Controllo della velocità del motore BLDC: spiegazione di anello aperto, anello chiuso e PID

Perché i motori BLDC necessitano del controllo attivo della velocità

Un motore CC con spazzole rallenta o accelera in modo abbastanza diretto: modifica la tensione attraverso le spazzole e il motore risponde. Un motore DC senza spazzole (BLDC) non ha questo lusso. Senza spazzole e commutatore meccanico, qualcos'altro deve decidere quale avvolgimento viene energizzato in quale istante, e lo stesso sistema finisce per essere responsabile anche della velocità.

Quel "qualcos'altro" è il controller del motore. Commuta la corrente attraverso gli avvolgimenti trifase nella sequenza corretta per mantenere il motore in rotazione e, regolando il modo in cui avviene la commutazione, imposta anche la velocità di rotazione del rotore. Se si sbaglia la strategia di controllo, il motore non riesce a raggiungere la velocità richiesta, oppure oscilla e oscilla invece di rimanere stabile, un problema che si presenta costantemente in motori hub comunemente abbinati ad azionamenti BLDC a velocità controllata su e-bike e veicoli elettrici leggeri, dove i ciclisti si aspettano che la risposta dell'acceleratore sia immediata e lineare.

Controllo della velocità ad anello aperto: ciclo di lavoro PWM

Il modo più semplice per controllare la velocità di un motore BLDC è ad anello aperto: il controller regola il ciclo di lavoro della modulazione di larghezza di impulso (PWM) che alimenta i transistor di potenza, che modifica la tensione media applicata agli avvolgimenti, che cambia la velocità. Ciclo di lavoro più elevato, tensione media più elevata, rotazione più rapida. Nessun circuito di feedback controlla se il motore ha effettivamente raggiunto la velocità richiesta: il controller comanda semplicemente un ciclo di lavoro e si fida che il motore lo segua.

Questo approccio è comune perché è economico e semplice da implementare e Guida applicativa di Texas Instruments sul controllo BLDC tramite sensori nota che funziona bene in particolare nei sistemi in cui la relazione tra input e velocità risultante è prevedibile e il tracciamento stretto non è fondamentale. Il compromesso si presenta con carico variabile: senza feedback, un improvviso aumento del carico riduce la velocità e il controller non ha modo di sapere se deve compensare.

Controllo della velocità a circuito chiuso: sensori Hall e feedback

Il controllo ad anello chiuso risolve questo punto cieco aggiungendo un segnale di feedback, solitamente da sensori ad effetto Hall già presenti per la commutazione, a volte da un encoder dedicato. Il controller confronta continuamente la velocità effettiva con quella target, calcola l'errore e regola il ciclo di lavoro PWM in tempo reale per colmare il divario.

Poiché i sensori Hall segnalano già la posizione del rotore ai fini della commutazione, derivare la velocità dai tempi tra le transizioni dello stato Hall comporta un costo hardware aggiuntivo minimo. Ciò rende il controllo ad anello chiuso basato su Hall la scelta predefinita nella maggior parte delle applicazioni BLDC commerciali: mantiene la velocità costante al variare del carico, senza bisogno di un sensore di velocità separato.

Controllo PI e PID: gli algoritmi alla base della precisione a circuito chiuso

I calcoli all'interno del controllo ad anello chiuso di solito si riducono a un controller PI o PID che agisce sull'errore tra la velocità target e quella effettiva.

Un controller PI (proporzionale-integrale) combina un termine proporzionale che reagisce all'errore corrente con un termine integrale che accumula l'errore passato nel tempo, eliminando il piccolo offset a stato stazionario che un termine proporzionale da solo lascerebbe indietro. L'aggiunta di un termine derivato lo trasforma in un controller PID completo, che reagisce anche al tasso di variazione dell'errore, utile per smorzare il superamento nei sistemi che devono stabilizzarsi rapidamente su una velocità target senza oscillare oltre.

Il controllo PI tende ad essere l'impostazione predefinita pratica per la regolazione della velocità per scopi generici perché è più semplice da regolare e meno sensibile al rumore del sensore rispetto a un circuito PID completo. Il PID guadagna la sua maggiore complessità in applicazioni come la robotica o i droni, dove l'impostazione rapida e precisa a una nuova velocità conta più della semplicità della messa a punto.

In che modo la scelta del controller influisce sulla qualità del controllo della velocità nel mondo reale

L'algoritmo di controllo funziona altrettanto bene dell'hardware che lo esegue. Un controller con un circuito di controllo lento o uno scarso rilevamento della corrente continuerà a cacciare e ritardare anche con guadagni PID ben calibrati, motivo per cui la velocità di risposta è importante come specifica hardware, non solo software. Un controller a risposta rapida ottimizzato per una correzione rapida della velocità riduce il ritardo tra una variazione di carico e la risposta di compensazione del controller, che è ciò che determina effettivamente la stabilità del motore in condizioni di oscillazioni di carico reali piuttosto che in un test al banco pulito.

La frequenza di commutazione PWM e la sua interazione con gli avvolgimenti del motore influiscono anche sul lato acustico e meccanico del controllo della velocità: uno schema di commutazione mal regolato può produrre fischi o vibrazioni che peggiorano al variare del ciclo di lavoro. Un controller ultra silenzioso che mantiene basso il rumore di commutazione PWM alla velocità affronta direttamente questo aspetto, che è importante nelle applicazioni consumer in cui il rumore udibile del motore è tanto un motivo di reclamo quanto le prestazioni grezze.

Abbinamento del controller al motore per un controllo affidabile della velocità

Anche un controller a circuito chiuso ben progettato non può compensare una discrepanza tra la sua corrente nominale, la configurazione del sensore Hall e il motore che sta azionando. Il numero di poli, la resistenza di fase e la temporizzazione del sensore sono tutti fattori che incidono sulla precisione con cui un controller può leggere il feedback e rispondere, e un accoppiamento non corrispondente si manifesta come un funzionamento approssimativo a bassa velocità, calore in eccesso o controllo della velocità che non si stabilizza mai del tutto. La nostra guida all'abbinamento tra controller e motore spiega come verificare che le specifiche di un controller siano effettivamente adatte al motore che è destinato a pilotare prima che tali problemi si manifestino sul campo.

Per i lettori che desiderano approfondire il modo in cui l'algoritmo di controllo stesso viene implementato nel firmware, il nostro sguardo più approfondito al livello software dietro i moderni controller motore copre il modo in cui questi cicli di controllo sono strutturati e ottimizzati a livello di firmware.