Qual è l’aspetto più importante nella diagnostica dei motori brushless a corrente continua? Misurazione del motore BLDC

Misurazione del motore BLDC – come controllare un motore brushless a corrente continua e individuare la causa del guasto?

La misurazione del motore BLDC consiste nella valutazione simultanea degli avvolgimenti, dei sensori di posizione del rotore, dell’elettronica di controllo e delle forme d’onda di tensione e corrente del sistema di azionamento. In pratica non è sufficiente controllare solo la resistenza degli avvolgimenti, perché un motore brushless a corrente continua funziona correttamente solo quando meccanica, magnetismo, retroazione e commutazione elettronica collaborano nel momento giusto. Per questo una diagnostica efficace del motore BLDC dovrebbe comprendere sia la misurazione degli avvolgimenti del motore BLDC sia la misurazione dei sensori nel motore BLDC, il controllo del controller e l’analisi dei segnali con oscilloscopio.

I motori BLDC sono ampiamente utilizzati nell’automazione industriale, negli azionamenti di precisione, nei servoazionamenti, nei dispositivi di trasporto, nei ventilatori, nelle pompe, nelle macchine per l’imballaggio, nei sistemi di posizionamento e negli impianti che richiedono un’elevata efficienza. I loro vantaggi sono l’assenza di spazzole, la minore usura meccanica, l’elevata dinamica e un buon controllo della coppia. Allo stesso tempo, il guasto di un azionamento di questo tipo può essere più difficile da diagnosticare rispetto a un motore classico a spazzole, perché il problema può trovarsi non solo nel motore stesso, ma anche nel sensore Hall, nell’encoder, nel controller BLDC, nello stadio di potenza, nei cavi di segnale o nell’algoritmo di commutazione.

Per il reparto manutenzione è fondamentale distinguere rapidamente se la causa del problema si trova nel motore BLDC stesso, nell’elettronica di controllo, nel sistema di retroazione o nelle condizioni operative della macchina. Una diagnosi errata può portare alla sostituzione non necessaria di un motore funzionante, al ritorno dello stesso guasto dopo il riavvio della macchina oppure al danneggiamento di altri componenti dell’azionamento.

Affida la misurazione del motore BLDC e verifica se il problema riguarda gli avvolgimenti, i sensori di posizione, il controller o lo stadio di potenza, prima che il guasto fermi la produzione più a lungo.

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Cosa comprende la diagnostica del motore BLDC e perché la sola misurazione degli avvolgimenti non basta?

Perché un motore BLDC richiede una diagnostica completa?

Un motore BLDC, cioè un motore brushless a corrente continua, è una costruzione sincrona in cui il campo magnetico rotante dello statore non viene generato da un commutatore meccanico e da spazzole, ma dalla commutazione precisa delle fasi tramite elettronica di potenza. In un sistema di questo tipo il controller svolge la funzione di commutatore elettronico, mentre il momento della commutazione delle fasi dipende dall’informazione sulla posizione del rotore.

Ciò significa che la diagnostica del motore BLDC deve comprendere non solo il motore stesso, ma l’intero sistema di azionamento. Anche se gli avvolgimenti presentano una resistenza corretta, il motore può non funzionare correttamente quando il controller interpreta in modo errato la posizione del rotore, uno dei sensori Hall genera un segnale disturbato, l’encoder perde impulsi oppure uno degli interruttori a transistor nello stadio di potenza non commuta la fase nel momento corretto.

Nella pratica industriale è particolarmente importante controllare la relazione tra tre aree:

• lo stato elettrico del motore, cioè resistenza, induttanza, simmetria e isolamento degli avvolgimenti,
• la retroazione, cioè sensori Hall, encoder, resolver o metodo Back EMF,
• l’elettronica di controllo, cioè controller BLDC, stadio di potenza, transistor, segnali di gate e forme d’onda sulle fasi U, V, W.

Questo approccio consente di evitare una situazione in cui il motore viene considerato danneggiato solo perché l’azionamento non si avvia, anche se la causa reale è un errore del sensore di posizione, un cavo di segnale danneggiato, una commutazione errata o un guasto del controller.

Quali sintomi indicano un problema con un motore BLDC?

Il guasto di un motore BLDC raramente si limita a un solo sintomo evidente. Molto spesso i sintomi sono simili ai problemi del controller, dell’inverter, del servoazionamento, del sistema di alimentazione o dell’elettronica di controllo. Per questo, prima di sostituire un componente, conviene eseguire le misurazioni del motore brushless a corrente continua e confermare quale elemento provoca realmente il difetto.

I sintomi più frequenti dei problemi con un motore BLDC includono:

• mancato avviamento nonostante la presenza del segnale di comando,
• strappi durante l’avviamento,
• funzionamento irregolare a bassa velocità,
• calo della coppia di lavoro sotto carico,
• arresto del motore in una determinata posizione del rotore,
• surriscaldamento del motore o del controller,
• errori del controller legati a sovraccarico, posizione, corrente o commutazione,
• funzionamento instabile della macchina dopo la sostituzione del controller o del motore,
• disturbi nei segnali provenienti dai sensori di posizione,
• danni a cascata dei componenti dello stadio di potenza.

Un sintomo particolarmente caratteristico dei problemi agli avvolgimenti è il calo della coppia, i problemi di avviamento e il funzionamento irregolare delle fasi. In caso di danneggiamento dei sensori Hall o dell’encoder, invece, il motore può tentare di partire, ma compie brevi movimenti caotici, si arresta oppure genera un errore di posizione. In caso di guasto degli interruttori a transistor nel controller, può comparire la mancanza di una fase, una forma d’onda di tensione irregolare, una corrente eccessiva o il rapido danneggiamento di altri elementi nello stesso ramo di corrente.

Quali parametri del motore BLDC bisogna controllare per primi?

I parametri più importanti del motore BLDC nella diagnostica sono la resistenza degli avvolgimenti, l’induttanza delle fasi, la simmetria delle misurazioni tra le fasi, lo stato dell’isolamento, la correttezza dei segnali dei sensori di posizione e la conformità delle forme d’onda generate dal controller. La misurazione deve essere eseguita con il controller scollegato, perché l’elettronica di potenza può falsare i risultati o danneggiarsi durante una procedura di prova non corretta.

Misurazione della resistenza degli avvolgimenti delle fasi U, V, W

La misurazione di base degli avvolgimenti del motore BLDC comprende il controllo della resistenza tra le fasi U, V e W. In un motore trifase i valori dovrebbero essere simili, perché ogni avvolgimento di fase dovrebbe avere parametri fisici analoghi. Una differenza significativa tra le fasi può indicare un cortocircuito tra spire, un’interruzione nell’avvolgimento, un collegamento danneggiato o un problema dovuto al surriscaldamento del motore.

Va ricordato che in molti motori BLDC le resistenze degli avvolgimenti sono molto basse, quindi un normale multimetro può non essere sufficiente per una valutazione affidabile. In questi casi è necessaria una misurazione più precisa delle basse resistenze, preferibilmente tenendo conto della qualità dei puntali di misura e della ripetibilità del risultato. La sola informazione che “c’è continuità” non è sufficiente in una diagnostica professionale.

Misurazione dell’induttanza e valutazione della simmetria delle fasi

Il secondo passo importante è la misurazione dell’induttanza delle singole fasi. È proprio il confronto tra resistenza e induttanza a fornire un quadro più completo dello stato degli avvolgimenti. Un motore può mostrare una resistenza apparentemente corretta e allo stesso tempo presentare un problema visibile solo nella misurazione dell’induttanza, soprattutto in caso di cortocircuiti tra spire o danni locali all’isolamento degli avvolgimenti.

La mancanza di simmetria nelle misurazioni delle fasi è uno dei segnali di allarme più importanti. In un motore BLDC funzionante correttamente, il campo magnetico dovrebbe essere generato in modo uniforme. Se una fase ha parametri diversi, l’azionamento può perdere coppia, surriscaldarsi, assorbire più corrente o causare errori del controller durante l’avviamento e il funzionamento sotto carico.

Misurazione dei sensori nel motore BLDC

La misurazione dei sensori nel motore BLDC è importante tanto quanto la diagnostica degli avvolgimenti. Un motore brushless a corrente continua deve sapere dove si trova il rotore rispetto alle bobine dello statore. Senza questa informazione, il controller non è in grado di attivare le fasi appropriate nel momento corretto.

A seconda della costruzione del motore, vengono utilizzati diversi metodi per determinare la posizione del rotore:

• sensori Hall, che di solito generano tre segnali logici corrispondenti ai successivi stati di commutazione,
• encoder ottici o magnetici, che consentono di determinare con precisione la posizione angolare del rotore,
• metodo sensorless Back EMF, che utilizza la forza controelettromotrice indotta nella fase inattiva,
• modelli matematici e algoritmi di stima, comprese soluzioni basate sul filtraggio dei segnali, ad esempio con l’utilizzo del filtro di Kalman.

Se un sensore Hall, un encoder o un cavo di segnale funziona in modo instabile, il controller può ricevere informazioni errate sulla posizione del rotore. In questo caso il motore può strattonare, arrestarsi, funzionare in modo irregolare oppure generare un errore nonostante gli avvolgimenti siano corretti.

Hai un problema con un azionamento BLDC nella macchina? Affida la misurazione del motore BLDC per confermare se la causa del guasto riguarda gli avvolgimenti, i sensori di posizione, il controller, l’elettronica di potenza o le condizioni operative del sistema.

Come controllare un motore BLDC passo dopo passo in condizioni di assistenza?

Primo passo: scollegamento del motore dal controller e valutazione preliminare del sistema

Prima di iniziare le misurazioni, il motore BLDC deve essere scollegato in sicurezza dal controller. Questo è importante sia per la sicurezza della misurazione sia per l’affidabilità dei risultati. L’elettronica di controllo, i transistor di potenza, i filtri, le protezioni e i collegamenti interni del controller possono influenzare le letture se la misurazione viene eseguita senza separare il motore dal sistema di controllo.

La diagnostica preliminare dovrebbe comprendere:

• controllo dei cavi di alimentazione e di segnale,
• valutazione di connettori, pin, schermatura e collegamenti di massa,
• controllo di tracce di surriscaldamento, umidità, contaminazione o danni meccanici,
• verifica se il problema si presenta sempre o solo sotto carico,
• controllo della cronologia degli errori del controller, dell’inverter o del servoazionamento.

Già in questa fase è spesso possibile restringere l’area di ricerca. Se la macchina si arresta solo con un carico maggiore, la causa può essere un calo della coppia, un problema con una fase, una commutazione errata o un danneggiamento dello stadio di potenza. Se l’azionamento non parte affatto, occorre controllare con particolare attenzione i sensori di posizione, l’alimentazione del controller, i cavi di segnale e gli avvolgimenti.

Secondo passo: misurazione degli avvolgimenti del motore BLDC

La misurazione degli avvolgimenti del motore BLDC dovrebbe comprendere almeno la resistenza e l’induttanza di ogni fase. In un motore trifase si confrontano le misurazioni tra i punti U, V, W. L’obiettivo non è solo ottenere valori numerici, ma soprattutto valutare la simmetria.

Durante la diagnostica è opportuno prestare attenzione alle seguenti situazioni:

• una fase ha una resistenza chiaramente diversa – possibile cortocircuito, interruzione o collegamento danneggiato,
• l’induttanza di una fase differisce dalle altre – possibile cortocircuito tra spire o danno locale dell’avvolgimento,
• i risultati sono instabili – possibile problema con il connettore, il cavo, la temperatura o un danno meccanico,
• il motore ha avvolgimenti corretti, ma non si avvia – occorre passare alla diagnostica dei sensori e del controller.

Nei motori bifase la procedura può essere diversa rispetto ai motori trifase, perché alcune costruzioni richiedono un polo di avviamento aggiuntivo. Se il rotore si ferma in una posizione sfavorevole, l’azionamento può avere difficoltà a partire da fermo. Per questo l’interpretazione delle misurazioni deve tenere conto della specifica costruzione del motore, e non solo del principio generale di funzionamento dei BLDC.

Terzo passo: diagnostica dei sensori Hall, dell’encoder o del Back EMF

Dopo aver confermato la simmetria degli avvolgimenti, bisogna verificare se il controller riceve informazioni corrette sulla posizione del rotore. Nei motori con sensori Hall si analizzano più spesso tre segnali logici che cambiano stato durante la rotazione del rotore. La loro sequenza deve essere stabile, ripetibile e conforme al ciclo di commutazione previsto.

Nel caso degli encoder ottici o magnetici, la diagnostica consiste nel controllo degli impulsi, dei fronti dei segnali, dei canali A e B, dell’eventuale canale Z e della qualità delle forme d’onda. Disturbi, perdite di impulsi o sfasamenti dei segnali possono causare una valutazione errata della posizione del rotore e, di conseguenza, problemi di coppia, velocità e stabilità di funzionamento.

Nei sistemi sensorless, il controller utilizza il metodo Back EMF, cioè l’analisi della forza controelettromotrice indotta nella fase attualmente inattiva. La commutazione avviene in base alle variazioni di questo valore, ad esempio nel momento del passaggio per lo zero. Questo tipo di diagnostica richiede l’analisi delle forme d’onda e delle condizioni operative, perché a velocità molto basse il segnale Back EMF può essere debole e difficile da interpretare.

Nelle soluzioni più avanzate, la posizione del rotore può essere stimata da modelli matematici che utilizzano le correnti e le tensioni misurate. Tali sistemi possono compensare gli errori di misura, ma al tempo stesso richiedono una catena di misura efficiente, parametri del motore corretti e un’elettronica di controllo correttamente funzionante.

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Quarto passo: diagnostica del controller, degli interruttori di potenza e delle forme d’onda con oscilloscopio

Se gli avvolgimenti e i sensori di posizione sono efficienti, la diagnostica deve comprendere il controller BLDC. È lui a decidere quando e in quale sequenza attivare le singole fasi. In un sistema BLDC trifase lavorano normalmente sei interruttori di commutazione, il più delle volte basati su transistor di potenza. Il guasto di un solo interruttore può disturbare il funzionamento dell’intero azionamento e, in molti casi, portare a danni a cascata di altri componenti nello stesso ramo di corrente.

Per la verifica del controller è indispensabile un oscilloscopio. La diagnostica può comprendere:

• misurazione delle forme d’onda di tensione sui morsetti del motore U, V, W,
• controllo dei segnali di gate dei transistor,
• analisi della correttezza della sequenza di commutazione,
• valutazione delle forme d’onda PWM,
• confronto dei segnali con l’algoritmo di controllo previsto,
• verifica delle differenze tra controllo trapezoidale e sinusoidale.

Nel controllo trapezoidale ci si aspettano forme d’onda diverse rispetto al controllo sinusoidale. Per questo la persona che esegue la diagnostica deve sapere quale tipo di controllo utilizza lo specifico azionamento. Senza questa informazione è facile interpretare erroneamente una forma d’onda corretta come non corretta o viceversa.

Nella pratica di assistenza è molto importante anche verificare che il problema non derivi dall’alimentazione, da sovraccarichi meccanici, da danni ai cavi, da interferenze elettromagnetiche o da errori di comunicazione industriale. Un motore BLDC lavora spesso come parte di un sistema più ampio, in cui partecipano controllori PLC, pannelli HMI, moduli I/O, alimentatori, convertitori, inverter, servoazionamenti e sistemi di sicurezza.

Cosa può succedere se la diagnostica del motore BLDC viene eseguita in modo superficiale?

Una diagnostica superficiale del motore BLDC può portare a errori costosi. Lo scenario più frequente è la sostituzione di un motore che non era la causa principale del guasto. Dopo il riavvio della macchina, il problema ritorna perché in realtà era danneggiato il sensore di posizione, il controller, il cavo di segnale, lo stadio di potenza oppure era stato interpretato in modo errato un errore di commutazione.

Le conseguenze di una diagnostica imprecisa possono includere:

• acquisto non necessario di un nuovo motore BLDC,
• prolungamento del fermo produzione,
• arresti macchina ripetuti,
• danneggiamento del controller dopo il collegamento di un motore non controllato,
• danneggiamento del motore causato da uno stadio di potenza difettoso,
• maggiori costi di manutenzione,
• rischio di guasto di ulteriori componenti dell’automazione industriale.

Per uno stabilimento produttivo spesso non è il motore stesso l’elemento più costoso, ma il tempo in cui la macchina non lavora. Per questo una misurazione professionale del motore BLDC dovrebbe dare una risposta non solo alla domanda se il motore è danneggiato, ma anche perché il sistema non funziona correttamente e quali elementi devono essere controllati prima del riavvio.

Quando affidare una misurazione professionale del motore BLDC?

Vale la pena affidare una misurazione professionale del motore BLDC quando l’azionamento non si avvia, lavora in modo irregolare, perde coppia, genera errori del controller, si surriscalda o provoca arresti ciclici della macchina. È particolarmente importante quando il motore BLDC lavora in un’applicazione critica per la produzione e una diagnosi errata può significare molte ore di fermo o il danneggiamento di un controller costoso.

La misurazione del motore brushless a corrente continua dovrebbe essere eseguita anche prima di ricollegare il motore al controller dopo un guasto dello stadio di potenza. Se nel motore è presente un cortocircuito tra spire, un’asimmetria delle fasi o un sensore di posizione danneggiato, il riavvio può portare al danneggiamento di altri transistor, dell’alimentatore, dell’inverter o del servoazionamento.

In RGB Elektronika eseguiamo la diagnostica di motori e sistemi di azionamento utilizzati nell’automazione industriale. Controlliamo non solo il motore BLDC stesso, ma anche gli elementi che influenzano il suo funzionamento: avvolgimenti, sensori di posizione, encoder, elettronica di controllo, stadi di potenza e segnali di comando. Questo consente di stabilire più rapidamente se il problema riguarda il motore, il controller, i cavi, la retroazione o le condizioni operative della macchina.

Se il motore BLDC non funziona correttamente, non limitare la diagnostica a una sola misurazione. Affida la misurazione del motore BLDC e verifica se la causa del guasto riguarda gli avvolgimenti, i sensori, la commutazione elettronica, il controller o lo stadio di potenza. Questo permette di ridurre il rischio di una sostituzione errata dei componenti, accorciare il fermo e riportare la macchina al lavoro in modo più sicuro.

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