۱. نیروی ضد محرکه الکتریکی (Back EMF) چیست؟

هنگامی که روتور آهنربای دائم یک موتور BLDC می‌چرخد، میدان مغناطیسی آن نسبت به سیم‌پیچ‌های استاتور حرکت کرده و ولتاژی را در فازهای موتور القا می‌کند.

به این ولتاژ تولیدشده، نیروی ضد محرکه الکتریکی (Back-EMF یا BEMF) می‌گویند.

در یک موتور BLDC سه‌فاز بدون سنسور (سنسورلس)، شکل موج Back-EMF حاوی اطلاعات مربوط به موقعیت روتور و سرعت موتور است.

در یک سیستم رایج BLDC بدون سنسور شش‌پله‌ای، دو فاز موتور برق‌دار می‌شوند در حالی که فاز سوم به صورت شناور (قطع) رها می‌شود. کنترل‌کننده برای تشخیص Back-EMF، فاز شناور را پایش می‌کند.

۲. تشخیص عبور از صفر Back-EMF چگونه کار می‌کند؟

فرآیند اصلی را می‌توان به این صورت خلاصه کرد:

چرخش موتور ← تولید Back-EMF ← تشخیص عبور از صفر ← تخمین موقعیت روتور ← کموتاسیون

در طول هر سکتور کموتاسیون، یکی از فازهای موتور به طور فعال درایو نمی‌شود. کنترل‌کننده این فاز شناور را پایش کرده و زمان عبور Back-EMF آن از سطح مرجع را تشخیص می‌دهد.

برای یک سیستم BLDC شش‌پله‌ای معمولی، نقطه عبور از صفر دارای یک رابطه الکتریکی مشخص با نقطه کموتاسیون بعدی است. در حالت ایده‌آل، کنترل‌کننده از تاخیری معادل تقریباً ۳۰ درجه الکتریکی برای تعیین زمان‌بندی مناسب کموتاسیون استفاده می‌کند.

نقطه مرجع را می‌توان با استفاده از نقطه خنثی موتور یا در پیاده‌سازی‌های رایج، تقریباً نیمی از ولتاژ باسبار DC (یعنی Vbus/2) تعیین کرد.

۳. چرا فاز سوم شناور رها می‌شود؟

یک موتور BLDC سه‌فاز دارای سه سیم‌پیچ است: U، V و W.

در یک توالی کموتاسیون متداول شش‌پله‌ای بدون سنسور، دو فاز درایو می‌شوند و فاز باقی‌مانده از نظر الکتریکی شناور می‌ماند.

فاز شناور روشی نسبتاً مستقیم برای مشاهده Back-EMF تولیدشده توسط موتور بدون اندازه‌گیری مستقیم موقعیت روتور فراهم می‌کند.

این یکی از تفاوت‌های کلیدی بین کنترل سنتی شش‌پله‌ای BLDC بدون سنسور و تخمین موقعیت بدون سنسور مبتنی بر FOC است. در FOC، هر سه فاز به طور فعال کنترل می‌شوند، بنابراین تشخیص سنتی عبور از صفر با فاز شناور مستقیماً قابل اعمال نیست.

۴. چرا تشخیص Back-EMF در سرعت صفر کار نمی‌کند؟

این یکی از مهم‌ترین محدودیت‌های کنترل بدون سنسور BLDC است.

وقتی موتور ساکن است، اساساً هیچ Back-EMF وجود ندارد.

با افزایش سرعت موتور، Back-EMF قوی‌تر و تشخیص آن آسان‌تر می‌شود. بنابراین، کنترل‌کننده معمولاً نمی‌تواند موقعیت روتور را در هنگام راه‌اندازی صرفاً از روی Back-EMF تعیین کند.

یک کنترل‌کننده بدون سنسور BLDC معمولاً از یک توالی راه‌اندازی حلقه باز یا اجباری برای شتاب دادن به موتور استفاده می‌کند تا زمانی که سیگنال Back-EMF برای تشخیص مطمئن موقعیت به اندازه کافی قوی شود.

به همین دلیل است که عملکرد راه‌اندازی یک معیار حیاتی در هنگام انتخاب درایور BLDC بدون سنسور محسوب می‌شود.

۵. چه عواملی بر دقت تشخیص Back-EMF تأثیر می‌گذارند؟

در یک سیستم موتور واقعی، شکل موج Back-EMF کاملاً بدون نویز و بی‌نقص نیست.

عوامل متعددی می‌توانند بر تشخیص تأثیر بگذارند:

• نویز سوئیچینگ PWM
  سوئیچینگ فرکانس بالا از پل MOSFET می‌تواند باعث ایجاد نویز در ولتاژ حس‌شده فاز شود.
• رینگیگ سلفی (Inductive Ringing)
  اندوکتانس سیم‌پیچ موتور و گذارهای سوئیچینگ می‌توانند نوسانات ولتاژی (Ringing) در اطراف رویدادهای کموتاسیون ایجاد کنند.
• پارامترهای موتور
  شکل موج Back-EMF به ساختار موتور، ویژگی‌های سیم‌پیچ، سرعت، بار و سایر پارامترهای الکتریکی بستگی دارد.
• عملکرد در سرعت پایین
  در سرعت‌های پایین، دامنه و شیب Back-EMF کوچک است و تشخیص عبور از صفر را دشوارتر می‌کند.
• تداخل الکترومغناطیسی (EMI)
  طراحی ضعیف برد مدار چاپی (PCB)، سیم‌های طولانی موتور و سوئیچینگ جریان بالا می‌توانند تداخل بیشتری ایجاد کنند.

بنابراین، کنترل بدون سنسور مطمئن نیازمند فیلترسازی مناسب سیگنال، حذف نویز، زمان‌بندی دقیق کموتاسیون و کنترل صحیح راه‌اندازی است. شرکت Microchip به طور ویژه نویز PWM و رینگینگ سلفی را به عنوان چالش‌های عملی برای تشخیص عبور از صفر شناسایی کرده است.

۶. شرکت JUYI Tech چگونه تشخیص Back-EMF را پیاده‌سازی می‌کند؟

شرکت JUYI Tech آی‌سی‌های کنترل و بردهای درایور موتور BLDC بدون سنسور را برای کاربردهایی که نیازی به سنسورهای اثر هال ندارند، توسعه می‌دهد.

آی‌سی کنترل موتور BLDC بدون سنسور مدل JY03B مدارهای اصلی کنترل موتور، گیت درایورهای MOSFET و رگولاسیون داخلی ولتاژ را ادغام کرده و در عین حال حسگری Back-EMF، تشخیص فاز، کنترل راه‌اندازی و عملکردهای حفاظتی را از طریق یک معماری مبتنی بر سخت‌افزار مدیریت می‌کند.

مشخصات کلیدی JY03B عبارتند از:

• ولتاژ کاری: ۹ تا ۳۶ ولت DC
• پکیج: SSOP-28
• کنترل سه‌فاز BLDC بدون سنسور
• فرکانس PWM: ۱۶ کیلوهرتز
• کنترل آنالوگ سرعت: ۰ تا ۵ ولت
• درایو گیت High-side: تا ۶۰۰ میلی‌آمپر
• درایو گیت Low-side: تا ۸۰۰ میلی‌آمپر
• طبقه قدرت با MOSFET خارجی
• کنترل مبتنی بر سخت‌افزار بدون نیاز به فریم‌ور میکروکنترلر (MCU)

بنابراین، برای مهندسانی که در حال توسعه موتور BLDC بدون سنسور هستند، JY03B می‌تواند حجم مدارهای کنترل خارجی و فرآیند توسعه فریم‌ور مورد نیاز را کاهش دهد.

۷. چرا تشخیص Back-EMF برای درایورهای موتور BLDC مهم است؟

تشخیص مطمئن Back-EMF مستقیماً بر موارد زیر تأثیر می‌گذارد:

• راه‌اندازی موتور
• دقت کموتاسیون
• پایداری سرعت
• گشتاور خروجی
• راندمان
• صدای نویز موتور
• عملکرد در سرعت‌های بالا
• تطبیق‌پذیری با بار

عدم تطابق مناسب میان موتور و کنترل‌کننده ممکن است منجر به موارد زیر شود:

• خطا در راه‌اندازی
• چرخش معکوس
• لرزش موتور
• از دست رفتن همگام‌سازی (سنکرونیزاسیون)
• جریان بیش از حد
• گرم شدن بیش از حد MOSFET
• سرعت ناپایدار

بنابراین، انتخاب یک کنترل‌کننده BLDC نباید تنها بر اساس مقادیر نامی ولتاژ و جریان باشد، بلکه باید ویژگی‌های موتور و رفتار Back-EMF نیز در نظر گرفته شوند.

پرسش‌های متداول

سؤال ۱: نیروی ضد محرکه الکتریکی (Back EMF) در موتور BLDC چیست؟

نیروی Back EMF ولتاژی است که هنگام چرخش روتور آهنربای دائم در سیم‌پیچ‌های موتور القا می‌شود. این ولتاژ اطلاعات مفیدی درباره موقعیت روتور و سرعت در کنترل BLDC بدون سنسور فراهم می‌کند.

سؤال ۲: یک کنترل‌کننده بدون سنسور BLDC چگونه موقعیت روتور را تشخیص می‌دهد؟

کنترل‌کننده، Back-EMF فاز شناور موتور را پایش کرده و عبور آن از صفر را تشخیص می‌دهد. این رویداد شناسایی‌شده سپس برای تعیین زمان‌بندی مناسب کموتاسیون استفاده می‌شود.

سؤال ۳: آیا یک موتور BLDC می‌تواند تنها با استفاده از تشخیص Back-EMF راه‌اندازی شود؟

به طور معمول خیر. در سرعت صفر، Back-EMF ناچیز است یا اصلاً وجود ندارد، بنابراین یک کنترل‌کننده بدون سنسور معمولاً قبل از دسترسی به تشخیص مطمئن BEMF، به یک توالی راه‌اندازی اولیه یا کموتاسیون حلقه باز نیاز دارد.

سؤال ۴: تشخیص عبور از صفر در موتور BLDC چیست؟

تشخیص عبور از صفر مشخص می‌کند که چه زمانی Back-EMF پایش‌شده به نقطه تقاطع با مرجع خود می‌رسد. در یک کنترل‌کننده معمولی BLDC بدون سنسور شش‌پله‌ای، از این رویداد برای تخمین موقعیت روتور و زمان‌بندی کموتاسیون بعدی استفاده می‌شود.

سؤال ۵: آیا تشخیص Back-EMF همان FOC است؟

خیر. تشخیص سنتی عبور از صفر Back-EMF معمولاً با کموتاسیون شش‌پله‌ای BLDC بدون سنسور مرتبط است. FOC بدون سنسور عموماً موقعیت روتور را با استفاده از ولتاژها/جریان‌های اندازه‌گیری‌شده و یک مدل یا مشاهده‌گر (Observer) موتور تخمین می‌زند، نه با تکیه بر عبور از صفر فاز شناور.

سؤال ۶: بهترین کنترل‌کننده BLDC بدون سنسور کدام است؟

هیچ کنترل‌کننده‌ای به عنوان «بهترین» مطلق وجود ندارد. انتخاب صحیح به ولتاژ موتور، جریان، سرعت، بار راه‌اندازی، مشخصات Back-EMF، الزامات کنترلی، عملکردهای حفاظتی و شرایط کاربرد بستگی دارد.

نتیجه‌گیری

تشخیص Back-EMF یکی از فناوری‌های بنیادین در کنترل بدون سنسور موتورهای BLDC است. این فناوری به کنترل‌کننده اجازه می‌دهد موقعیت روتور را به جای استفاده از سنسورهای اثر هال، از سیگنال الکتریکی موتور تخمین بزند که این امر سیستم را ساده‌تر، فشرده‌تر و بالقوه مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌کند.

با این حال، عملکرد موفق بدون سنسور به چیزی فراتر از صرفاً تشخیص عبور از صفر بستگی دارد. کنترل راه‌اندازی، کیفیت سیگنال BEMF، فیلترسازی، زمان‌بندی کموتاسیون، پارامترهای موتور، انتخاب MOSFET، طراحی PCB و بار کاربردی همگی باید مد نظر قرار گیرند.

آی‌سی کنترل موتور BLDC بدون سنسور JY03B محصول شرکت JUYI Tech به منظور ساده‌سازی این نوع معماری کنترل موتور از طریق یک راه‌حل سخت‌افزاری یکپارچه طراحی شده است، در حالی که JUYI Tech بردهای درایور BLDC متناظر و پشتیبانی کاربردی را نیز برای انطباق موتور و توسعه سیستم ارائه می‌دهد.

به دنبال یک آی‌سی درایور موتور BLDC بدون سنسور هستید؟ آی‌سی‌های کنترل موتور BLDC بدون سنسور JY03B/JY02A و بردهای درایور BLDC سری JYQD از شرکت JUYI Tech را برای دستیابی به راه‌حل‌های کاربردی کنترل موتور بررسی کنید.