Cum funcționează motoarele DC fără perii (BLDC)

Postul detaliază în mod cuprinzător conceptul de operare de bază al motoarelor de curent continuu fără perii, numit și motor BLDC

Diferența dintre motoarele DC periate și fără perii

În motoarele noastre tradiționale cu perii, periile sunt folosite pentru a comuta rotorul central în mișcare față de statorul magnetic permanent din papetărie din jur.

Periile devin imperative, deoarece rotorul este realizat cu ajutorul unor electro-magneți care au nevoie de energie pentru a funcționa, dar, de asemenea, trebuie să rotească, lucrurile devin stângace, iar periile devin singura alternativă pentru furnizarea de energie rotorului electromagnetic rotativ.

Dimpotrivă, la motoarele DC fără perii sau motoarele BLDC avem un stator central de papetărie și un rotor circular înconjurător. Statorul este alcătuit dintr-un set de electro-magneți, în timp ce rotorul are magneți permanenți fixați pe perimetrul său la anumite poziții calculate.

Utilizarea senzorilor de efect Hall

Mecanismul are, de asemenea, un senzor de efect Hall care este instalat pentru a detecta poziția rotorului și a magneților săi față de electromagnetul stator și pentru a informa datele către un circuit de comutare extern care devine apoi responsabil pentru activarea / dezactivarea electro magneților la secvență sau sincronizare corectă, influențând o mișcare de rotație pe rotor.

Explicația de mai sus poate fi înțeleasă cu ajutorul următoarei ilustrații de bază și apoi printr-un design elaborat în imaginile ulterioare.

Am învățat și știm destul de multe lucruri interesante despre magneți și modul în care interacționează aceste dispozitive.

Știm că un pol nord al magnetului atrage polul sud al unui alt magnet în timp ce polii se resping.

Cum sunt poziționați magneții permanenți

În diagrama de mai sus, vedem un disc cu un magnet încorporat la marginea acestuia (prezentat în culoare roșie), care este poziționat cu polul nord orientat spre exterior și, de asemenea, un electromagnet plasat la o apropiere paralelă de marginea circulară a discului, care produce o câmp magnetic sudic când este energizat.

Acum, presupunând că aranjamentul este poziționat așa cum se arată în prima diagramă superioară cu electromagnetul într-o stare dezactivată.

În această poziție, de îndată ce electromagnetul este activat cu o intrare DC adecvată, acesta atinge și generează un câmp magnetic sudic care influențează o forță de tracțiune asupra magnetului discului care, la rândul său, forțează discul să se rotească cu un cuplu până când magnetul său permanent se aliniază cu electromagnetii opuși liniilor de flux.

Acțiunea de mai sus arată formatul de bază în care funcționează conceptul BLDC.

Cum funcționează motorul BLDC cu senzorii de efect Hall

Acum, să vedem cum de fapt conceptul de mai sus este implementat folosind senzori de efect Hall pentru a susține o mișcare continuă peste rotor.

Următorul diagramă de exemplu explică mecanismul în mod cuprinzător:

În diagrama de mai sus vedem practic un aranjament direct rotor / stator BLDC, în care elementul circular exterior este rotorul rotativ, în timp ce electromagnetul central devine statorul fix.

Rotorul poate fi văzut având câțiva magneți permanenți fixați la periferie care au polul sud ca linii de influență ale fluxului, statorul central este un electromagnet puternic care este conceput pentru a genera o putere echivalentă a fluxului magnetic al Polului Nord atunci când este alimentat cu un DC extern.

De asemenea, putem vizualiza un senzor de hol situat lângă unul din colțurile periferiei rotorului interior. Efectul de hall detectează fundamental câmpul magnetic al rotorului rotativ și alimentează semnalul către un circuit de control responsabil de alimentarea electro-magneților statorului.

Referindu-ne la poziția superioară, vedem zona goală (care este lipsită de orice câmp magnetic) a rotorului în contact strâns cu senzorul de hol menținându-l într-o stare OPRIT.

În acest moment, semnalul de oprire din efectul hol informează circuitul de comandă să pornească electromagnetii, ceea ce induce instantaneu un efect de tragere a polului sudic al rotorului, aflat chiar după colț.

Când se întâmplă acest lucru, polul sud cade în creștere, producând cuplul necesar pe rotor și încearcă să se alinieze în conformitate cu polul nord al electromagnetului.

Cu toate acestea, în acest proces, polul sudic al rotorului se apropie de senzorul de hol (așa cum se arată în diagrama inferioară), care detectează imediat acest lucru și pornește informând circuitul de comandă să oprească electro magneții.

Timpul de oprire a electro-magneților este crucial

Oprirea electro-magneților la momentul potrivit, așa cum este semnalizată de senzorul de efect hall, interzice blocarea și împiedicarea mișcării rotorului, mai degrabă îi permite să continue cu mișcarea prin cuplul generat până când poziția anterioară începe să se modeleze și până la hol senzorul încă o dată „simte” zona goală a rotorului și se oprește repetând ciclul.

Comutarea de mai sus a senzorului de hol, în conformitate cu diferitele poziții ale rotorului, determină o mișcare de rotație continuă cu o tocă care poate fi direct proporțională cu interacțiunile magnetice stator / rotor și, bineînțeles, poziționarea efectului de hol.

Discuțiile de mai sus explică cele mai fundamentale două magnet, un mecanism senzor de hol.

Pentru a obține cupluri excepțional de mari, sunt folosiți mai mulți magneți și seturi de electro-magneți în alte motoare fără perii cu eficiență mai mare, în care mai mult de un senzor de efect de hală poate fi văzut pentru implementarea detecției multiple a magneților rotorului, astfel încât diferite seturi de electromagneti ar putea fi comutați secvența corectă preferată.

Cum se controlează motorul BLDC

Până acum am înțeles conceptul de bază de lucru al Motoare BLDC și am aflat cum este utilizat un senzor Hall pentru activarea electromagnetului motorului printr-un circuit electronic atașat extern pentru susținerea unei mișcări rotative continue a rotorului, în secțiunea următoare vom studia regadarea modului în care funcționează efectiv circuitul driver BLDC pentru controlul motoarelor BLDC

Metoda de implementare a unui electromagnet fix statoric și a unui rotor magnetic rotativ asigură o eficiență sporită motoarelor BLDC în comparație cu motoarele tradiționale periate care au exact topologia opusă și, prin urmare, necesită perii pentru funcționarea motorului. Utilizarea periilor face ca procedurile să fie relativ ineficiente în ceea ce privește durata de viață lungă, consumul și dimensiunea.

Dezavantajul motorului BLDC

Deși tipurile BLDC pot fi cel mai eficient concept de motor, are un dezavantaj semnificativ că necesită un circuit electronic extern pentru a-l opera. Cu toate acestea, odată cu apariția IC-urilor moderne și a senzorilor sensibili Hall, această problemă pare acum să fie destul de banală în comparație cu gradul ridicat de eficiență implicat de acest concept.

Driver cu 4 magnet BLDC Designul

În prezentul articol discutăm despre un circuit de control simplu și de bază pentru un motor BLDC cu patru senzori cu un singur senzor de hală. Funcționarea motorului poate fi înțeleasă prin referirea la următoarea diagramă a mecanismului motorului:

Imaginea de mai sus prezintă un aranjament de bază al motorului BLDC având două seturi de magneți permanenți pe periferia unui rotor extern și două seturi de electromagnet central (A, B, C, D) ca stator.

Pentru a iniția și menține un cuplu de rotație fie A, B, fie C, electromagnetii D trebuie să se afle într-o stare activată (niciodată împreună), în funcție de pozițiile polilor nord / sud ai magnetului rotorului față de electromagnetii activați.

Cum funcționează driverul de motor BLDC

Pentru a fi precis, să presupunem poziția arătată în scenariul de mai sus cu A și B într-o stare pornită astfel încât latura A să fie energizată cu polul Sud în timp ce partea B să fie energizată cu Polul Nord.

Acest lucru ar însemna că latura A ar exercita un efect de tracțiune peste polul său stâng albastru nord și un efect de respingere pe polul său sud din partea dreaptă a statorului, în mod similar, latura B ar trage polul sud roșu inferior și va respinge nordul superior polul rotorului .... se poate presupune că întregul proces exercită o mișcare impresionantă în sensul acelor de ceasornic peste mecanismul rotorului.
Să presupunem, de asemenea, că, în situația de mai sus, senzorul Hall este într-o stare dezactivată, deoarece poate fi un dispozitiv senzor Hall „activat de polul sud”.

Efectul de mai sus ar încerca să alinieze și să forțeze rotorul astfel încât sudul să se blocheze față în față cu latura B în timp ce polul nord cu latura A, cu toate acestea, înainte ca această situație să poată transpira, senzorul Hall este adus în imediata apropiere a schimbând polul sud superior al rotorului, iar când acesta doar tranzitează senzorul Hall, este forțat să pornească, trimițând un semnal pozitiv la circuitul de control conectat, care răspunde instantaneu și oprește electro magneții A / B și pornește electromagnetii C / D, asigurându-vă că momentul rotorului în sensul acelor de ceasornic este aplicat din nou, menținând un cuplu de rotație consistent pe rotor.

Circuitul de bază al driverului BLDC

Comutarea explicată mai sus a electromagnetilor ca răspuns la semnalul de declanșare a senzorului Hall poate fi implementată foarte simplu folosind următoarea idee simplă a circuitului de control BLDC.

Circuitul nu are nevoie de prea multe explicații, deoarece este prea de bază, în timpul situațiilor de pornire ale senzorului Hall, BC547 și TIP122 cuplate sunt pornite în mod corespunzător, care la rândul său pornesc seturile corespunzătoare de electro magneți atașați prin colector și pozitiv , în timpul perioadelor de oprire a senzorului Hall, perechea BC547 / TIP122 este oprită, dar tranzistorul extrem stânga TIP122 este pornit activând seturile opuse de electromagnet.

Situația este alternată, continuă, atâta timp cât puterea rămâne aplicată, menținând BLDC rotind cu cuplurile și impulsul necesare.