In dit hoofdstuk wordt per subdoelstelling de theorie behandeld. Minder bekende termen en woorden zijn terug te vinden in de verklarende woordenlijst. Extra informatie over de onderwerpen is te vinden via de literatuurlijst.
2.1 Aansturing BLDC motoren
De BLDC motor wordt aangestuurd door gebruik te maken van het zogeheten Six-step (Figuur 1). De verschillende states worden de commutatie states genoemd.
Hier betekent commutatie de verwisseling van stroomrichting.
Figuur 1 Six-step aansturing voor 3 fases in ster
Hierbij wordt één omwenteling van de rotor opgedeeld in 6 states. Voorbeeld van state 1: Wanneer phase A hoog is en phase C laag is gaat er een stroom lopen waardoor een magnetisch veld wordt gegenereerd. Aangezien de rotor permanente magneten bevat, wordt de rotor naar het veld toe getrokken. Door op het juiste
moment naar de volgende state te gaan, met het daarbij behorende magnetisch veld, gaat de rotor draaien.
2.2 BEMF meten
BEMF (Back Electro Motive Force) is de elektrische spanning, die wordt gegenereerd in een spoel door een draaiend magnetisch veld. De grote van de BEMF is
afhankelijk van het toerental.
8
Figuur 2 Voorbeeld van een theoretisch BEMF signaal van 3 fase.
Bij Sensorless BLDC motoren met drie fasen wordt de BEMF gemeten op de zwevende fase. Alle drie de fases kunnen zich in drie toestanden bevinden. Dit betekent hoog, laag of zwevend. Omdat altijd maar twee fases aangestuurd worden blijft er één fase over, welke gebruikt wordt als sensor.
De redenen, dat BEMF wordt toegepast, zijn:
- Het is bruikbaar voor een grote reeks motoren.
- Het kan gebruikt worden voor Y(Ster) 3 fase motoren.
- Er is geen uitgebreide kennis van motor eigenschappen nodig.
- Het is relatief ongevoelig voor tolerantie variatie in de motor productie.
- Het is te gebruiken voor spanning en stroom regeling.
Het grootste nadeel van de BEMF methode is dat deze niet werkt voor applicaties waarbij de motor snelheid bijna nul is. Daarentegen is BEMF uitermate geschikt voor ventilatoren en pompen.
2.3 BEMF van feed-forward naar feed-back
Om over te kunnen stappen van feed-forward naar BEMF met Zero-Crossing moet voor sommige motoren eerst het BEMF signaal geconditioneerd worden. Deze conditionering is nodig om een betrouwbare en leesbare BEMF te maken voor de Zero-cross methode. Dit houd in dat de Flyback puls van het BEMF signaal zo klein mogelijk moet zijn. Hiernaast moeten de hellingen van de Falling en Raising BEMF schuin genoeg zijn.
Figuur 3 Signaal van six-step aansturing van een Magna motor
In Figuur 3 zijn met de rode ovalen de flyback pulsen omcirkeld. Een flyback puls is het gevolg van de stroom door een spoel. De stroom in de spoel moet eerst nog “nul”
worden voordat de stroom de andere richting op kan gaan. Tussen de zwarte lijnen is met pijlen aangegeven wat het BEMF signaal is. In het signaal zijn ook duidelijk de slope’s te zien van eerst de Falling gevolgd door de Raising BEMF.
9
2.4 Zero-Crossing
Figuur 4 Ideale BEMF voor Zero-crossing methode
In Figuur 4 zie je zes sectoren van ieder 60º. Deze sectoren vormen samen één elektrische rotatie. Iedere keer als er wordt gecommuteerd, dan wordt van sector gewisseld. Om een efficiënte en vloeiende motor regeling te hebben is het nodig om een offset van 30º tussen de Crossings te hebben. Het midden van de Zero-Crossing is de spanning in de zwevende fase wanneer deze nul is. Dit bevindt zich op 30º nadat gecommuteerd is. Na nog eens 30º is de volgende commutatie.
Figuur 5 Hardware voorbeeld Z-Crossing
Een hardware voorbeeld over Zero-Crossing wordt uitgelegd aan de hand van Figuur 5.
Wanneer Q1 en Q6 worden aangestuurd volgens sector 1 uit figuur 4, geldt dat positieve stroom in fase R(gedefineerd als stroom die richting het sterpunt gaat) en negatieve stroom in fase B gaat lopen. Als we er vanuit gaan dat de twee uiteinden van de actieve fases symetrisch verbonden zijn met de tegenovergestelde DC rails dan ligt het ½ Vdc punt altijd in het sterpunt. Dit ongeacht de polariteit van het voltage over de twee actieve spoelen.
Echter zal de ½ Vdc waarde alleen waar zijn wanneer de fases gelijk zijn in de termen: R,L en BEMF en wanneer de schakelaar en diode spanningsafname gelijk zijn. Kleine afwijkingen geven echter geen waarneembare problemen voor het gros van de systemen. Eventuele problemen zijn te verhelpen met software.
10
2.5 Constanten tegenover variabelen
Met een computer kunnen we gegevens verwerken. Dit betekent dat een computer gegevens opslaat en daarna manipuleert. In een programma doen we dit met behulp van variabelen en constanten. Een constante kan toegekend worden aan een
variabele en deze variabele kan in de loop van het programma gewijzigd worden.
Een constante daarentegen kan niet gewijzigd worden.
In dit verslag heeft variabel nog een betekenis. Hiermee wordt bedoeld dat het programma flexibel moet zijn en dat de variabelen in hun functies los moeten staan van de motoren. Hierdoor kunnen de functies hergebruikt worden voor andere toepassingen zonder dat deze aangepast hoeven worden.
2.6 Regelbaar maken met PI(D)
De PID-regelaar is zowat de meest voorkomende regelaar in de procesregeling.
De letters PID staan hier voor Proportioneel, Integrerend en Differentiërend.
P-actie: Proportioneel betekent dat het verschil in wenswaarde en gemeten waarde met een ingestelde factor wordt versterkt.
I-actie: De integrerende term zorgt voor een constante sommatie van de fout en blijft meer signaal uitsturen afhankelijk van hoe lang er een fout bestaat tussen gemeten en gewenste waarde. Ti noemt men hier wel de nastel tijd, dit wil zeggen de tijd (in seconden) die nodig is om een even grote waarde te krijgen als de P-actie. Een kleine Ti geeft een krachtige I-actie.
D-actie: De differentiërende term wordt minder gebruikt dan de twee voorgaande. De D-actie reageert op de snelheid van de verandering van de fout. Dus enkel bij het aanleggen van een stap (directe verandering van de wenswaarde bijvoorbeeld van 10°C naar 30°C) zal de D-actie haar bijdrage in een regelaar geven.
11