Spiegazione della forza elettromotrice: come i campi elettromagnetici modellano la progettazione del controller del motore

Immagina un motore brushless che gira alla massima velocità e poi lo stadio di potenza si spegne improvvisamente. Il rotore continua a girare e i terminali del motore mostrano ancora tensione. Quella tensione è la forza elettromotrice, spesso chiamata EMF. È il motore che funge da generatore e produce una tensione opposta che limita il flusso di corrente. Per gli ingegneri progettisti e i team di procurement, il termine EMF non è una nota a piè di pagina teorica. Imposta la velocità massima, influenza i tempi di commutazione e determina quanto deve essere robusto un controller.

Cos'è la forza elettromotrice posteriore?

Back EMF segue dalla legge di induzione di Faraday. Quando la corrente scorre attraverso un avvolgimento dello statore, crea un campo magnetico. Quando il rotore si muove oltre quell'avvolgimento, il flusso magnetico che collega l'avvolgimento cambia e questo cambiamento induce una tensione. Per la legge di Lenz la tensione indotta agisce in una direzione che si oppone alla corrente che ha prodotto il moto. Più velocemente gira il rotore, maggiore diventa questa tensione opposta. Viene utilizzato anche il termine forza controelettromotrice, perché la tensione indotta contrasta letteralmente la tensione applicata.

In forma matematica, la EMF posteriore è E = Ke × ω , dove Ke è la costante della forza elettromotrice posteriore e ω è la velocità angolare. Ke dipende dalle spire dell'avvolgimento, dalla forza del magnete e dalla geometria del motore. Nei motori a magneti permanenti, Ke viene solitamente indicato in V/krpm ed è uno dei primi valori da confrontare quando si accoppia un motore con un controller.

Perché il sostegno ai campi elettromagnetici è importante nella progettazione di azionamenti di motori

La forza elettromagnetica posteriore influisce su quasi ogni parte dell'azionamento del motore. Indica al controller quando commutare, quanto velocemente può funzionare il motore e se è fattibile la commutazione senza sensore.

Indietro EMF e commutazione

In un motore CC senza spazzole, solo due delle tre fasi sono energizzate in ogni istante. Il controller deve sapere quando spostare la corrente alla coppia di avvolgimenti successiva. In un progetto dotato di sensori, i sensori Hall forniscono tale temporizzazione. In un design senza sensori, il controller rileva il passaggio per lo zero della forza elettromotrice posteriore sulla fase non energizzata. A bassa velocità, questo segnale è piccolo; ad alta velocità, è forte. Ecco perché la commutazione sensorless è facile al di sopra di poche centinaia di giri, mentre la partenza da fermo richiede una strategia diversa.

Molti moderni azionamenti sensorless avviano il motore ad anello aperto e poi passano al rilevamento EMF di ritorno una volta che il segnale è stabile. Questo approccio è utilizzato nel nostro Controller per motore DC brushless ad alta efficienza , che mantiene la commutazione efficiente su un ampio intervallo di velocità.

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Indietro EMF e limitazione di velocità

In un circuito equivalente semplificato, la tensione di alimentazione è uguale alla caduta di resistenza dell'avvolgimento più la forza elettromotrice posteriore. All'aumentare della velocità, la forza elettromagnetica posteriore aumenta e lascia meno tensione per spingere la corrente attraverso l'avvolgimento. In assenza di carico, il motore funziona a una velocità in cui la forza elettromagnetica posteriore è quasi uguale alla tensione del bus e la corrente è quasi pari a zero. Ad esempio, un motore da 48 V con un Ke di 10 V/krpm raggiunge circa 4.800 giri al minuto senza carico prima che la FEM posteriore equivalga alla tensione del bus. Per andare più veloce è necessario aumentare la tensione del bus o ridurre Ke. Un motore con Ke elevato non è quindi sempre preferibile poiché limita le prestazioni ad alta velocità a meno che il controller non possa applicare l'indebolimento di campo.

Indietro EMF nel controllo senza sensori

Per i motori sincroni a magneti permanenti, la forza controelettromotrice è sinusoidale. Il controllo sensorless utilizza un osservatore per stimare la posizione del rotore dal vettore EMF posteriore, eliminando la necessità di un sensore meccanico. Ciò riduce i costi e aumenta l'affidabilità, ma l'osservatore deve essere sintonizzato con attenzione. Durante un improvviso cambiamento di carico, la stima della EMF posteriore deve tenere il passo con il segnale reale. Un controller con loop di corrente a bassa latenza, come a Controller per motore DC brushless a risposta rapida , dà all'osservatore un segnale più chiaro da seguire.

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Comprendere il livello software che interpreta i campi elettromagnetici è importante tanto quanto l'hardware. Uno sguardo più da vicino al ruolo del software nei moderni controllori motore mostra come si sta evolvendo la logica pulsionale.

Come misurare la forza elettromotrice nella pratica

Back EMF non è solo un valore calcolato; può essere misurato direttamente. Con un oscilloscopio, sonda la fase del motore rispetto al punto neutro, fai girare il motore e leggi la tensione di picco. Quando il motore è azionato da un controller, acquisire la tensione del terminale durante il tempo di inattività del PWM per evitare disturbi di commutazione. Registrando la tensione a diverse velocità si ottiene una curva lineare la cui pendenza è Ke.

Per misurare Ke, ruotare il motore a 1.000 giri al minuto e leggere la tensione di picco da linea a neutro. Se l'oscilloscopio mostra 12 V, Ke è circa 12 V/krpm per quella configurazione di avvolgimento. Per le misurazioni linea-linea, dividere la lettura per √3 per ottenere il valore per fase.

Per i lettori interessati all'evoluzione delle unità PMSM, il progressi continui nella tecnologia dei motori sincroni a magneti permanenti fornire un contesto utile per i metodi di controllo più recenti.

Considerazioni pratiche sulla progettazione per la selezione del controller

Margine di tensione e protezione da sovratensione

Ogni controllore motore ha una tensione nominale massima del bus. Durante la frenata rigenerativa o la decelerazione rapida, la forza elettromagnetica posteriore può spingere la tensione del bus sopra la linea di alimentazione. Se il controller non è dotato di protezione, il condensatore del bus o i MOSFET di potenza potrebbero danneggiarsi. Un azionamento ben progettato limita la corrente rigenerata o scarica l'energia in eccesso in un resistore. Per applicazioni con variazioni di velocità aggressive, a controllore motore ad alte prestazioni con logica di protezione dedicata gestisce i transitori EMF in modo più sicuro rispetto a un'unità generica.

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Abbinamento del controller al motore

La costante Ke della forza controelettromotrice deve corrispondere alla tensione nominale del controller e all'intervallo di velocità dell'applicazione. Un motore ottimizzato per la coppia a bassa velocità ha spesso un Ke elevato, che produce alta tensione per numero di giri. Se lo stesso motore deve raggiungere un'elevata velocità, il controller deve gestire la tensione più elevata o utilizzare l'indebolimento del campo. Un motore a basso Ke può funzionare più velocemente ma assorbe più corrente per la stessa coppia. Confrontare sempre la tensione nominale, il Ke e i limiti della corrente di picco prima di effettuare un accoppiamento.

La temperatura complica ulteriormente il calcolo. I potenti magneti perdono una piccola percentuale di flusso quando si riscaldano, riducendo il Ke e abbassando la forza elettromagnetica. Il motore funziona quindi più velocemente alla stessa tensione, ma con una coppia inferiore per amp. Un controller che include limiti termici può compensare, ma il comportamento ad alta velocità del sistema cambierà comunque.

Conclusione: la forza elettromagnetica posteriore è un input di progettazione

I campi elettromagnetici posteriori non sono un disturbo da mediare; è un segnale fisico che segnala la velocità del rotore, i tempi di commutazione e il margine di tensione richiesto. Quando valuti un controller motore, chiediti come campiona i campi elettromagnetici a bassa velocità, ad alta velocità e durante la rigenerazione. Il corretto abbinamento di motore e controller determina efficienza, affidabilità e durata.

Come a fornitore di azionamenti per motori , Shanghai APT Power Technology costruisce controller DC e PMSM brushless attorno a queste realtà. Se stai specificando una nuova trasmissione, rivedi i motori e i controller della nostra gamma di prodotti e considera come interagiranno Ke, tensione del bus e forza elettromagnetica di ritorno nel tuo reale inviluppo operativo.