Forța electromotoare din spate explicată: cum modelează spatele EMF designul controlerului motorului

Imaginați-vă un motor fără perii care se rotește la viteză maximă, apoi treapta de putere se oprește brusc. Rotorul continuă să se rotească, iar bornele motorului arată încă o tensiune. Acea tensiune este forța electromotoare inversă, adesea numită invers EMF. Este motorul care acționează ca un generator și produce o tensiune opusă care limitează fluxul de curent. Pentru inginerii de proiectare și echipele de achiziții, EMF din spate nu este o notă de subsol teoretică. Setează viteza maximă, influențează sincronizarea comutației și determină cât de robust trebuie să fie un controler.

Ce este forța electromotoare înapoi?

EMF din spate urmează din legea inducției lui Faraday. Când curentul trece printr-o înfășurare a statorului, acesta creează un câmp magnetic. Pe măsură ce rotorul trece pe lângă acea înfășurare, fluxul magnetic care leagă înfășurarea se modifică și această schimbare induce o tensiune. După legea lui Lenz, tensiunea indusă acționează într-o direcție care se opune curentului care a produs mișcarea. Cu cât rotorul se rotește mai repede, cu atât această tensiune opusă devine mai mare. Se folosește și termenul de forță contra-electromotoare, deoarece tensiunea indusă contracarează literalmente tensiunea aplicată.

În formă matematică, EMF înapoi este E = Ke × ω , unde Ke este constanta EMF inversă și ω este viteza unghiulară. Ke depinde de spirele înfășurării, puterea magnetului și geometria motorului. În motoarele cu magnet permanenți, Ke este de obicei exprimat în V/krpm și este una dintre primele valori de comparat atunci când asociați un motor cu un controler.

De ce contează EMF înapoi în designul motorului

Back EMF afectează aproape fiecare parte a unui motor. Îi spune controlerului când să comute, cât de repede poate funcționa motorul și dacă comutarea fără senzori este fezabilă.

EMF înapoi și comutație

Într-un motor DC fără perii, doar două dintre cele trei faze sunt alimentate în orice moment. Controlerul trebuie să știe când să schimbe curentul la următoarea pereche de înfășurări. Într-un design cu senzori, senzorii Hall asigură această sincronizare. Într-un design fără senzori, controlerul detectează trecerea cu zero a EMF înapoi pe faza nealimentată. La viteză mică, acest semnal este mic; la viteză mare, este puternic. De aceea, comutația fără senzori este ușoară peste câteva sute de rpm, în timp ce pornirea de la oprire necesită o strategie diferită.

Multe unități moderne fără senzori pornesc motorul în buclă deschisă și apoi trec la detecția EMF înapoi odată ce semnalul este stabil. Această abordare este folosită la noi controler de motor DC fără perii de înaltă eficiență , care menține comutarea eficientă pe o gamă largă de viteze.

A4 Furnizori de controler de motor DC fără perii de înaltă eficiență, fabrică - Shanghai A APT este furnizori de controlere de motor DC fără perii de înaltă eficiență A4 și fabrică de controler de motoare DC fără perii de înaltă eficiență A4 ... Vizualizare produs →

EMF înapoi și limitare de viteză

Într-un circuit echivalent simplificat, tensiunea de alimentare este egală cu căderea rezistenței înfășurării plus EMF din spate. Pe măsură ce viteza crește, EMF din spate crește și lasă mai puțină tensiune pentru a împinge curentul prin înfășurare. Fără sarcină, motorul funcționează la o viteză în care EMF înapoi este aproape egală cu tensiunea magistralei și curentul este aproape zero. De exemplu, un motor de 48 V cu un Ke de 10 V/krpm atinge aproximativ 4.800 rpm fără sarcină înainte ca EMF invers să egaleze tensiunea magistralei. Pentru a merge mai repede, trebuie să creșteți tensiunea magistralei sau să reduceți Ke. Prin urmare, un motor cu Ke ridicate nu este întotdeauna de preferat, limitând performanța la viteză mare, cu excepția cazului în care controlerul poate aplica slăbirea câmpului.

EMF înapoi în control fără senzori

Pentru motoarele sincrone cu magnet permanent, EMF spate este sinusoidal. Controlul fără senzor folosește un observator pentru a estima poziția rotorului din vectorul EMF din spate, eliminând necesitatea unui senzor mecanic. Acest lucru reduce costurile și adaugă fiabilitate, dar observatorul trebuie reglat cu atenție. În timpul unei schimbări bruște a sarcinii, estimarea EMF din spate trebuie să țină pasul cu semnalul real. Un controler cu bucle de curent cu latență scăzută, cum ar fi a controler de motor DC fără perii cu răspuns rapid , oferă observatorului un semnal mai curat de urmat.

R5 Furnizori de controler de motor DC fără perii cu răspuns rapid, fabrică - Shanghai APT APT este furnizori de controlere de motor CC fără perii cu răspuns rapid R5 și fabrică de controler de motor CC fără perii cu răspuns rapid R5 în C... Vizualizare produs →

Înțelegerea stratului software care interpretează EMF înapoi este la fel de importantă ca și hardware-ul. O privire mai atentă asupra rolul software-ului în controlerele de motoare moderne arată cum evoluează logica unității.

Cum se măsoară EMF înapoi în practică

Back EMF nu este doar o valoare calculată; se poate măsura direct. Cu un osciloscop, sondați faza motorului în raport cu punctul neutru, rotiți motorul și citiți tensiunea de vârf. Când motorul este condus de un controler, captați tensiunea terminalului în timpul opririi PWM pentru a evita zgomotul de comutare. Înregistrarea tensiunii la mai multe viteze dă o curbă liniară a cărei pantă este Ke.

Pentru a măsura Ke, rotiți motorul la 1.000 rpm și citiți tensiunea de vârf de la linie la neutru. Dacă luneta arată 12 V, Ke este de aproximativ 12 V/krpm pentru acea configurație de înfășurare. Pentru măsurători linie la linie, împărțiți citirea la √3 pentru a obține valoarea pe fază.

Pentru cititorii interesați de modul în care unitățile PMSM evoluează, progrese continue în tehnologia motoarelor sincrone cu magnet permanent oferă un context util pentru metodele de control mai noi.

Considerații practice de proiectare pentru selectarea controlerului

Marja de tensiune și protecție la supratensiune

Fiecare controler de motor are o tensiune nominală maximă a magistralei. În timpul frânării regenerative sau al decelerarii rapide, EMF înapoi poate împinge tensiunea magistralei deasupra șinei de alimentare. Dacă controlerul nu are protecție, condensatorul magistralei sau MOSFET-urile de putere pot fi deteriorate. O unitate bine proiectată fie limitează curentul regenerat, fie elimină excesul de energie într-un rezistor. Pentru aplicații cu modificări agresive de viteză, a controler de motor de înaltă performanță cu logica de protecție dedicată, gestionează tranzitorii EMF mai sigur decât o unitate generică.

Furnizori de controlere de motor de înaltă performanță seria T, fabrică APT - T300 T400 T500 T720 T1000 T1400 T1800 Fabrica de controlere pentru motoare sincrone cu magneți permanenți, Controlul motorului de înaltă performanță seria T... Vizualizare produs →

Potrivirea controlerului la motor

Constanta EMF inversă Ke trebuie să se potrivească cu tensiunea nominală a controlerului și cu intervalul de viteză de aplicare. Un motor optimizat pentru cuplu la viteză mică are adesea un Ke ridicat, care produce o tensiune ridicată pe RPM. Dacă același motor trebuie să atingă o viteză mare, controlerul trebuie să gestioneze tensiunea mai mare sau să folosească slăbirea câmpului. Un motor cu Ke redusă poate funcționa mai repede, dar consumă mai mult curent pentru același cuplu. Comparați întotdeauna tensiunea nominală, Ke și limitele curentului de vârf înainte de a bloca o împerechere.

Temperatura complică și mai mult calculul. Magneții puternici pierd un procent mic de flux pe măsură ce se încălzesc, reducând Ke și reducând EMF înapoi. Motorul funcționează apoi mai repede la aceeași tensiune, dar cu un cuplu mai mic pe amperi. Un controler care include limite termice poate compensa, dar comportamentul la viteză mare al sistemului se va schimba în continuare.

Concluzie: EMF din spate este o intrare de proiectare

EMF spate nu este o perturbare a mediei; este un semnal fizic care raportează viteza rotorului, timpul de comutare și marja de tensiune necesară. Când evaluați un controler de motor, întrebați cum eșantionează EMF la viteză mică, la viteză mare și în timpul regenerării. Împerecherea corectă între motor și controler determină eficiența, fiabilitatea și durata de viață.

Ca a furnizor de acționare cu motor , Shanghai APT Power Technology construiește controlere DC și PMSM fără perii în jurul acestor realități. Dacă specificați o nouă transmisie, examinați motoarele și controlerele din gama noastră de produse și luați în considerare modul în care Ke, tensiunea magistralei și EMF din spate vor interacționa în cadrul real de funcționare.