Brushless DC Motor - Πλεονεκτήματα, Εφαρμογές & Έλεγχος

Δοκιμάστε Το Όργανο Μας Για Την Εξάλειψη Των Προβλημάτων





Ορισμός

Ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες αποτελείται από έναν ρότορα με τη μορφή μόνιμου μαγνήτη και στάτη με τη μορφή πολυφασικών περιελίξεων οπλισμού. Διαφέρει από τον συμβατικό κινητήρα dc έτσι ώστε να μην περιέχει βούρτσες και η εναλλαγή γίνεται χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά, χρησιμοποιώντας μια ηλεκτρονική κίνηση για να τροφοδοτήσει τις περιελίξεις του στάτη.

Βασικά, ένας κινητήρας BLDC μπορεί να κατασκευαστεί με δύο τρόπους - τοποθετώντας τον ρότορα έξω από τον πυρήνα και τις περιελίξεις στον πυρήνα και έναν άλλο τοποθετώντας τις περιελίξεις έξω από τον πυρήνα. Στην προηγούμενη διάταξη, οι μαγνήτες του ρότορα ενεργούν ως μονωτής και μειώνουν το ρυθμό απαγωγής θερμότητας από τον κινητήρα και λειτουργούν με χαμηλό ρεύμα. Χρησιμοποιείται συνήθως σε θαυμαστές. Στην τελευταία διάταξη, ο κινητήρας διαλύει περισσότερη θερμότητα, προκαλώντας έτσι αύξηση της ροπής του. Χρησιμοποιείται σε σκληρούς δίσκους.




BLDC

BLDC

4 Πόλος 2 φάση λειτουργία κινητήρα

Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες οδηγείται από μια ηλεκτρονική μονάδα που αλλάζει την τάση τροφοδοσίας μεταξύ των περιελίξεων του στάτη καθώς ο ρότορας περιστρέφεται. Η θέση του ρότορα παρακολουθείται από τον μορφοτροπέα (οπτικός ή μαγνητικός) ο οποίος παρέχει πληροφορίες στον ηλεκτρονικό ελεγκτή και με βάση αυτή τη θέση, προσδιορίζεται η περιέλιξη του στάτορα που θα ενεργοποιηθεί. Αυτή η ηλεκτρονική μονάδα δίσκου αποτελείται από τρανζίστορ (2 για κάθε φάση) που λειτουργούν μέσω μικροεπεξεργαστή.



BLDC DC

BLDC-DC

Το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από τους μόνιμους μαγνήτες αλληλεπιδρά με το πεδίο που προκαλείται από το ρεύμα στις περιελίξεις του στάτη, δημιουργώντας μια μηχανική ροπή. Το ηλεκτρονικό κύκλωμα μεταγωγής ή ο κινητήρας αλλάζει το ρεύμα τροφοδοσίας στο στάτορα έτσι ώστε να διατηρείται σταθερή γωνία 0 έως 90 μοίρες μεταξύ των αλληλεπιδρώντων πεδίων. Οι αισθητήρες Hall είναι συνήθως τοποθετημένοι στον στάτορα ή στον ρότορα. Όταν ο ρότορας περνά μέσα από τον αισθητήρα της αίθουσας, με βάση τον Βόρειο ή Νότιο Πόλο, παράγει ένα σήμα υψηλού ή χαμηλού. Με βάση το συνδυασμό αυτών των σημάτων, καθορίζεται η περιέλιξη προς ενεργοποίηση. Προκειμένου να διατηρηθεί ο κινητήρας σε λειτουργία, το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από τις περιελίξεις πρέπει να αλλάξει θέση, καθώς ο ρότορας κινείται για να καλύψει το πεδίο στάτορα.

BLDC DC Motor

Κύκλωμα

Σε έναν κινητήρα dc 4 πόλων, χωρίς ψήκτρες, χρησιμοποιείται ένας αισθητήρας απλής αίθουσας, ο οποίος είναι ενσωματωμένος στον στάτορα. Καθώς ο ρότορας περιστρέφεται, ο αισθητήρας της αίθουσας ανιχνεύει τη θέση και αναπτύσσει ένα υψηλό ή χαμηλό σήμα, ανάλογα με τον πόλο του μαγνήτη (Βόρεια ή Νότια). Ο αισθητήρας της αίθουσας συνδέεται μέσω μιας αντίστασης στα τρανζίστορ. Όταν εμφανίζεται ένα σήμα υψηλής τάσης στην έξοδο του αισθητήρα, το τρανζίστορ που συνδέεται με το πηνίο Α αρχίζει να διεξάγεται, παρέχοντας τη διαδρομή για τη ροή του ρεύματος και ενεργοποιώντας έτσι το πηνίο Α. Ο πυκνωτής αρχίζει να φορτίζει στην πλήρη τάση τροφοδοσίας. Όταν ο αισθητήρας της αίθουσας ανιχνεύει μια αλλαγή στην πολικότητα του ρότορα, αναπτύσσει ένα σήμα χαμηλής τάσης στην έξοδο του και δεδομένου ότι το τρανζίστορ 1 δεν έχει τροφοδοσία, είναι σε κατάσταση διακοπής. Η τάση που αναπτύσσεται γύρω από τον πυκνωτή είναι Vcc, η οποία είναι η τάση τροφοδοσίας στο 2αρτο τρανζίστορ και το πηνίο Β είναι τώρα ενεργοποιημένο, καθώς το ρεύμα διέρχεται από αυτό.

Οι κινητήρες BLDC έχουν σταθερούς μόνιμους μαγνήτες, οι οποίοι περιστρέφονται και σταθερό οπλισμό, εξαλείφοντας τα προβλήματα σύνδεσης ρεύματος με το κινούμενο οπλισμό. Και πιθανώς περισσότεροι πόλοι στο ρότορα από τους κινητήρες στάτορα ή απροθυμία. Ο τελευταίος μπορεί να είναι χωρίς μόνιμους μαγνήτες, απλώς πόλους που προκαλούνται στον ρότορα και στη συνέχεια τραβιούνται σε μια διάταξη με χρονομετρημένες περιελίξεις στάτορα. Ένας ηλεκτρονικός ελεγκτής αντικαθιστά το συγκρότημα βούρτσας / μετατροπέα του κινητήρα DC βουρτσισμένου, ο οποίος αλλάζει συνεχώς τη φάση στις περιελίξεις για να διατηρήσει τον κινητήρα περιστροφή. Ο ελεγκτής εκτελεί συγκριτική χρονική κατανομή ισχύος χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα στερεάς κατάστασης αντί για το σύστημα πινέλου / μετατροπέα.


Κινητήρας BLDC

Κινητήρας BLDC

7 Πλεονεκτήματα των Brushless DC Motors

  • Καλύτερη ταχύτητα έναντι χαρακτηριστικών ροπής
  • Υψηλή δυναμική απόκριση
  • Υψηλής απόδοσης
  • Μεγάλη διάρκεια ζωής λόγω έλλειψης ηλεκτρικών και τριβών
  • Αθόρυβη λειτουργία
  • Υψηλότερες ταχύτητες

Εφαρμογές:

Το κόστος του Motor Brushless DC έχει μειωθεί από την παρουσίασή του, λόγω των εξελίξεων στα υλικά και το σχεδιασμό. Αυτή η μείωση του κόστους, σε συνδυασμό με τα πολυάριθμα σημεία εστίασης που διαθέτει πάνω από το Brush DC Motor, καθιστά το Brushless DC Motor ένα δημοφιλές συστατικό σε πολλές ξεχωριστές εφαρμογές. Οι εφαρμογές που χρησιμοποιούν το BLDC Motor περιλαμβάνουν, αλλά δεν περιορίζονται σε:

  • Καταναλωτικά ηλεκτρονικά
  • Μεταφορά
  • Θέρμανση και αερισμός
  • Βιομηχανική μηχανική
  • Μηχανική μοντέλων

Αρχή της εργασίας

Οι αρχές λειτουργίας των κινητήρων BLDC είναι τα ίδια όπως για έναν κινητήρα DC βουρτσισμένου, δηλαδή, η ανατροφοδότηση της θέσης του εσωτερικού άξονα. Στην περίπτωση ενός βουρτσισμένου κινητήρα DC, η ανατροφοδότηση πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας έναν μηχανικό μετατροπέα και βούρτσες. Μέσα στον κινητήρα BLDC, επιτυγχάνεται με τη χρήση πολλαπλών αισθητήρων ανάδρασης. Στους κινητήρες BLDC χρησιμοποιούμε ως επί το πλείστον έναν αισθητήρα Hall-effect, κάθε φορά που οι μαγνητικοί πόλοι του ρότορα περνούν κοντά στον αισθητήρα της αίθουσας, παράγουν ένα σήμα υψηλού ή χαμηλού επιπέδου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της θέσης του άξονα. Εάν η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου αντιστραφεί, η τάση που αναπτύσσεται θα αντιστραφεί επίσης.

Έλεγχος κινητήρα BLDC

Η μονάδα ελέγχου υλοποιείται από τη μικροηλεκτρονική έχει πολλές επιλογές υψηλής τεχνολογίας. Αυτό μπορεί να υλοποιηθεί χρησιμοποιώντας έναν μικροελεγκτή, έναν ειδικό μικροελεγκτή, μια ενσύρματη μικροηλεκτρονική μονάδα, ένα PLC ή παρόμοια άλλη μονάδα.

Ο αναλογικός ελεγκτής εξακολουθεί να χρησιμοποιεί, αλλά δεν μπορεί να επεξεργαστεί μηνύματα ανάδρασης και να ελέγξει ανάλογα. Με αυτόν τον τύπο κυκλωμάτων ελέγχου, είναι δυνατό να εφαρμοστούν αλγόριθμοι ελέγχου υψηλής απόδοσης, όπως έλεγχος διανύσματος, έλεγχος προσανατολισμένου πεδίου, έλεγχος υψηλής ταχύτητας, οι οποίοι σχετίζονται με την ηλεκτρομαγνητική κατάσταση του κινητήρα. Επιπλέον, ο έλεγχος εξωτερικού βρόχου για διάφορες δυναμικές απαιτήσεις, όπως χειριστήρια συρόμενου κινητήρα, προσαρμοστικός έλεγχος, έλεγχος πρόβλεψης… κ.λπ. εφαρμόζονται επίσης συμβατικά.

Εκτός από όλα αυτά, βρίσκουμε υψηλής απόδοσης PIC (Power Integrated Circuit), ASIC (Application Specific Integrated Circuits) κ.λπ. που μπορεί να απλοποιήσει σημαντικά την κατασκευή του ελέγχου και της ηλεκτρονικής μονάδας ισχύος. Για παράδειγμα, σήμερα έχουμε πλήρη ρυθμιστή PWM (Pulse Width Modulation) σε ένα μόνο IC που μπορεί να αντικαταστήσει ολόκληρη τη μονάδα ελέγχου σε ορισμένα συστήματα. Το Compound driver IC μπορεί να προσφέρει την πλήρη λύση οδήγησης και των έξι διακοπτών ισχύος σε έναν τριφασικό μετατροπέα. Υπάρχουν πολλά παρόμοια ολοκληρωμένα κυκλώματα με όλο και περισσότερο προσθήκη μέρα με τη μέρα. Στο τέλος της ημέρας, η συναρμολόγηση συστήματος θα περιλαμβάνει πιθανώς μόνο ένα κομμάτι λογισμικού ελέγχου με όλο το υλικό να έρχεται στο σωστό σχήμα και φόρμα.

Το κύμα PWM (Pulse Width Modulation) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της ταχύτητας του κινητήρα. Εδώ δίνεται η μέση τάση ή το μέσο ρεύμα που ρέει μέσω του κινητήρα θα αλλάξει ανάλογα με τον χρόνο ON και OFF των παλμών που ελέγχουν την ταχύτητα του κινητήρα, δηλαδή ο κύκλος λειτουργίας του κύματος ελέγχει την ταχύτητά του. Με την αλλαγή του κύκλου λειτουργίας (ώρα ON), μπορούμε να αλλάξουμε την ταχύτητα. Ανταλλάσσοντας τις θύρες εξόδου, θα αλλάξει αποτελεσματικά την κατεύθυνση του κινητήρα.

Ελεγχος ταχύτητας

Ο έλεγχος ταχύτητας του κινητήρα BLDC είναι απαραίτητος για να λειτουργήσει ο κινητήρας με τον επιθυμητό ρυθμό. Η ταχύτητα ενός κινητήρα DC χωρίς ψήκτρες μπορεί να ελεγχθεί ελέγχοντας την τάση εισόδου DC. Όσο υψηλότερη είναι η τάση, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα. Όταν ο κινητήρας λειτουργεί σε κανονική λειτουργία ή λειτουργεί κάτω από την ονομαστική ταχύτητα, η τάση εισόδου του οπλισμού αλλάζει μέσω του μοντέλου PWM. Όταν ένας κινητήρας λειτουργεί πάνω από την ονομαστική ταχύτητα, η ροή εξασθενεί μέσω της προώθησης του εξερχόμενου ρεύματος.

Ο έλεγχος ταχύτητας μπορεί να είναι έλεγχος ταχύτητας κλειστού βρόχου ή ανοικτού βρόχου.

Έλεγχος ταχύτητας Open Loop - Περιλαμβάνει απλώς τον έλεγχο της τάσης dc που εφαρμόζεται στους ακροδέκτες κινητήρα κόβοντας την τάση dc. Ωστόσο, αυτό οδηγεί σε κάποια μορφή περιορισμού ρεύματος.

Έλεγχος ταχύτητας κλειστού βρόχου - Περιλαμβάνει τον έλεγχο της τάσης τροφοδοσίας εισόδου μέσω της ανάδρασης ταχύτητας από τον κινητήρα. Έτσι, η τάση τροφοδοσίας ελέγχεται ανάλογα με το σήμα σφάλματος.

Ο έλεγχος ταχύτητας κλειστού βρόχου αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία.

  1. Ένα κύκλωμα PWM για τη δημιουργία των απαιτούμενων παλμών PWM. Μπορεί να είναι είτε μικροελεγκτής είτε χρονόμετρο IC.
  2. Μια συσκευή ανίχνευσης για την αίσθηση της πραγματικής ταχύτητας του κινητήρα. Μπορεί να είναι αισθητήρας εφέ αιθουσών, αισθητήρας υπερύθρων ή οπτικός κωδικοποιητής.
  3. Μια κίνηση κινητήρα για τον έλεγχο της λειτουργίας του κινητήρα.

Αυτή η τεχνική αλλαγής της τάσης τροφοδοσίας βάσει του σήματος σφάλματος μπορεί να γίνει είτε μέσω της τεχνικής ελέγχου pid είτε με χρήση ασαφούς λογικής.

Εφαρμογή στον έλεγχο ταχύτητας κινητήρα DC χωρίς ψήκτρες

Έλεγχος κινητήρα BLDC DC

Έλεγχος κινητήρα BLDC DC

Η λειτουργία του κινητήρα ελέγχεται χρησιμοποιώντας μια διάταξη οπτικού συζεύκτη και MOSFET, όπου η ισχύς DC εισόδου ελέγχεται μέσω της τεχνικής PWM από τον μικροελεγκτή. Καθώς ο κινητήρας περιστρέφεται, το υπέρυθρο φως που υπάρχει στον άξονα του φωτίζεται με λευκό φως λόγω της παρουσίας λευκού σημείου στον άξονα του και αντανακλά το υπέρυθρο φως. Η φωτοδίοδος λαμβάνει αυτό το υπέρυθρο φως και υφίσταται μια αλλαγή στην αντίστασή της, προκαλώντας έτσι μια αλλαγή στην τάση τροφοδοσίας στο συνδεδεμένο τρανζίστορ και ένας παλμός δίνεται στον μικροελεγκτή για να παράγει τον αριθμό περιστροφών ανά λεπτό. Αυτή η ταχύτητα εμφανίζεται στην οθόνη LCD.

Η απαιτούμενη ταχύτητα εισάγεται στο πληκτρολόγιο που συνδέεται με τον Μικροελεγκτή. Η διαφορά μεταξύ της αισθητήριας ταχύτητας και της επιθυμητής ταχύτητας είναι το σήμα σφάλματος και ο μικροελεγκτής δημιουργεί το σήμα PWM σύμφωνα με το σήμα σφάλματος, με βάση την ασαφή λογική για να δώσει την είσοδο ισχύος dc στον κινητήρα.

Έτσι, χρησιμοποιώντας τον έλεγχο κλειστού βρόχου, μπορεί να ελεγχθεί η ταχύτητα του κινητήρα DC χωρίς ψήκτρες και μπορεί να περιστραφεί με οποιαδήποτε επιθυμητή ταχύτητα.

Δικαιώματα φωτογραφίας: