร็วที่กว้าง การควบคุมเชิงสนาม (FOC) หรือที่เรียกว่าการควบคุมเวกเตอร์ จะให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าอย่างมาก

ใน FOC แบบไร้เซนเซอร์ ตัวควบคุมไม่เพียงแต่ตรวจจับการข้ามที่เป็นศูนย์เท่านั้น แต่กลับใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ต่อเนื่องของมอเตอร์ โดยติดตามแรงดันไฟฟ้าและกระแสสเตเตอร์แบบเรียลไทม์ และใช้อัลกอริธึม เช่น Slided Mode Observer (SMO) หรือ Extended Kalman Filter (EKF) เพื่อประมาณตำแหน่งโรเตอร์และความเร็วในทุกรอบของ PWM ผลลัพธ์ที่ได้คือตัวควบคุมที่ไม่เพียงแต่รู้ว่าโรเตอร์อยู่ที่ไหนในเหตุการณ์การเปลี่ยนครั้งสุดท้าย แต่ยังรู้ว่าตอนนี้อยู่ที่ไหนด้วยภายในเสี้ยวองศา

การควบคุมแบบไร้เซนเซอร์ที่ใช้ FOC ให้รูปคลื่นของกระแสไซน์มากกว่ารูปคลื่นรูปสี่เหลี่ยมคางหมู ซึ่งกำจัดแรงบิดกระเพื่อมที่มีอยู่ในการเปลี่ยนหกขั้นตอน ในแอปพลิเคชันอีไบค์และ EV แบบเบา สิ่งนี้แปลโดยตรงเป็นการขับขี่ที่เงียบและนุ่มนวลยิ่งขึ้น ในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม หมายถึงการควบคุมความเร็วที่แม่นยำยิ่งขึ้นและประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในการโหลดบางส่วน ที่ A6-2422 คอนโทรลเลอร์มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านที่เงียบเป็นพิเศษ ใช้อัลกอริธึม FOC แบบไร้เซนเซอร์ขั้นสูงที่ได้รับการปรับแต่งเป็นพิเศษสำหรับการทำงานที่มีเสียงรบกวนต่ำและมีประสิทธิภาพสูงในสภาพแวดล้อมของไดรฟ์ที่มีความต้องการสูง

ปัญหาการเริ่มต้น: การเดินทางจากศูนย์ไปสู่การทำงาน

BEMF เป็นสัดส่วนกับความเร็วของโรเตอร์ ที่ความเร็วคงที่และต่ำมาก BEMF อ่อนแอเกินกว่าจะตรวจจับได้อย่างน่าเชื่อถือ ซึ่งหมายความว่าตัวควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์ที่ใช้ BEMF ใดๆ ก็มีความท้าทายขั้นพื้นฐานในการเริ่มต้นระบบ ไม่ทราบตำแหน่งของโรเตอร์ และการพยายามสับเปลี่ยนโดยไม่มีข้อมูลตำแหน่งอาจเสี่ยงที่มอเตอร์จะถอยหลัง หยุดนิ่ง หรือดึงกระแสไฟฟ้ามากเกินไป

ผู้ควบคุมจัดการสิ่งนี้ด้วยกลยุทธ์การเริ่มต้นระบบแบบสองเฟส ขั้นแรก การควบคุมทางลาดแบบวงรอบเปิด: ตัวควบคุมจะใช้สนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนที่ความถี่ช้าๆ ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า เพื่อบังคับให้โรเตอร์อยู่ในแนวและตามไป โดยพื้นฐานแล้วจะต้องลากมอเตอร์จนถึงความเร็วต่ำสุดที่ BEMF จะถูกตรวจจับได้ เมื่อมี BEMF เพียงพอแล้ว ตัวควบคุมจะเปลี่ยนไปใช้การทำงานแบบไร้เซ็นเซอร์แบบวงปิด คุณภาพของการเปลี่ยนแปลงนี้จะกำหนดว่าความรู้สึกในการสตาร์ทจะราบรื่นเพียงใด และความน่าเชื่อถือของมอเตอร์ในการซิงโครไนซ์ภายใต้โหลด

ตัวควบคุมไร้เซ็นเซอร์ขั้นสูงเพิ่มการตรวจจับตำแหน่งโรเตอร์เริ่มต้น (IPD) หรือเทคนิคการฉีดพัลส์ที่สามารถกำหนดการวางแนวของโรเตอร์ที่จุดหยุดนิ่งจากความไม่สมมาตรของตัวเหนี่ยวนำ ช่วยให้ลำดับการเริ่มต้นทำงานตรงเป้าหมายมากขึ้น และลดเวลาการขึ้นลงของวงรอบเปิด ที่ A8-2209 คอนโทรลเลอร์มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านที่มีความเสถียรสูง รวมอัลกอริธึมการเริ่มต้นที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งออกแบบมาเพื่อประสิทธิภาพการสตาร์ทขณะเย็นที่เชื่อถือได้แม้ภายใต้สภาวะโหลด

เซนเซอร์แบบไร้เซ็นเซอร์เทียบกับเซนเซอร์แบบ Hall-Effect: การเลือกสถาปัตยกรรมที่เหมาะสม

ไม่มีสถาปัตยกรรมใดที่เหนือกว่าในระดับสากล ตัวเลือกที่ถูกต้องขึ้นอยู่กับช่วงความเร็วของแอปพลิเคชัน โปรไฟล์โหลด และข้อจำกัดด้านต้นทุน

ตัวควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์เป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับพัดลม ปั๊ม คอมเพรสเซอร์ จักรยานไฟฟ้า เครื่องมือไฟฟ้า และการใช้งานอื่นๆ ที่มอเตอร์ทำงานที่ความเร็วปานกลางถึงสูงเป็นหลัก และการเดินสายเพิ่มเติมของเซ็นเซอร์ Hall จะเพิ่มต้นทุนหรือความเสี่ยงด้านความน่าเชื่อถือ ตัวควบคุมแบบเซนเซอร์ยังคงเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าสำหรับการใช้งานที่ต้องการแรงบิดสตาร์ทภายใต้โหลดเต็มที่ การทำงานที่ความเร็วต่ำมาก หรือการควบคุมตำแหน่งที่แม่นยำจากส่วนที่เหลือ เช่น กลไกการยกแบบขับตรงหรือแกนกำหนดตำแหน่งแบบเซอร์โว

ที่ R2-2319 คอนโทรลเลอร์มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านที่เข้ากันได้สูง รองรับการทำงานทั้งแบบไร้เซ็นเซอร์และแบบฮอลล์เอฟเฟกต์ ทำให้นักออกแบบมีความยืดหยุ่นในการจับคู่สถาปัตยกรรมการควบคุมกับมอเตอร์และการใช้งานโดยไม่ต้องเปลี่ยนฮาร์ดแวร์ตัวควบคุม

ที่ซึ่งคอนโทรลเลอร์ไร้เซ็นเซอร์ไร้เซ็นเซอร์มอบคุณค่าสูงสุด

การควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์เหมาะอย่างยิ่งกับชุดประเภทการใช้งานที่มีลักษณะเหมือนกัน ได้แก่ การทำงานต่อเนื่องที่ความเร็วปานกลางถึงสูง สภาพแวดล้อมที่คำนึงถึงความน่าเชื่อถือของเซ็นเซอร์ และแรงกดดันด้านต้นทุนซึ่งเอื้อต่อการสร้างมอเตอร์ที่ง่ายกว่า

• E-bikes และยานพาหนะไฟฟ้าขนาดเล็ก: ระบบขับเคลื่อนกลางและมอเตอร์ดุมได้รับประโยชน์อย่างมหาศาลจาก FOC ไร้เซ็นเซอร์ การส่งแรงบิดที่ราบรื่นและเงียบในระดับการช่วยเหลือแปรผันคือสิ่งที่สถาปัตยกรรมการควบคุมนี้มอบให้ และการขจัดการเดินสายเซ็นเซอร์ Hall จะช่วยลดโหมดความล้มเหลวในผลิตภัณฑ์ที่คาดว่าจะทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือท่ามกลางสายฝน การสั่นสะเทือน และอุณหภูมิสุดขั้ว
• HVAC และเครื่องทำความเย็นคอมเพรสเซอร์: ตัวขับคอมเพรสเซอร์แบบปรับความเร็วได้ทำงานอย่างต่อเนื่องที่ความเร็วที่กำหนดโดยไม่จำเป็นต้องใช้แรงบิดหยุดนิ่ง การควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์จัดการสิ่งนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ขณะเดียวกันก็สามารถปรับความเร็วเพื่อควบคุมความจุและประหยัดพลังงานได้
• พัดลมอุตสาหกรรมและปั๊ม: ที่se centrifugal loads have favorable torque-speed curves—low startup torque, rising with speed—that make sensorless startup straightforward. Energy savings from variable speed operation are substantial; a 20% reduction in fan speed typically cuts power consumption by roughly 50% due to the cube law relationship between speed and power.
• เครื่องมือไฟฟ้าและอุปกรณ์ทำสวน: การทำงานที่ความเร็วสูง บรรจุภัณฑ์มอเตอร์ขนาดกะทัดรัด และความไวต่อต้นทุน ล้วนสนับสนุนการออกแบบที่ไร้เซ็นเซอร์ การไม่มีสายไฟเซ็นเซอร์ยังช่วยลดความยุ่งยากในการผลิตมอเตอร์และลดจุดทางเข้าของฝุ่นและความชื้น
• หุ่นยนต์และ AGV ที่ความเร็วคงที่: แอคทูเอเตอร์ร่วมและล้อขับเคลื่อนแพลตฟอร์มเคลื่อนที่ซึ่งใช้เวลาส่วนใหญ่ไปกับความเร็วในการวิ่งได้ประโยชน์จากประสิทธิภาพของ FOC แบบไร้เซ็นเซอร์และความนุ่มนวลของแรงบิด แม้ว่าลำดับการเริ่มต้นหรือกลับบ้านอาจต้องการความช่วยเหลือจากเซ็นเซอร์หรือการวางตำแหน่งแบบวงเปิด

สำหรับมุมมองที่กว้างขึ้นว่าอัลกอริธึมควบคุมที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์กำลังเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพของมอเตอร์ไดรฟ์แบบไร้แปรงถ่านอย่างไรในแอปพลิเคชันเหล่านี้ โปรดดูการวิเคราะห์อุตสาหกรรมของเราใน บทบาทของซอฟต์แวร์ในตัวควบคุมมอเตอร์สมัยใหม่ .

สิ่งที่ควรมองหาเมื่อเลือกตัวควบคุมมอเตอร์ไร้เซ็นเซอร์แบบไร้เซนเซอร์

การเลือกตัวควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์เกี่ยวข้องมากกว่าแค่การจับคู่พิกัดแรงดันและกระแส พารามิเตอร์ห้าตัวสมควรได้รับความสนใจอย่างใกล้ชิด:

1. คุณภาพของอัลกอริทึมการควบคุม: การข้ามศูนย์ของ BEMF นั้นเพียงพอสำหรับการโหลดที่มีความเร็วคงที่ สำหรับความเร็วที่แปรผัน แรงบิดที่ราบรื่น หรือมีเสียงรบกวนต่ำ ให้ระบุคอนโทรลเลอร์ที่มี FOC แบบไซน์ การใช้อัลกอริธึมไม่ใช่แค่ฮาร์ดแวร์เท่านั้นที่จะเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของระบบ
2. ความสามารถในการเริ่มต้นภายใต้ภาระงาน: ยืนยันว่าลำดับการเริ่มต้นของตัวควบคุมสามารถดึงมอเตอร์เข้าสู่การซิงโครไนซ์ได้อย่างน่าเชื่อถือภายใต้ข้อกำหนดความเฉื่อยโหลดจริงและแรงบิดเริ่มต้นของคุณ ทดสอบที่แรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำและโหลดสูงสุดเพื่อหาส่วนต่าง
3. ช่วงความเร็ว: ตัวควบคุมแบบไร้เซนเซอร์ทุกตัวมีความเร็วการทำงานต่ำสุดซึ่งทำให้การตรวจจับ BEMF ไม่น่าเชื่อถือ ตรวจสอบขีดจำกัดล่างนี้กับความเร็วขั้นต่ำที่ต้องการของแอปพลิเคชันของคุณ รวมถึงข้อกำหนดในการรวบรวมข้อมูลหรือการวางตำแหน่งที่ความเร็วต่ำ
4. การปรับอัตโนมัติและการระบุพารามิเตอร์: ตัวควบคุมไร้เซนเซอร์คุณภาพสูงสามารถระบุพารามิเตอร์ของมอเตอร์ (ความต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ การเชื่อมต่อฟลักซ์) ได้โดยอัตโนมัติ ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากในการทดสอบการทำงานและช่วยให้มั่นใจได้ว่าอัลกอริธึมการประมาณค่าได้รับการปรับเทียบอย่างถูกต้องสำหรับมอเตอร์เฉพาะที่กำลังขับเคลื่อน
5. คุณสมบัติการป้องกัน: กระแสไฟเกิน แรงดันไฟเกิน แรงดันไฟตก อุณหภูมิสูงเกินไป และการตรวจจับแผงลอยเป็นข้อกำหนดพื้นฐาน การตรวจจับแผงลอยมีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำงานแบบไร้เซ็นเซอร์ หากมอเตอร์สูญเสียการซิงโครไนซ์ ตัวควบคุมจะต้องรับรู้สิ่งนี้อย่างรวดเร็วและรีสตาร์ทอย่างหมดจด แทนที่จะส่งแรงบิดไปที่โรเตอร์ที่หยุดอยู่ต่อไป

ของเรา คู่มือการจับคู่คอนโทรลเลอร์และมอเตอร์ ให้คำแนะนำเฉพาะสำหรับการจับคู่รุ่นคอนโทรลเลอร์ไร้เซนเซอร์กับข้อกำหนดเฉพาะของมอเตอร์ตามประเภทการใช้งานต่างๆ สำหรับปริมาณ OEM แบบกำหนดเองและข้อกำหนดตัวควบคุมเฉพาะแอปพลิเคชันของเรา โปรแกรมควบคุมมอเตอร์ B2B ครอบคลุมการสนับสนุนด้านวิศวกรรมตั้งแต่ข้อกำหนดไปจนถึงการตรวจสอบการผลิต