1. Che cos'è la Back-EMF?

Quando il rotore a magneti permanenti di un motore BLDC ruota, il suo campo magnetico si muove rispetto agli avvolgimenti statorici e induce una tensione nelle fasi del motore.

Questa tensione generata è chiamata forza controelettromotrice (Back-EMF o BEMF).

In un motore BLDC trifase sensorless, la forma d'onda della back-EMF contiene informazioni relative alla posizione del rotore e alla velocità del motore.

In un sistema BLDC sensorless convenzionale a sei passi (six-step), due fasi del motore vengono alimentate mentre la terza fase viene lasciata flottante. Il controller monitora la fase flottante per rilevarne la back-EMF.

2. Come funziona il rilevamento dello Zero-Crossing della Back-EMF?

Il processo di base può essere riassunto come segue:

Rotazione del motore → Generazione della Back-EMF → Rilevamento dello Zero-Crossing → Stima della posizione del rotore → Commutazione

Durante ciascun settore di commutazione, una fase del motore non viene pilotata attivamente. Il controller monitora questa fase flottante e rileva quando la sua back-EMF attraversa il livello di riferimento.

Per un tipico sistema BLDC a sei passi, il punto di passaggio per lo zero (zero-crossing) presenta una relazione elettrica definita con il punto di commutazione successivo. Nel caso ideale, il controller utilizza un ritardo corrispondente a circa 30 gradi elettrici per determinare la corretta temporizzazione della commutazione.

Il riferimento può essere stabilito utilizzando il punto neutro del motore o, nelle implementazioni più comuni, circa la metà della tensione del bus DC (Vbus/2).

3. Perché la terza fase viene lasciata flottante?

Un motore BLDC trifase ha tre avvolgimenti: U, V e W.

In una sequenza di commutazione sensorless convenzionale a sei passi, due fasi vengono pilotate e la fase rimanente è elettricamente flottante.

La fase flottante offre un modo relativamente diretto per osservare la back-EMF generata dal motore senza misurare direttamente la posizione del rotore.

Questa è una delle differenze fondamentali tra il tradizionale controllo BLDC sensorless a sei passi e la stima della posizione sensorless basata su FOC. Nel controllo FOC, tutte e tre le fasi sono controllate attivamente, pertanto il tradizionale rilevamento dello zero-crossing sulla fase flottante non è direttamente applicabile.

4. Perché il rilevamento della Back-EMF non può funzionare a velocità zero?

Questo è uno dei limiti più importanti del controllo BLDC sensorless.

Quando il motore è fermo, la back-EMF è essenzialmente assente.

Con l'aumentare della velocità del motore, la back-EMF diventa più forte e più facile da rilevare. Di conseguenza, all'avvio il controller non può normalmente determinare la posizione del rotore basandosi unicamente sulla back-EMF.

Un controller BLDC sensorless utilizza tipicamente una sequenza di avvio ad anello aperto o forzato per accelerare il motore finché il segnale di back-EMF non diventa sufficientemente forte per un rilevamento affidabile della posizione.

Questo è il motivo per cui le prestazioni di avvio rappresentano un fattore critico nella scelta di un driver BLDC sensorless.

5. Che cosa influisce sulla precisione del rilevamento della Back-EMF?

In un sistema motore reale, la forma d'onda della back-EMF non è perfettamente pulita.

Diversi fattori possono influire sul rilevamento:

• Rumore di commutazione PWM
  La commutazione ad alta frequenza del ponte MOSFET può introdurre rumore nella tensione di fase rilevata.
• Ringing induttivo
  L'induttanza degli avvolgimenti del motore e le transizioni di commutazione possono creare oscillazioni di tensione (ringing) in corrispondenza degli eventi di commutazione.
• Parametri del motore
  La forma d'onda della back-EMF dipende dalla costruzione del motore, dalle caratteristiche degli avvolgimenti, dalla velocità, dal carico e da altri parametri elettrici.
• Funzionamento a bassa velocità
  A bassa velocità, l'ampiezza e la pendenza della back-EMF sono ridotte, rendendo più difficile il rilevamento dello zero-crossing.
• EMI
  Un layout inadeguato del PCB, cavi del motore lunghi e commutazioni a correnti elevate possono introdurre ulteriori interferenze.

Pertanto, un controllo sensorless affidabile richiede un adeguato filtraggio del segnale, la reiezione del rumore, una corretta temporizzazione della commutazione e il controllo dell'avvio. Microchip identifica in particolare il rumore PWM e il ringing induttivo come sfide pratiche per il rilevamento dello zero-crossing.

6. In che modo JUYI Tech implementa il rilevamento della Back-EMF?

JUYI Tech sviluppa circuiti integrati (IC) per il controllo di motori BLDC sensorless e schede driver progettate per applicazioni in cui i sensori Hall non sono richiesti.

L'IC di controllo per motori BLDC sensorless JY03B integra i circuiti principali di controllo motore, i gate driver per MOSFET e la regolazione interna della tensione, gestendo al contempo il rilevamento della back-EMF, il rilevamento di fase, il controllo dell'avvio e le funzioni di protezione tramite un'architettura basata su hardware.

Le specifiche principali del JY03B includono:

• Tensione di esercizio: 9–36 V DC
• Package: SSOP-28
• Controllo BLDC trifase sensorless
• Frequenza PWM: 16 kHz
• Controllo analogico della velocità: 0–5 V
• Pilotaggio gate high-side: fino a 600 mA
• Pilotaggio gate low-side: fino a 800 mA
• Stadio di potenza a MOSFET esterno
• Controllo basato su hardware senza necessità di firmware MCU

Per gli ingegneri che sviluppano un'applicazione per motori BLDC sensorless, il JY03B consente quindi di ridurre la quantità di circuiti di controllo esterni e lo sviluppo del firmware.

7. Perché il rilevamento della Back-EMF è importante per i driver dei motori BLDC?

Un rilevamento affidabile della back-EMF influisce direttamente su:

• Avvio del motore
• Precisione della commutazione
• Stabilità della velocità
• Coppia erogata
• Efficienza
• Rumore del motore
• Funzionamento ad alta velocità
• Adattabilità al carico

Un abbinamento non ottimale tra motore e controller può causare:

• Mancato avvio
• Rotazione inversa
• Vibrazioni del motore
• Perdita di sincronismo
• Corrente eccessiva
• Surriscaldamento dei MOSFET
• Velocità instabile

Pertanto, la scelta di un controller BLDC non dovrebbe basarsi esclusivamente sui valori nominali di tensione e corrente. È necessario considerare anche le caratteristiche del motore e il comportamento della back-EMF.

Domande frequenti

D1. Che cos'è la Back-EMF in un motore BLDC?

La Back-EMF è la tensione indotta negli avvolgimenti del motore quando il rotore a magneti permanenti ruota. Fornisce informazioni utili sulla posizione e sulla velocità del rotore nel controllo BLDC sensorless.

D2. Come rileva la posizione del rotore un controller BLDC sensorless?

Il controller monitora la back-EMF della fase flottante del motore e rileva il suo passaggio per lo zero. L'evento rilevato viene quindi utilizzato per determinare la corretta temporizzazione della commutazione.

D3. Un motore BLDC può avviarsi utilizzando solo il rilevamento della Back-EMF?

Normalmente no. A velocità zero la back-EMF è minima o nulla, pertanto un controller sensorless necessita generalmente di una sequenza iniziale di avvio o di commutazione ad anello aperto prima che sia disponibile un rilevamento affidabile della BEMF.

D4. Che cos'è il rilevamento dello zero-crossing in un motore BLDC?

Il rilevamento dello zero-crossing identifica quando la back-EMF monitorata raggiunge il suo punto di passaggio di riferimento. In un tipico controller BLDC sensorless a sei passi, questo evento viene utilizzato per stimare la posizione del rotore e pianificare la commutazione successiva.

D5. Il rilevamento della Back-EMF è equivalente al FOC?

No. Il tradizionale rilevamento dello zero-crossing della Back-EMF è comunemente associato alla commutazione BLDC sensorless a sei passi. Il FOC sensorless stima generalmente la posizione del rotore utilizzando tensioni/correnti misurate e un modello del motore o un osservatore, anziché fare affidamento sul passaggio per lo zero di una fase flottante.

D6. Qual è il miglior controller BLDC sensorless?

Non esiste un controller "migliore" in assoluto. La scelta corretta dipende da tensione, corrente, velocità, carico all'avvio, caratteristiche della Back-EMF, requisiti di controllo, funzioni di protezione e condizioni applicative del motore.

Conclusione

Il rilevamento della Back-EMF è una delle tecnologie fondamentali alla base del controllo dei motori BLDC sensorless. Consente al controller di stimare la posizione del rotore a partire dal segnale elettrico del motore anziché utilizzare sensori Hall, rendendo il sistema più semplice, compatto e potenzialmente più economico.

Tuttavia, un corretto funzionamento sensorless richiede molto più del semplice rilevamento di un passaggio per lo zero. È necessario considerare anche il controllo dell'avvio, la qualità del segnale BEMF, il filtraggio, la temporizzazione della commutazione, i parametri del motore, la selezione dei MOSFET, il layout del PCB e il carico dell'applicazione.

L'IC di controllo per motori BLDC sensorless JY03B di JUYI Tech è progettato per semplificare questo tipo di architettura di controllo motore attraverso una soluzione integrata basata su hardware. JUYI Tech fornisce inoltre le relative schede driver BLDC e supporto applicativo per l'adattamento del motore e lo sviluppo del sistema.

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