Эра сенсорного управления бесщеточными электроприводами постоянного тока завершается?

Чтобы достичь высокой эффективности при управлении бесщеточными электроприводами, требуются точные данные о точках переключения. Обеспечить это можно двумя способами. В первом случае, чтобы определить положение ротора, применяют датчики на основе эффекта Холла. При таком методе конструкция электроприводов и насосов получается достаточно громоздкой и сложной, и это не считая значительных затрат на сами датчики. Более того, при реализации управления топливными насосами с использованием датчиков переключения, потребовалось бы обеспечить их изоляцию от агрессивной топливной среды, и поэтому их применение в этом случае даже не рассматривается.
Второй способ — бессенсорный — детектирует точки переключения, используя обмотки статора. Эта технология свободна от недостатков первого метода и в последние годы  используется в автомобилях высокого класса, главным образом, в водяных и топливных насосах, вентиляторах системы охлаждения двигателей и в нагнетателях систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (см. рис. 1).
В первом поколении бессенсорных решений точки переключения определялись путем измерения противо-ЭДС свободно вращающейся катушки. Для приложений, чувствительных к шуму, таких как нагнетатели систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, применялось синусоидальное BLDC-управление, называемое также управлением синхронными индукторными двигателями с постоянными магнитами (PMSM).

Рис. 1. Водяной насос с интегрированной в него электроникой

В PMSM вместо свободно вращающейся катушки используется управление с ориентацией по полю, которое называется также векторным управлением. При данном методе управления используется множество шунтовых входов, а также DSP, которые увеличивают стоимость разработки, закупки компонентов и тестирования системы до такого уровня, что синусоидальное управление электроприводами целесообразно использовать только в моделях высшего класса. Кроме того, вместе с управлением с ориентацией по полю необходимо применять схему с использованием датчиков для надежного старта и работы электропривода на низких скоростях.
На основе опыта создания первых поколений таких систем был разработан широкий спектр специализированных микросхем (ASSP) и алгоритмов управления, которые позволили распространить бессенсорную технологию управления бесщеточными электроприводами на другие приложения, снизив при этом сложность разработки и стоимость компонентов.
В качестве примера рассмотрим управление автомобильным насосом подачи топлива с контролем скорости. В так называемой механической безвозвратной системе подачи топлива (Mechanical Returnless Fuel delivery Systems — MRFS) давление топлива регулируется механически, так что электроприводы не замечают существенного изменения нагрузки, и изменение скорости нужно только для оптимизации расхода топлива и продления срока службы, а не для быстрой реакции в режиме реального времени. В этом случае достаточно использовать стандартный 6-ступенчатый режим детектирования противо-ЭДС по прохождению через нулевой уровень, или так называемый режим блокирования.
Единственной проблемой здесь остается надежный и быстрый запуск. В современных решениях все еще нередко используется предварительная установка положения ротора электропривода во время запуска. В процессе установки положения ротора бесщеточный электропривод дважды запускается в шаговом режиме, чтобы обеспечить правильное направление вращения. Запуск выполняется в режиме без обратной связи путем приложения максимально допустимого тока, чтобы скорость мотора максимально быстро возросла до уровня, когда можно зафиксировать противо-ЭДС.
Если в системе детектирование сигнала противо-ЭДС недоступно, то для определения положения ротора проводят измерение индуктивности катушки статора, или так называемое измерение удельного магнитного сопротивления (reluctance sensing). BLDC-контроллер MLX81200 компании Melexis способен измерять удельное магнитное сопротивление с применением фирменной бессенсорной технологии TruSense. Для малоинерционных приложений, например, для топливных насосов, контроллер MLX81200 измеряет удельное магнитное сопротивление, чтобы сократить время запуска с 200 мс до ~50 мс. Если удельное  магнитное сопротивление измеряется при запуске и в процессе ускорения электропривода, то  время запуска также существенно уменьшается, делая данные приложения весьма надежными.
При быстром ускорении/торможении или из-за случайных изменений давления  пересечение нулевого уровня при детектировании противо-ЭДС может произойти вне диапазона измерений. Контроллер MLX81200 измеряет фазовые напряжения и на их основе экстраполирует момент пересечения нулевого уровня. Это обеспечивает надежное детектирование пересечения нуля, даже если оно происходит вне измеряемого диапазона (см. рис. 2).

Рис. 2. Фазовое интегрирование гарантирует сопровождение пересечения нулевого уровня в условиях большой нагрузки для узкого диапазона измерений и надежную работу в режиме «по требованию» (синяя линия: напряжение противо-ЭДС, розовая линия: ток фазы)

Чтобы гарантировать надежную работу при весьма низких скоростях, в контроллере MLX81200 выполняется интегрирование напряжения противо-ЭДС с помощью фазовых интеграторов. При малых скоростях интегрирование напряжения приводит к усилению амплитуды сигнала противо-ЭДС, обеспечивая при этом фильтрацию каких-либо импульсных помех. Как правило, применение фазовых интеграторов позволяет снизить минимально возможную рабочую скорость электромотора в 2–4 раза с помощью классической схемы управления.
С другой стороны, при максимальных скоростях пересечение нуля может быть скрыто импульсом обратного хода. Технологии с использованием компараторов могут лишь приблизительно определить момент пересечения нуля, что ограничивает максимальный крутящий момент и приводит к росту его пульсаций. Измерения фазового напряжения позволяют точно экстраполировать момент пересечения нуля. В исключительных случаях, например, когда водяной насос работает на максимальной тяговой нагрузке, эффективность электропривода может снижаться. Тогда фазовые интеграторы позволяют ускорить работу электропривода, увеличив угол опережения в ущерб эффективности мотора, не учитывая при этом возможность маскирования импульса обратного хода.
Поскольку бессенсорная технология TruSense на зависит от диапазона измерения противо-ЭДС, обеспечивая надежное детектирование пересечения нуля, максимальная скорость электропривода также может быть увеличена путем использования перекрывающихся положений ротора электропривода. Перекрытие положений ротора может быть реализовано с помощью так называемого трапецеидального управления, которое позволяет снизить пульсации крутящего момента, акустический шум и кондуктивное излучение электромагнитных помех.
Технология TruSense может быть применена и при синусоидальном, или PMSM-управлении, когда уровень шума является критичным параметром для системы (см. рис. 3). Поскольку все больше электроприводов используются в автомобиле для оптимизации топливной экономичности, они увеличивают электрическую нагрузку на аккумулятор. Чтобы минимизировать эту нагрузку, следует использовать любую возможность для снижения минимальной рабочей скорости электропривода. Отношение минимальной к максимальной скорости вращения электропривода (RPMmin/RPMmax) называют динамическим диапазоном. В системах с использованием топливного насоса технология TruSense, реализованная в контроллере MLX81200, существенно увеличивает динамический диапазон: для технологии TruSense RPMmin/RPMmax = 5% (400 об/мин/8000 об/мин) против 22% (1800 об/мин/8000 об/мин) для обычных решений на базе DSP.

Рис. 3. Классификация бессенсорных BLDC-приложений

Применение BLDC-управления в гидравлических системах позволяет отказаться от дорогих датчиков давления. На основе данных о скорости вращения и крутящем моменте электропривода с учетом температурных условий и на базе параметров насоса можно обеспечить контроль давления жидкости в системе.
Ключевой проблемой реализации гидравлических насосов с использованием бессенсорной технологии является надежный и быстрый запуск в условиях изменения нагрузки в широких пределах. Например, 500-Вт насос коробки передач должен увеличить давление до 12 бар за время, не превышающее 50 мс при температуре –40ºC, когда вязкость масла весьма высока, а также при максимальной температуре двигателя, когда вязкость масла существенно снижается.
Контроллер MLX81200, в котором применена бессенсорная технология TruSense, позволяет надежно реализовать эти требования.

Определение положения ротора электропривода
Возможность измерения удельного магнитного сопротивления при низкой скорости вращения электропривода в сочетании с измерением противо-ЭДС на более высокой скорости позволяет современным бессенсорным BLDC-контроллерам типа MLX81200 точно отслеживать положение ротора во всем диапазоне скоростей вращения независимо от величины приложенной нагрузки. Бессенсорная технология находит применение не только в системах для управления насосами и вентиляторами, но и в системах определения положения ротора.
Ключевой идеей в этом случае является использование алгоритмов бессенсорного детектирования положения ротора, расчет и настройка нужного положения актуатора, что необходимо при управлении вентилями и клапанами двигателя или при регулировке положения автомобильных кресел. В качестве примера подобных приложений можно привести также управление клапанами в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (см. рис. 4).

Рис. 4. Клапан системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха на базе бессенсорного BLDC-управления электроприводом с коммуникационным интерфейсом LIN

Передача по каналу обратной связи информации с сенсоров BLDC-электроприводов в электронный блок управления требует применения жгута из 12 проводов и столько же разъемов на плате блока управления. При этом каждый вывод разъема и каждый сенсор являются потенциальными источниками отказа в системе.
Устранение коммутационных датчиков на эффекте Холла и уменьшение размеров разъемов не только снижают стоимость, но и уменьшают размеры приводных механизмов. Заменив сенсорные драйверы на контроллер MLX81200, можно оптимизировать стоимость приложения и его надежность, а также освободить электронный блок управления от задач управления электроприводами.
Кроме того, контроллер MLX81200 способен увеличить максимальную скорость электропривода и снизить уровень электромагнитных помех благодаря интеллектуальным методам управления, в частности, использованию перекрывающихся положений и формированию тока, о чем и шла речь выше.