BLDC 드라이브용 모터 인코더 선택: 분해능, 인터페이스 및 맞춤

두 대의 전기 오토바이 프로토타입이 동일한 10인치 허브 모터, 동일한 컨트롤러 펌웨어 및 동일한 배터리 팩을 사용하여 동일한 테스트 벤치에 도착했습니다. 한 명은 부드럽고 제어 가능한 당김으로 걷는 속도로 앞으로 살금살금 나아갔습니다. 다른 하나는 3km/h 이하로 저속으로 움직이고 언덕이 시작된 지 20분 후에 위상 권선을 요리했습니다. 기계 부품은 동일했습니다. 피드백 경로가 그렇지 않았습니다. 한 모터에는 1,024 PPR 증분 인코더가 탑재되었고, 다른 모터에는 3개의 홀 센서 세트와 정류 단계 사이의 회전자 위치를 추정하는 펌웨어 테이블이 포함되었습니다.

교훈은 설명하기 쉽고 조달 중에 잊어버리기 쉽습니다. 브러시리스 DC 또는 영구 자석 동기식 드라이브에서 모터 인코더는 컨트롤러가 로터의 위치를 ​​얼마나 세밀하고 안정적으로 알 수 있는지 결정합니다. 분해능, 출력 인터페이스, 기계적 장착 및 작동 환경은 모두 제어 루프에 도달하는 위치 정보의 품질이라는 하나의 숫자를 제공합니다. 엔코더를 액세서리로 취급하면 토크 리플, 첫 번째 제품 거부 또는 현장 반품으로 비용을 지불하게 됩니다.

폐쇄 루프 드라이브 내에서 모터 인코더가 수행하는 작업

인코더는 기계적 동작을 드라이브가 계산, 시계 또는 디코딩할 수 있는 전기 신호로 변환합니다. 3상 브러시리스 드라이브에서 컨트롤러는 각 MOSFET을 전환할 시기를 결정하기 위해 회전자 전기 각도가 필요합니다. 홀 센서는 전기 회전당 6개의 개별 상태를 제공합니다. 6단계 정류에는 충분하지만 부드러운 저속 토크에는 너무 거칠습니다. 인코더는 연속 위치를 추가합니다. 증분 유형은 선택적 인덱스 펄스와 함께 A/B 직교 펄스를 방출하는 반면, 절대 유형은 전원이 공급되는 순간 코딩된 위치 값을 보고합니다.

이러한 차이가 센서뿐만 아니라 기계 전체를 형성합니다. 증분 피드백을 사용하면 컨트롤러는 전원을 껐다 켤 때마다 원점 이동을 수행하여 영점 기준을 설정해야 합니다. 절대 피드백을 통해 기계는 기준 실행 없이 경로를 재개해야 하는 로봇 섀시와 시동 시 예기치 않은 움직임이 안전 문제가 되는 조향 또는 액추에이터 축의 경우 위치가 어디에 있는지 즉시 알 수 있습니다. 한때 전용 하드웨어에 존재했던 보간, 필터링 및 오류 감지의 대부분은 이제 펌웨어에 포함됩니다. 이것이 바로 현대 모터 제어에서 소프트웨어의 역할이 계속 확대되는 이유입니다.

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증분 또는 절대: 인코더를 시작 동작에 일치시킵니다.

하나의 질문으로 시작하세요. 키를 돌린 후 처음 200밀리초 동안 무슨 일이 일어나는가? 기계가 느린 기준 이동을 견딜 수 있다면 증분형 인코더가 더 저렴하고 통합이 더 간단합니다. 그럴 수 없다면 절대적인 피드백이 솔직한 대답이고, 추가 비용은 6개월 후 재설계보다는 처음부터 예산에 속한다.

해상도, 정확도 및 비교할 가치가 있는 수치

증분 분해능은 회전당 펄스 수로 표시됩니다. 4배 직교위법으로 판독된 1,024 PPR 인코더는 회전당 4,096개의 카운트를 생성합니다. 원주가 785mm이고 직경이 250mm인 휠에서 한 카운트는 대략 0.19mm의 이동 거리에 해당합니다. 이는 주행 거리 측정에 적합하지만 정밀한 위치 지정에는 한계가 있습니다. 17비트 절대 인코더는 회전당 131,072카운트(동일 휠에서 약 0.006mm)를 제공하며 기계가 천천히 움직일 때 분해능이 붕괴되지 않습니다.

해상도는 정확성이 아닙니다. 인코더 내부의 보간 오류, 샤프트 편심, 커플링 정렬 불량 및 온도 드리프트 모두 컨트롤러가 실제로 확인하는 위치 오류에 추가됩니다. 헤드라인 PPR 수치 대신 전체 오류 예산을 공급업체에 요청하고 실험실 고정 장치가 아닌 실제 샤프트에서 샘플을 테스트하십시오. 0.1mm 편심으로 장착된 4,096카운트 인코더는 깔끔하게 장착된 2,048카운트 장치보다 더 나쁘게 작동할 수 있습니다.

피드백을 손상시키는 인터페이스, 케이블 및 소음

인터페이스 호환성은 구매 결정이 깨지는 부분입니다. 3.3V 입력이 있는 컨트롤러는 레벨 이동 없이는 5V TTL 인코더를 안정적으로 읽을 수 없으며, 광학 인코더는 홀 센서용 크기의 공급 장치에서 150~250mA를 끌어올 수 있습니다. 케이블 길이에 대한 최대 출력 주파수를 확인하고, 드라이브가 구매하려는 절대 프로토콜을 지원하는지 확인하고, 높은 용량의 긴 케이블이 카운트가 사라질 때까지 빠른 가장자리를 마무리한다는 점을 기억하십시오. 컨트롤러 끝에서 종단 처리되고 모터 위상 케이블에서 최소 50mm 떨어진 곳에 배치된 연선 차폐 케이블은 이러한 문제의 대부분을 방지합니다.

컨트롤러 측도 동등한 조사를 받을 자격이 있습니다. 10~20kHz에서 실행되는 전류 루프는 샘플링 기간이 지원하는 것보다 더 미세한 분해능을 사용할 수 없으며 자속 기준 제어를 잘 처리하는 드라이브는 전체 속도 범위에서 좋은 피드백을 낮은 토크 리플과 더 높은 효율성으로 변환합니다.

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기계적 적합성 및 환경: 현장 오류가 시작되는 곳

현장에서 엔코더는 전기적 이유보다 기계적 이유로 고장나는 경우가 더 많습니다. 자기 및 유도 유형은 센서와 자석 사이에 일반적으로 0.5~1.5mm의 정의된 공극을 허용하지만 해당 공극은 열 팽창, 베어링 유격 및 충격을 견뎌야 합니다. 샤프트 런아웃, 축 플로트 및 허브 편심이 신호를 변조하고 변조된 위치 피드백이 차량에 토크 리플 또는 속도 진동으로 나타납니다. 센서를 선택하기 전에 도면에 런아웃 한계를 지정한 다음 공급업체의 브로셔를 신뢰하는 대신 첫 번째 제품에서 이를 측정하십시오.

환경은 기술 선택을 주도합니다. 광학 인코더는 최고의 분해능과 먼지, 오일 미스트 및 응결에 대한 최소 내성을 제공합니다. IP67 하우징이 도움이 되지만 마모된 샤프트 씰을 고치지는 못합니다. 자기 인코더는 먼지와 물에도 견딜 수 있지만 고전류 케이블이나 대형 강철 구조물 근처에서는 약해집니다. 선외 모터 및 연안 장비의 경우 염수 분무 및 갈바닉 부식으로 인해 해양 등급 케이블 글랜드를 사용하면 판매 포인트가 아닌 최소 IP67이 됩니다.

애플리케이션과 각 애플리케이션이 요구하는 사항

동일한 엔코더 사양이라도 모터의 위치에 따라 매우 다른 결과가 나타납니다.

• 전기 오토바이 및 스쿠터: 저속 부드러움과 언덕 출발이 고객의 첫인상을 좌우하므로 직교 해상도와 전기 각도 보정이 최고 속도 정확도보다 더 중요합니다.
• 로봇 섀시 및 자동 가이드 차량: 주행 거리 측정 오류는 교대 동안 누적되므로 회전당 수에 휠 직경을 곱하여 실제 탐색 예산을 설정합니다.
• ATV 및 UTV 드라이브트레인: 진흙, 물 교차점 및 진동으로 인해 에어 갭 허용 오차가 넉넉한 밀봉된 자기 피드백을 선택하게 됩니다.
• 전기 선외 모터: 내식성과 케이블 무결성은 분해능만이 아니라 서비스 수명을 결정합니다.

포장도 중요합니다. 통합된 중간 구동 장치는 오일 미스트와 열이 항상 이웃하고 모터를 열지 않고는 센서를 교체할 수 없는 기어박스 하우징 내부에 센서를 배치합니다. 이러한 배열은 초기 기계적 검토와 사양만으로 판매되는 센서보다는 전체 구동계를 이해하는 공급업체에 보상을 제공합니다.

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디자인을 출시하기 전 검증 체크리스트

대부분의 엔코더 문제는 테스트가 어셈블리보다는 데이터시트에 중점을 두기 때문에 늦게 발견됩니다. 프로덕션 릴리스를 승인하기 전에 다음 단계를 수행하십시오.

1. 전원을 켠 후 처음 200밀리초 동안 기계가 수행해야 하는 작업을 확인하고 그 대답에 따라 증분 또는 절대가 결정됩니다.
2. 전압 레벨, 프로토콜, 공급 전류 및 최대 주파수를 실제 컨트롤러 입력 단계에 일치시킵니다.
3. 벤치 고정 장치가 아닌 첫 번째 제품에서 샤프트 런아웃, 편심 및 센서 에어 갭을 측정합니다.
4. 전체 온도 범위에서 어셈블리를 실행하고 극한의 위치 오류를 기록합니다.
5. 잘못 정렬된 하나의 배치로 인해 모든 곳에서 토크 리플이 발생하므로 전기 각도 오프셋을 보정하고 모터 배치별로 저장합니다.
6. 모터가 공회전하지 않고 부하가 걸린 상태에서 전도 및 방사 소음 하에서 케이블 배선 및 차폐를 확인하십시오.
7. 예고되지 않은 마그넷 또는 디스크 개정으로 인해 펌웨어 교정이 조용히 무효화되므로 배치 간 일관성 데이터와 문서화된 변경 알림 프로세스를 요청하십시오.

모터 엔코더는 프로젝트가 끝날 때 구입하여 나중에 고정하는 구성 요소가 아닙니다. 시작 동작을 먼저 결정한 다음 애플리케이션에 실제로 필요한 해상도를 결정한 다음 실제 환경에서 해당 해상도를 유지할 수 있는 인터페이스와 기계적 엔벨로프를 결정합니다. 로드된 벤치에서 결합된 드라이브를 확인하고 모터 배치와 함께 교정 기록을 유지합니다.

Shanghai APT Power Technology는 하드웨어를 별도로 판매하는 대신 컨트롤러 펌웨어를 모터 특성에 맞춰 정확히 해당 시퀀스를 중심으로 브러시리스 DC 모터 컨트롤러, 미드 드라이브 모터 및 허브 모터를 구축합니다. 응용 분야가 전기 오토바이, 로봇 섀시, ATV 또는 전기 아웃보드인지 여부에 관계없이 위치 피드백은 첫 번째 보증 청구가 아닌 첫 번째 엔지니어링 대화에 속합니다.