Πώς λειτουργούν οι κινητήρες Brushless DC (BLDC)

Η ανάρτηση περιγράφει αναλυτικά τη βασική ιδέα λειτουργίας των κινητήρων DC χωρίς ψήκτρες που ονομάζονται επίσης κινητήρες BLDC.

Διαφορά μεταξύ κινητήρων DC χωρίς ψήκτρες και χωρίς ψήκτρες

Στις παραδοσιακές μας μηχανές βουρτσίσματος χρησιμοποιούνται βούρτσες για την εναλλαγή του κεντρικού κινούμενου ρότορα σε σχέση με τον στάτορα μόνιμου μαγνήτη γύρω από τα χαρτικά.

Οι βούρτσες καθίστανται επιτακτικές επειδή ο ρότορας κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνήτες που χρειάζονται ισχύ για να λειτουργήσει, αλλά καθώς πρέπει επίσης να περιστραφούν τα πράγματα γίνονται αδέξια και οι βούρτσες γίνονται η μόνη εναλλακτική λύση για την παροχή ισχύος στον περιστρεφόμενο ηλεκτρομαγνητικό ρότορα.

Αντίθετα, στους κινητήρες Brushless DC ή στους κινητήρες BLDC έχουμε έναν κεντρικό στάτορα χαρτικών και έναν γύρω κυκλικό ρότορα. Ο στάτης αποτελείται από ένα σύνολο ηλεκτρομαγνητών, ενώ ο ρότορας έχει μόνιμους μαγνήτες τοποθετημένους κατά μήκος της περιμέτρου του σε ορισμένες υπολογισμένες θέσεις.

Χρησιμοποιώντας αισθητήρες Hall Effect

Ο μηχανισμός διαθέτει επίσης αισθητήρα εφέ Hall που είναι εγκατεστημένος για να ανιχνεύσει τη θέση του ρότορα και των μαγνητών του σε σχέση με τον ηλεκτρομαγνήτη στάτη και να ενημερώσει τα δεδομένα σε ένα εξωτερικό κύκλωμα μεταγωγής που στη συνέχεια καθίσταται υπεύθυνος για την ενεργοποίηση / απενεργοποίηση των ηλεκτρομαγνητών στο σωστή ακολουθία ή χρονισμό, επηρεάζοντας μια περιστροφική κίνηση στον ρότορα.

Η παραπάνω εξήγηση μπορεί να γίνει κατανοητή με τη βοήθεια της ακόλουθης βασικής απεικόνισης και έπειτα μέσω μιας περίτεχνης σχεδίασης στις επόμενες εικόνες.

Έχουμε μάθει και γνωρίζουμε αρκετά ενδιαφέροντα πράγματα για μαγνήτες και πώς αλληλεπιδρούν αυτές οι συσκευές.

Γνωρίζουμε ότι ο Βόρειος Πόλος του μαγνήτη προσελκύει τον νότιο Πόλο ενός άλλου μαγνήτη, ενώ σαν πόλους απωθούν.

Πώς τοποθετούνται οι μόνιμοι μαγνήτες

Στο παραπάνω απεικονιζόμενο διάγραμμα βλέπουμε ένα δίσκο με ενσωματωμένο μαγνήτη στην άκρη του (εμφανίζεται με κόκκινο χρώμα) που είναι τοποθετημένος με βόρειο πόλο στραμμένο προς τα έξω, και επίσης έναν ηλεκτρομαγνήτη τοποθετημένο σε παράλληλη εγγύτητα με την κυκλική άκρη του δίσκου που παράγει νότιο μαγνητικό πεδίο όταν ενεργοποιείται.

Υποθέτοντας τώρα ότι η διάταξη είναι τοποθετημένη όπως φαίνεται στο πρώτο άνω διάγραμμα με τον ηλεκτρομαγνήτη σε απενεργοποιημένη κατάσταση.

Σε αυτή τη θέση μόλις ο ηλεκτρομαγνήτης ενεργοποιηθεί με την κατάλληλη είσοδο DC, επιτυγχάνει και παράγει ένα νότιο μαγνητικό πεδίο που επηρεάζει μια δύναμη έλξης πάνω από τον μαγνήτη δίσκου, ο οποίος με τη σειρά του αναγκάζει τον δίσκο να περιστραφεί με κάποια ροπή έως ότου ο μόνιμος μαγνήτης του ευθυγραμμιστεί με οι ηλεκτρομαγνήτες απέναντι από τις γραμμές ροής.

Η παραπάνω ενέργεια δείχνει τη βασική μορφή στην οποία λειτουργεί το concept BLDC.

Πώς λειτουργεί ο κινητήρας BLDC με αισθητήρες Hall Effect

Τώρα ας δούμε πώς πραγματικά εφαρμόζεται η παραπάνω ιδέα χρησιμοποιώντας αισθητήρες εφέ Hall για να διατηρείται μια συνεχής κίνηση πάνω από τον ρότορα.

Το ακόλουθο παράδειγμα διάγραμμα εξηγεί τον μηχανισμό διεξοδικά:

Στο παραπάνω διάγραμμα βλέπουμε βασικά μια απλή διάταξη ρότορα / στάτορα BLDC, όπου το εξωτερικό κυκλικό στοιχείο είναι ο περιστρεφόμενος ρότορας ενώ ο κεντρικός ηλεκτρομαγνήτης γίνεται ο σταθερός στάτορας.

Ο ρότορας θα μπορούσε να φανεί ότι έχει μερικούς μόνιμους μαγνήτες στερεωμένους στην περιφέρεια που έχουν νότιο πόλο ως γραμμές επιρροής της ροής, ο κεντρικός στάτης είναι ένας ισχυρός ηλεκτρομαγνήτης που έχει σχεδιαστεί για να παράγει ισοδύναμη ισχύ μαγνητικής ροής του Βόρειου Πόλου όταν ενεργοποιείται με εξωτερικό DC.

Μπορούμε επίσης να απεικονίσουμε έναν αισθητήρα αίθουσας που βρίσκεται κοντά σε μία από τις γωνίες της εσωτερικής περιφέρειας του ρότορα. Το φαινόμενο της αίθουσας ανιχνεύει ουσιαστικά το μαγνητικό πεδίο του περιστρεφόμενου ρότορα και τροφοδοτεί το σήμα σε ένα κύκλωμα ελέγχου που είναι υπεύθυνο για την τροφοδοσία των ηλεκτρομαγνητών του στάτη.

Αναφερόμενος στην άνω θέση βλέπουμε την κενή περιοχή (η οποία είναι κενή οποιουδήποτε μαγνητικού πεδίου) του ρότορα σε στενή επαφή με τον αισθητήρα της αίθουσας που τον διατηρεί σε κατάσταση απενεργοποιημένης.

Αυτή τη στιγμή, το σήμα απενεργοποίησης από το εφέ της αίθουσας ενημερώνει το κύκλωμα ελέγχου για την ενεργοποίηση των ηλεκτρομαγνητών, το οποίο προκαλεί άμεσα ένα φαινόμενο έλξης στον νότιο πόλο του ρότορα που στέκεται ακριβώς στη γωνία.

Όταν συμβαίνει αυτό, ο Νότιος πόλος κατεβαίνει αυξάνοντας παράγοντας την απαιτούμενη ροπή στον ρότορα και προσπαθεί να ευθυγραμμιστεί σύμφωνα με τον βόρειο πόλο του ηλεκτρομαγνήτη.

Ωστόσο, κατά τη διαδικασία, ο νότιος πόλος του ρότορα τραβιέται επίσης κοντά στον αισθητήρα της αίθουσας (όπως φαίνεται στο κάτω διάγραμμα) που το ανιχνεύει αμέσως και ανάβει ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΕΤΕ το κύκλωμα ελέγχου για να σβήσει τους ηλεκτρομαγνήτες.

Απενεργοποίηση Ο χρόνος των ηλεκτρομαγνητών είναι κρίσιμος

Η απενεργοποίηση των ηλεκτρομαγνητών τη σωστή στιγμή όπως σηματοδοτείται από τον αισθητήρα εφέ αίθουσας απαγορεύει την παύση και την παρεμπόδιση της κίνησης του ρότορα, αλλά του επιτρέπει να συνεχίσει με την κίνηση μέσω της παραγόμενης ροπής έως ότου αρχίσει να σχηματίζεται η προηγούμενη θέση και μέχρι την αίθουσα Ο αισθητήρας «αισθάνεται» ξανά την κενή περιοχή του ρότορα και απενεργοποιείται επαναλαμβάνοντας τον κύκλο.

Η παραπάνω εναλλαγή του αισθητήρα της αίθουσας σύμφωνα με τις διάφορες θέσεις του ρότορα προκαλεί μια συνεχή περιστροφική κίνηση με μια τόκα που μπορεί να είναι ευθέως ανάλογη με τις μαγνητικές αλληλεπιδράσεις στάτορα / ρότορα, και φυσικά τη θέση του αποτελέσματος της αίθουσας.

Οι παραπάνω συζητήσεις εξηγούν τον πιο θεμελιώδη μηχανισμό δύο μαγνητών, έναν αισθητήρα αίθουσας.

Προκειμένου να επιτευχθούν εξαιρετικά υψηλότερες ροπές, χρησιμοποιούνται περισσότεροι μαγνήτες και σύνολα ηλεκτρομαγνητών σε άλλους κινητήρες χωρίς ψήκτρες υψηλότερης απόδοσης, όπου περισσότεροι από ένας αισθητήρες φαινομένων αιθουσών φαίνονται για την εφαρμογή πολλαπλής ανίχνευσης των μαγνητών ρότορα, ώστε να μπορούν να αλλάζουν διαφορετικά σύνολα ηλεκτρομαγνητών προτιμώμενη σωστή ακολουθία.

Τρόπος ελέγχου κινητήρα BLDC

Μέχρι τώρα έχουμε κατανοήσει τη βασική έννοια της εργασίας Κινητήρες BLDC και μάθαμε πώς χρησιμοποιείται ένας αισθητήρας Hall για την ενεργοποίηση του ηλεκτρομαγνήτη του κινητήρα μέσω ενός εξωτερικού συνδεδεμένου ηλεκτρονικού κυκλώματος για τη διατήρηση μιας συνεχούς περιστροφικής κίνησης του ρότορα, στην επόμενη ενότητα θα μελετήσουμε την καταγραφή του τρόπου λειτουργίας του κυκλώματος οδηγού BLDC για τον έλεγχο κινητήρων BLDC

Η μέθοδος εφαρμογής ενός σταθερού ηλεκτρομαγνήτη στάτη και ενός περιστρεφόμενου ελεύθερου μαγνητικού ρότορα εξασφαλίζει βελτιωμένη απόδοση στους κινητήρες BLDC σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς κινητήρες βουρτσισμένου που έχουν ακριβώς την αντίθετη τοπολογία και συνεπώς απαιτούν βούρτσες για τις λειτουργίες του κινητήρα. Η χρήση πινέλων καθιστά τις διαδικασίες σχετικά αναποτελεσματικές όσον αφορά τη μεγάλη διάρκεια ζωής, την κατανάλωση και το μέγεθος.

Μειονέκτημα του BLDC Motor

Αν και, οι τύποι BLDC μπορεί να είναι η πιο αποτελεσματική ιδέα κινητήρα, έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα ότι απαιτεί εξωτερικό ηλεκτρονικό κύκλωμα για τη λειτουργία του. Ωστόσο, με την έλευση των σύγχρονων IC και των ευαίσθητων αισθητήρων Hall, αυτό το ζήτημα φαίνεται τώρα να είναι πολύ ασήμαντο σε σύγκριση με τον υψηλό βαθμό απόδοσης που σχετίζεται με αυτήν την ιδέα.

4 Magnet BLDC Πρόγραμμα οδήγησης Ο Σχεδιασμός

Στο παρόν άρθρο συζητάμε ένα απλό και βασικό κύκλωμα ελέγχου για έναν κινητήρα τεσσάρων μαγνητών, αισθητήρα μονής αίθουσας τύπου BLDC. Η λειτουργία του κινητήρα μπορεί να γίνει κατανοητή με αναφορά στο ακόλουθο διάγραμμα μηχανισμού κινητήρα:

Η παραπάνω εικόνα δείχνει μια βασική διάταξη κινητήρα BLDC που έχει δύο σειρές μόνιμων μαγνητών κατά μήκος της περιφέρειας ενός εξωτερικού ρότορα και δύο ομάδες κεντρικού ηλεκτρομαγνήτη (Α, Β, Γ, Δ) ως στάτορα.

Προκειμένου να ξεκινήσει και να διατηρηθεί μια περιστροφική ροπή είτε A, B είτε C, οι ηλεκτρομαγνήτες D πρέπει να είναι σε ενεργοποιημένη κατάσταση (ποτέ μαζί) ανάλογα με τις θέσεις των βόρειων / νότιων πόλων του μαγνήτη ρότορα σε σχέση με τους ενεργοποιημένους ηλεκτρομαγνήτες.

Πώς λειτουργεί το πρόγραμμα οδήγησης κινητήρα BLDC

Για να είμαστε ακριβείς, ας υποθέσουμε ότι η θέση που φαίνεται στο παραπάνω σενάριο με τα Α και Β σε κατάσταση ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ έτσι ώστε η πλευρά Α να ενεργοποιείται με τον Νότιο πόλο ενώ η πλευρά Β να ενεργοποιείται με τον Βόρειο Πόλο.

Αυτό θα σήμαινε ότι η πλευρά Α θα ασκούσε ένα τράβηγμα πάνω από τον αριστερό μπλε βόρειο πόλο και μια απωθητική επίδραση στη δεξιά πλευρά του νότιου πόλου του στάτη, παρόμοια η πλευρά Β θα τραβούσε τον κάτω κόκκινο νότιο πόλο και θα απωθούσε τον άνω βορρά ο πόλος του ρότορα .... ολόκληρη η διαδικασία θα μπορούσε τότε να υποτεθεί ότι ασκεί μια εντυπωσιακή δεξιόστροφη κίνηση πάνω από τον μηχανισμό του ρότορα.
Ας υποθέσουμε επίσης ότι στην παραπάνω κατάσταση ο αισθητήρας Hall είναι σε απενεργοποιημένη κατάσταση, καθώς μπορεί να είναι μια συσκευή αισθητήρα Hall «ενεργοποιημένου νότου».

Το παραπάνω αποτέλεσμα θα προσπαθούσε να ευθυγραμμίσει και να πιέσει τον ρότορα έτσι ώστε ο νότος να κλειδώνει πρόσωπο με πρόσωπο με την πλευρά Β, ενώ ο βόρειος πόλος με την πλευρά Α, ωστόσο πριν από αυτήν την κατάσταση είναι σε θέση να εκδηλωθεί ο αισθητήρας Hall φέρνει πολύ κοντά στο μετατοπίζοντας τον άνω νότιο πόλο του ρότορα, και όταν αυτό διέρχεται απλώς από τον αισθητήρα Hall, αναγκάζεται να ενεργοποιηθεί, στέλνοντας ένα θετικό σήμα στο συνδεδεμένο κύκλωμα ελέγχου που αποκρίνεται αμέσως και απενεργοποιεί τους ηλεκτρομαγνήτες A / B και ενεργοποιεί τους ηλεκτρομαγνήτες C / D, διασφαλίζοντας ότι η ροπή δεξιόστροφα του ρότορα ενισχύεται και πάλι διατηρώντας μια συνεπή ροπή περιστροφής στον ρότορα.

Βασικό κύκλωμα οδήγησης BLDC

Η παραπάνω εξηγηθείσα εναλλαγή των ηλεκτρομαγνητών σε απόκριση του σήματος ενεργοποίησης του αισθητήρα Hall μπορεί να εφαρμοστεί πολύ απλά χρησιμοποιώντας την ακόλουθη απλή ιδέα κυκλώματος ελέγχου BLDC.

Το κύκλωμα δεν χρειάζεται μεγάλη εξήγηση, καθώς είναι πολύ βασικό, κατά τη διάρκεια των καταστάσεων ενεργοποίησης του αισθητήρα Hall, το BC547 και το συζευγμένο TIP122 ανάβουν αντίστοιχα, το οποίο με τη σειρά του ενεργοποιεί τα αντίστοιχα σετ ηλεκτρομαγνητών που είναι συνδεδεμένα στον συλλέκτη τους και θετικά , κατά τη διάρκεια των περιόδων απενεργοποίησης του αισθητήρα Hall, το ζεύγος BC547 / TIP122 απενεργοποιείται, αλλά το ακραίο αριστερό τρανζίστορ TIP122 είναι ενεργοποιημένο ενεργοποιώντας τα αντίθετα σετ ηλεκτρομαγνήτη.

Η κατάσταση εναλλάσσεται εναλλακτικά, συνεχώς όσο παραμένει ισχύς διατηρώντας το BLDC περιστρεφόμενο με τις απαιτούμενες ροπές και ορμή.