Sensorloze regeling van borstelloze motoren

Bij een borstelloze motor zonder sensor hebben veel toepassingen baat. Er zijn verschillende mogelijkheden om dit te realiseren. Een door maxon ontwikkelde methode verlegt de grenzen van precisie en betrouwbaarheid.

De aandrijving van een borstelloze motor vereist regelelektronica voor precieze commutatie. Dit is echter alleen mogelijk als de besturingselektronica altijd de exacte positie van de rotor "kent". Traditioneel wordt deze informatie door sensoren verstrekt, bijvoorbeeld door hall-sensoren, die in de motor geïnstalleerd zijn. Maar het kan ook anders. Methoden voor sensorloze regeling maken gebruik van stroom- en spanningsinformatie van de motor. Op grond van deze informatie wordt de rotorpositie bepaald. Het motortoerental kan vervolgens worden afgeleid uit veranderingen in de rotorpositie, waarna deze informatie voor de snelheidsregeling kan worden gebruikt. Meer geavanceerde methoden voor sensorloze regeling kunnen zelfs de stroom (koppel) en de positie regelen. Het weglaten van de sensoren heeft een aantal voordelen, waaronder lagere kosten en ruimtebesparing, omdat daardoor kabels, connectoren en gevoelige elektronische circuits overbodig worden.

Sensorloze controllers van maxon gebruiken drie basisprincipes. Ze zijn specifiek van toepassing op maxon BLDC motoren.

Principe 1: EMK-methode met nuldoorgang

De EMK-methode met bepaling van de nuldoorgang maakt gebruik van inductiespanning (of elektromotorische kracht) in de niet-aangedreven fase tijdens de blokcommutatie. De nuldoorgang vindt in het midden van het commutatie-interval plaats (fig. 1). Op grond van de voorgaande commutatiestappen kan de vertraging tot het volgende commutatiepunt worden geschat.

De EMK-methode met nuldoorgang werkt alleen als het toerental hoog genoeg is, omdat de EMK bij stilstand nul wordt. Het opstarten van de motor vereist een speciaal proces dat vergelijkbaar is met dat van de stappenmotorregeling, en moet afzonderlijk worden geconfigureerd. Echte sensorloze commutatie is alleen mogelijk bij motortoerentallen van 500-1000 rpm en hoger. De commutatiestapfrequentie wordt voor de snelheidsregeling gebruikt. De beperkte feedbackinformatie legt een paar beperkingen op aan de motordynamiek, hoewel dit kan worden verbeterd door schattingsmethoden in het regelalgoritme te integreren (waarnemer, Kalman-filter enz.). De EMK-methode met nuldoorgang heeft ook een reeks voordelen: De methode werkt voor alle borstelloze motormodellen, en is robuust en kosteneffectief. Deze aanpak wordt voor vele standaardproducten gebruikt, zoals voor de maxon ESCON Module 50/4 EC-S.

Figuur 1: Schematische afbeelding van sensorloze commutatie van de EMK-methode met nuldoorgang, hier weergegeven met fase 3 als voorbeeld.

Principe 2: Waarnemergebaseerde EMK-methode

Waarnemings- of modelgebaseerde EMK-methoden gebruiken informatie over de motorstroom om de rotorpositie en -snelheid te bepalen. De modelgebaseerde nethode levert een veel hogere resolutie van de rotorpositie op. Dit maakt sinusvormige commutatie (of FOC, field-oriented control) mogelijk, met alle voordelen van dien: hoger rendement, minder warmteontwikkeling, minder trillingen en lawaai. De op een waarnemer gebaseerde EMK-methode vereist echter ook een minimumtoerental van 100 rpm om goed te kunnen functioneren.

Principe 3: Magnetische anisotropiemethoden

Methoden gebaseerd op magnetische anisotropie leiden de rotorpositie af uit de motorinductie, die minimaal is wanneer de magnetische stromen van de rotor en de stator parallel in de magnetische retour lopen (fig. 2). De meting wordt uitgevoerd door middel van korte elektrische pulsen, die niet veroorzaken dat de motor beweegt. In tegenstelling tot op EMK gebaseerde methoden werkt deze methode ook bij stilstand of zeer lage snelheden. Sinusvormige commutatie is tevens mogelijk. De gemeten signalen zijn sterk afhankelijk van het motortype. De rotorpositie wordt in overeenstemming met een model van de motor bepaald. Parametrisering en aanpassing zijn voor elke motor nodig. Controllers op basis van magnetische anisotropie zijn daarom buitengewoon specifieke producten. "Plug and play" is geen optie. De berekeningen die voor de evaluatie van de rotorpositie nodig zijn, beperken ook het maximumtoerental.

Figuur 2: Schematische afbeelding van de anisotropie van inductie. Het toont twee bijna identieke minima bij een afstand van 180 elektrische graden.

Waarom sensorloze regeling?

In prijsgevoelige toepassingen kan het gebruik van sensorloze motoren de kosten drukken. Hall-sensoren, encoders, kabels en connectoren zijn overbodig. Typische toepassingen op dit gebied zijn ventilators, pompen, scanners, molens, boren en andere snel draaiende toepassingen met een relatief bescheiden regelvermogen en waarvoor geen strak gecontroleerd opstarten noodzakelijk is. Voor grote hoeveelheden is een aangepaste versie van de op EMK gebaseerde controller zinvol.

Kostenoptimalisatie voor een hoog regelvermogen

Kostenbesparing is niet de enige reden om voor sensorloze regeling te kiezen. Toepassingen zoals deuraandrijvingen of fietsaandrijvingen vereisen hoge controllerprestaties. Een schokvrije motorregeling vanaf nul rpm is essentieel, evenals een hoge dynamiek en sinusvormige commutatie om ruis te voorkomen. Realisatie is zonder dure encoder nodig. In de afgelopen jaren hebben hoogwaardige sensorloze controllers op basis van de anisotropiemethode hun intrede in de markt gedaan, waaronder de nieuwe High Performance Sensorless Control (HPSC, zie hieronder) van maxon. De technische inspanning die nodig is voor de aanpassing van de modelparameters is echter alleen verantwoord voor hoeveelheden vanaf enkele honderden.

Moeilijke omgevingsomstandigheden

In situaties waarin kwetsbare sensorelektronica in een motor moet worden vermeden, kan sensorloze regeling ook nodig zijn. Voorbeelden hiervan zijn toepassingen bij zeer hoge of lage omgevingstemperaturen, reiniging en sterilisatie in de medische technologie, of ioniserende straling in de ruimte, nucleaire faciliteiten of medische omgevingen. Het lagere aantal motorconnectoren maakt eveneens de integratie makkelijk in situaties waarbij de ruimte beperkt is.

Hierbij hangt de vereiste regelkwaliteit van de toepassing af. Welke sensorloze methode het beste past, moet per geval worden bekeken. Zo zijn voor handgereedschap dat voor het boren of polijsten van tanden gebruikt wordt hoge snelheden nodig, terwijl voor het bevestigen van schroeven in de chirurgie lagere snelheden en een gecontroleerd koppel vereist zijn.

Conclusie

Er zijn drie hoofdredenen om voor een sensorloze regeling te kiezen: kostenbesparing, ruimtebesparing en gebruik in omgevingen die voor sensors ongunstig zijn. De EMK-methode met nuldoorgang is wijdverbreid in kostengevoelige toepassingen waarvoor hoge toerentallen vereist zijn. Sensorloze regeling vanuit stilstand en bij lage toerentallen vereist meer geavanceerde methoden. De uitvoering is complexer en omvat modellering en parametrisering. Kostenbesparingen zijn van secundair belang. Een op veldgeoriënteerde regeling zorgt voor een hoger rendement, minder warmteontwikkeling en een lager trillings- en geluidsniveau. Dit zijn allemaal eigenschappen die vooral bij draagbare medische hulpmiddelen winstgevend zijn.

Sensorloze maxon controllers

__De HPSC Module 24/5 (High Performance Sensorless Control) is een nieuwe innovatie van maxon, het is een platform van hardware en klantspecifieke software. HPSC is altijd een oplossing op maat en dus geen catalogusproduct. Speciaal aan deze ontwikkeling is: Bij stilstand en lage snelheden wordt eerst van de op magnetische anisotropie gebaseerde regeltechniek gebruikgemaakt (principe 3). Bij een hogere snelheid volgt een soepele overgang naar een EMK-methode (op een waarnemer gebaseerd; principe 2). De firmware van de module is aan elk aandrijfsysteem aangepast. In een speciaal ‘tuning’-proces worden meer dan 120 parameters automatisch aan de "vingerafdruk" van elke motor aangepast. Een voorbeeld van HPSC is het onlangs door maxon ontwikkelde medisch handgereedschap.

__De ESCON Module 50/4 EC-S is de enige sensorloze regelaar van maxon die in de productcatalogus is opgenomen (blokcommutatie met EMK-methode en nuldoorgang). De sensorloze regelaar 24/1 is een alternatief voor de kleinste EC-motoren (tot maximaal 10 mm diameter). Hij is echter niet in de catalogus of de e-shop te vinden.