Выбор энкодера двигателя для приводов BLDC: разрешение, интерфейс и посадка

Два прототипа электрических мотоциклов прибыли на один и тот же испытательный стенд с одним и тем же 10-дюймовым мотор-редуктором, одинаковой прошивкой контроллера и одним и тем же аккумулятором. Один пополз вперед со скоростью пешехода плавным, контролируемым рывком. Другой дернулся ниже 3 км/ч и приготовил фазовую обмотку после двадцатиминутного старта в гору. Механические части были идентичны; пути обратной связи не было. Один двигатель имел инкрементальный энкодер с частотой 1024 PPR, другой — набор из трех датчиков Холла и таблицу встроенного программного обеспечения, которая оценивала положение ротора между этапами коммутации.

Урок легко изложить и легко забыть во время закупок: в бесщеточном синхронном приводе постоянного тока или на постоянных магнитах энкодер двигателя решает, насколько точно и надежно контроллер может определить, где находится ротор. Разрешение, выходной интерфейс, механический монтаж и рабочая среда — все это определяет одно число — качество информации о положении, поступающей в контур управления. Относитесь к энкодеру как к аксессуару, и вы заплатите за него пульсациями крутящего момента, отклоненными первыми изделиями или возвратами с эксплуатации.

Что делает энкодер двигателя внутри привода с обратной связью

Энкодер преобразует механическое движение в электрический сигнал, который привод может считать, тактировать или декодировать. В трехфазном бесщеточном приводе контроллеру необходим электрический угол ротора, чтобы решить, когда переключать каждый МОП-транзистор. Датчики Холла обеспечивают шесть дискретных состояний на один электрический оборот: достаточно для шестиступенчатой ​​коммутации, слишком грубо для плавного крутящего момента на низкой скорости. Энкодер добавляет непрерывное положение — инкрементные типы излучают квадратурные импульсы A/B с дополнительным индексным импульсом, тогда как абсолютные типы сообщают закодированное значение положения в момент подачи питания.

Эта разница формирует всю машину, а не только датчик. При использовании инкрементальной обратной связи контроллер должен выполнять возврат в исходное положение после каждого включения и выключения питания, чтобы установить нулевое задание. Благодаря абсолютной обратной связи машина сразу узнает, где она находится, что важно для шасси робота, которому необходимо возобновить движение по маршруту без контрольного прогона, а также для осей рулевого управления или привода, где неожиданное движение при запуске является проблемой безопасности. Большая часть функций интерполяции, фильтрации и обнаружения неисправностей, которые когда-то выполнялись в специализированном оборудовании, теперь выполняется во встроенном программном обеспечении, поэтому роль программного обеспечения в современном управлении двигателем продолжает расширяться.

A6 2422 Сверхтихий бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока Для систем, в которых важна инкрементальная или абсолютная обратная связь, этот контроллер поддерживает вход Холла или магнитного энкодера, а также векторное управление FOC. Просмотреть продукт →

Инкрементный или абсолютный: сопоставьте кодировщик с поведением при запуске.

Начните с одного вопроса: что происходит в первые 200 миллисекунд после поворота ключа? Если машина может выдерживать медленное перемещение эталона, инкрементальный энкодер дешевле и его проще интегрировать. Если это невозможно, честным ответом будет абсолютная обратная связь, а дополнительные затраты будут заложены в бюджет с самого начала, а не на редизайн шесть месяцев спустя.

Разрешение, точность и цифры, которые стоит сравнивать

Приростное разрешение указывается в импульсах на оборот. Энкодер с частотой 1024 PPR, считываемый в четырехкратной квадратуре, дает 4096 отсчетов за оборот. На колесе диаметром 250 мм и окружностью 785 мм один отсчет равен примерно 0,19 мм хода — приемлемо для одометрии и предельно для точного позиционирования. 17-битный абсолютный энкодер обеспечивает 131 072 отсчета за оборот, что составляет около 0,006 мм на том же колесе, и его разрешение не снижается при медленном движении машины.

Разрешение – это не точность. Ошибка интерполяции внутри энкодера, эксцентриситет вала, несоосность муфты и температурный дрейф — все это увеличивает ошибку положения, которую фактически видит контроллер. Запросите у поставщиков общий бюджет погрешностей, а не общий показатель PPR, и протестируйте образец на реальном валу, а не на лабораторном приспособлении. Энкодер на 4096 отсчетов, установленный с эксцентриситетом 0,1 мм, может вести себя хуже, чем чисто установленный блок на 2048 отсчетов.

Интерфейсы, кабели и шум, искажающий обратную связь

Совместимость интерфейса — это то место, где решения о покупке нарушаются. Контроллер с входами 3,3 В не будет надежно считывать показания энкодера TTL 5 В без сдвига уровня, а оптический энкодер может потреблять от 150 до 250 мА от источника питания, рассчитанного на датчик Холла. Сравните максимальную выходную частоту с длиной кабеля, убедитесь, что привод поддерживает абсолютный протокол, который вы собираетесь приобрести, и помните, что длинные кабели с высокой емкостью сглаживают быстрые фронты до тех пор, пока счетчик не исчезнет. Экранированный кабель витой пары, заделываемый на стороне контроллера и проложенный на расстоянии не менее 50 мм от фазных кабелей двигателя, предотвращает большинство этих проблем.

Сторона контроллера заслуживает такого же внимания. Токовые контуры, работающие на частоте от 10 до 20 кГц, не могут использовать разрешение выше, чем поддерживает период выборки, а привод, который хорошо справляется с полеориентированным управлением, преобразует хорошую обратную связь в низкие пульсации крутящего момента и более высокий КПД во всем диапазоне скоростей.

A4 2313 Высокоэффективный бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока Для приводов электрических мотоциклов или электромобилей этот контроллер сочетает векторное управление FOC с CANBUS, Bluetooth и обратной связью Холла или магнитного энкодера. Просмотреть продукт →

Механическое соответствие и окружающая среда: где начинаются сбои в эксплуатации

Энкодеры выходят из строя в полевых условиях по механическим причинам чаще, чем по электрическим. Магнитные и индуктивные типы допускают наличие определенного воздушного зазора — обычно от 0,5 до 1,5 мм между датчиком и магнитом — но этот зазор должен выдерживать тепловое расширение, люфт подшипника и удары. Биение вала, осевое смещение и эксцентриситет ступицы модулируют сигнал, а модулированная обратная связь по положению проявляется на транспортном средстве в виде пульсаций крутящего момента или колебаний скорости. Прежде чем выбирать датчик, укажите пределы биения на чертеже, а затем измерьте их по первому изделию, а не доверяйте брошюре поставщика.

Окружающая среда определяет выбор технологий. Оптические энкодеры обеспечивают высочайшее разрешение и наименьшую устойчивость к пыли, масляному туману и конденсату; Корпус IP67 помогает, но не устраняет изношенное уплотнение вала. Магнитные энкодеры выдерживают пыль и воду, но ослабевают вблизи сильноточных кабелей или крупных стальных конструкций. Для подвесных моторов и прибрежного оборудования солевой туман и гальваническая коррозия делают IP67 с кабельными вводами, предназначенными для морских судов, скорее минимумом, чем преимуществом.

Приложения и требования каждого из них

Одна и та же спецификация энкодера дает очень разные результаты в зависимости от того, где расположен двигатель:

• Электрические мотоциклы и скутеры: плавность хода на низкой скорости и трогание с холма доминируют в первом впечатлении клиента, поэтому квадратурное разрешение и электрическая калибровка угла имеют большее значение, чем точность на максимальной скорости.
• Шасси роботов и транспортные средства с автоматическим управлением: ошибка одометрии накапливается в течение смены, поэтому количество оборотов, умноженное на диаметр колеса, определяет практический бюджет навигации.
• Трансмиссии квадроциклов и UTV: грязь, водные препятствия и вибрация подталкивают к выбору в пользу герметичной магнитной обратной связи с большим допуском воздушного зазора.
• Электрические подвесные моторы: устойчивость к коррозии и целостность кабеля определяют срок службы, а не только разрешающую способность.

Упаковка тоже имеет значение. Интегрированные блоки среднего привода размещают датчик внутри корпуса коробки передач, где масляный туман и тепло являются постоянными соседями и где датчик невозможно заменить, не открывая двигатель. Такая договоренность вознаграждает за раннюю проверку механики и поставщика, который понимает всю трансмиссию, а не датчик, продаваемый только на основе спецификаций.

Двигатели среднего привода B2B для систем привода электровелосипедов Ознакомьтесь с этой категорией двигателей среднего привода B2B, чтобы узнать о вариантах завода/поставщика, сопряжении контроллеров и послепродажной поддержке, имеющей отношение к интегрированным системам привода электронного велосипеда. Просмотреть продукт →

Контрольный список проверки перед выпуском проекта

Большинство проблем с кодировщиками обнаруживаются поздно, поскольку тестирование сосредоточено на таблице данных, а не на сборке. Прежде чем подписать производственный выпуск, выполните следующие действия:

1. Подтвердите, что машина должна делать в течение первых 200 миллисекунд после включения, и пусть этот ответ решит инкрементальный или абсолютный вопрос.
2. Сопоставьте уровни напряжения, протокол, ток питания и максимальную частоту с фактическим входным каскадом контроллера.
3. Измеряйте биение вала, эксцентриситет и воздушный зазор датчика на первом изделии, а не на стендовом приспособлении.
4. Прогоните сборку во всем температурном диапазоне и запишите ошибку положения в крайних точках.
5. Откалибруйте электрическое угловое смещение и сохраните его для каждой партии двигателей, поскольку одна несоосная партия приводит к повсюду пульсациям крутящего момента.
6. Проверьте прокладку и экранирование кабеля в условиях кондуктивных и излучаемых помех при работающем двигателе, а не на холостом ходу.
7. Запросите данные о согласованности между партиями и документированный процесс уведомления об изменениях, поскольку необъявленная версия магнита или диска незаметно делает калибровку прошивки недействительной.

Энкодер двигателя не является компонентом, который нужно покупать в конце проекта и потом прикручивать. Сначала определите поведение при запуске, затем разрешение, которое действительно необходимо приложению, а затем интерфейс и механическую оболочку, которая сможет поддерживать это разрешение в реальной среде. Проверьте комбинированный привод на нагруженном стенде и сохраните запись калибровки вместе с партией двигателей.

Компания Shanghai APT Power Technology создает контроллеры бесщеточных двигателей постоянного тока, двигатели среднего привода и двигатели-концентраторы, используя именно эту последовательность, согласовывая прошивку контроллера с характеристиками двигателя, а не продавая оборудование отдельно. Независимо от того, является ли приложение электрическим мотоциклом, шасси робота, квадроциклом или электрическим подвесным двигателем, обратная связь о положении должна быть предметом первого инженерного разговора, а не первой претензии по гарантии.