Jak fungují střídavé stejnosměrné (BLDC) motory

Příspěvek komplexně popisuje základní provozní koncept bezkartáčových stejnosměrných motorů nazývaných také BLDC motor.

Rozdíl mezi kartáčovanými a střídavými stejnosměrnými motory

V našich tradičních kartáčovaných motorech se kartáče používají k přepínání centrálního pohyblivého rotoru vzhledem k okolnímu statoru permanentního magnetu.

Kartáče se stávají nezbytnými, protože rotor je vyroben pomocí elektromagnetů, které ke své činnosti potřebují energii, ale protože také potřebuje otáčet, věci se stávají neohrabanými a kartáče se stávají jedinou alternativou pro napájení rotujícího elektromagnetického rotoru.

Naopak u střídavých stejnosměrných motorů nebo BLDC motorů máme stacionární centrální stator a okolní kruhový rotor. Stator je tvořen sadou elektromagnetů, zatímco rotor má permanentní magnety připevněné po jeho obvodu v určitých vypočítaných polohách.

Použití snímačů Hall Effect

Mechanismus má také snímač s Hallovým efektem, který je nainstalován za účelem snímání polohy rotoru a jeho magnetů vzhledem k elektromagnetu statoru a informování dat do externího spínacího obvodu, který je poté odpovědný za aktivaci / deaktivaci elektromagnetů na správné pořadí nebo načasování, ovlivňující rotační pohyb na rotoru.

Výše uvedené vysvětlení lze pochopit pomocí následující základní ilustrace a poté prostřednictvím propracovaného designu v následujících obrázcích.

Naučili jsme se a víme několik zajímavých věcí o magnetech a o tom, jak tato zařízení interagují.

Víme, že severní pól magnetu přitahuje jižní pól jiného magnetu, zatímco jako póly odpuzují.

Jak jsou umístěny permanentní magnety

Ve výše uvedeném diagramu vidíme disk s vloženým magnetem na jeho okraji (zobrazeným červeně), který je umístěn se severním pólem směrem ven, a také elektromagnet umístěný v paralelní blízkosti kruhového okraje disku, který produkuje jižní magnetické pole, když je pod napětím.

Nyní za předpokladu, že uspořádání je umístěno, jak je znázorněno v prvním horním schématu, s elektromagnetem v deaktivovaném stavu.

V této poloze, jakmile je elektromagnet aktivován s příslušným stejnosměrným vstupem, dosáhne a vytvoří jižní magnetické pole ovlivňující tažnou sílu přes magnet disku, což zase donutí disk rotovat s určitým točivým momentem, dokud se jeho permanentní magnet nedostane do souladu s elektromagnety opačné linie toku.

Výše uvedená akce ukazuje základní formát, ve kterém koncept BLDC funguje.

Jak BLDC motor pracuje se senzory Hall Effect

Nyní se podívejme, jak je výše uvedená koncepce implementována pomocí senzorů s Hallovým efektem, aby se udržel nepřetržitý pohyb nad rotorem.

Následující příklad diagramu vysvětluje mechanismus komplexně:

Ve výše uvedeném diagramu v zásadě vidíme přímé uspořádání BLDC rotor / stator, kde vnější kruhový prvek je rotující rotor, zatímco centrální elektromagnet se stává pevným statorem.

Bylo vidět, že rotor má na okraji několik permanentních magnetů, které mají jižní pól jako ovlivňující linie toku, centrální stator je silný elektromagnet, který je navržen tak, aby generoval ekvivalentní sílu magnetického toku severního pólu, když je napájen externí DC.

Můžeme také vizualizovat Hallovo čidlo umístěné poblíž jednoho z rohů vnitřního obvodu rotoru. Hallův efekt zásadně snímá magnetické pole rotujícího rotoru a přivádí signál do řídicího obvodu odpovědného za napájení statorových elektromagnetů.

S odkazem na horní polohu vidíme prázdnou oblast (bez jakéhokoli magnetického pole) rotoru v těsném kontaktu s Hallovým senzorem, který jej udržuje ve vypnutém stavu.

V tomto okamžiku signál vypnutí z Hallova efektu informuje řídicí obvod o zapnutí elektromagnetů, což okamžitě vyvolá tažný účinek na jižní pól rotoru stojící hned za rohem.

Když k tomu dojde, jižní pól prudce poklesne a vytvoří požadovaný točivý moment na rotoru a pokusí se vyrovnat se se severním pólem elektromagnetu.

V tomto procesu se však jižní pól rotoru také přitahuje k Hallovu senzoru (jak je znázorněno na dolním schématu), který to okamžitě detekuje a zapne se informováním řídicího obvodu o vypnutí elektromagnetů.

Čas vypnutí elektromagnetů je zásadní

Vypnutí elektromagnetů ve správný okamžik, jak je signalizováno snímačem Hallova jevu, zakazuje zablokování a omezení pohybu rotoru, spíše mu umožňuje pokračovat v pohybu generovaným točivým momentem, dokud se předchozí poloha nezačne formovat a dokud se hala Senzor znovu „cítí“ prázdnou oblast rotoru a vypne se opakováním cyklu.

Výše uvedené přepínání Hallova snímače v souladu s různými polohami rotoru způsobuje nepřetržitý rotační pohyb s toque, který může být přímo úměrný magnetickým interakcím statoru a rotoru, a samozřejmě polohování Hallova efektu.

Výše uvedená diskuse vysvětluje nejzásadnější mechanismus dvou magnetů, jednoho Hallova snímače.

Aby se dosáhlo výjimečně vyšších kroutících momentů, používá se v jiných bezkartáčových motorech s vyšší účinností více magnetů a sad elektromagnetů, u kterých lze vidět více než jeden snímač Hallova jevu pro provádění vícenásobného snímání magnetů rotoru tak, aby bylo možné přepínat různé sady elektromagnetů na upřednostňovaná správná sekvence.

Jak ovládat BLDC motor

Doposud jsme pochopili základní pracovní koncept BLDC motory a naučili jsme se, jak se Hallův senzor používá k aktivaci elektromagnetu motoru prostřednictvím externího připojeného elektronického obvodu pro udržení nepřetržitého rotačního pohybu rotoru, v další části se budeme zabývat opětovným zpracováním toho, jak obvod ovladače BLDC ve skutečnosti funguje pro ovládání BLDC motorů

Způsob implementace pevného statorového elektromagnetu a rotujícího volného magnetického rotoru zajišťuje zvýšenou účinnost motorů BLDC ve srovnání s tradičními kartáčovanými motory, které mají přesně opačnou topologii, a proto vyžadují kartáč pro provoz motoru. Použití kartáčů činí postupy relativně neúčinnými, pokud jde o dlouhou životnost, spotřebu a velikost.

Nevýhoda BLDC motoru

Ačkoli typy BLDC mohou být nejúčinnějším konceptem motoru, má jednu významnou nevýhodu, že pro jeho provoz vyžaduje externí elektronický obvod. S příchodem moderních integrovaných obvodů a citlivých Hallových senzorů se však tento problém ve srovnání s vysokým stupněm účinnosti spojeným s tímto konceptem jeví jako zcela triviální.

4 Magnet BLDC Driver Design

V tomto článku pojednáváme o jednoduchém a základním řídicím obvodu pro motor BLDC se čtyřmi magnety a jedním halovým senzorem. Provoz motoru lze pochopit podle následujícího diagramu mechanismu motoru:

Obrázek výše ukazuje základní uspořádání motoru BLDC, které má dvě sady permanentních magnetů po obvodu vnějšího rotoru a dvě sady centrálního elektromagnetu (A, B, C, D) jako statoru.

Aby bylo možné iniciovat a udržovat točivý moment buď A, B nebo C, musí být elektromagnety v aktivovaném stavu (nikdy spolu) v závislosti na polohách severního / jižního pólu magnetu rotoru vzhledem k aktivovaným elektromagnetům.

Jak funguje ovladač motoru BLDC

Abychom byli přesní, předpokládejme polohu zobrazenou ve výše uvedeném scénáři s A a B v zapnutém stavu tak, že strana A je napájena jižním pólem, zatímco strana B je napájena severním pólem.

To by znamenalo, že strana A bude vyvíjet tažný účinek přes levý modrý severní pól a odpuzující účinek na pravý boční jižní pól statoru, podobně by strana B táhla spodní červený jižní pól a odpuzovala horní severní pól rotoru ... pak lze předpokládat, že celý proces vyvíjí působivý pohyb ve směru hodinových ručiček přes mechanismus rotoru.
Předpokládejme také, že ve výše uvedené situaci je Hallovo čidlo v deaktivovaném stavu, protože se může jednat o Hallovo čidlo „aktivované jižním pólem“.

Výše uvedený efekt by se pokusil vyrovnat a vynutit rotor tak, aby se jih blokoval tváří v tvář se stranou B, zatímco severní pól se stranou A, ale než bude tato situace schopna projít, je Hallovo čidlo přivedeno do těsné blízkosti posunutí horního jižního pólu rotoru, a když to právě prochází přes Hallovo čidlo, je nucen se zapnout, vysílá pozitivní signál do připojeného řídicího obvodu, který okamžitě reaguje a vypíná elektromagnety A / B a zapíná elektromagnety C / D, ujistěte se, že moment ve směru hodinových ručiček rotoru je opět vynucen udržováním stálého rotačního momentu na rotoru.

Základní obvod ovladače BLDC

Výše vysvětlené přepínání elektromagnetů v reakci na spouštěcí signál Hallova senzoru lze velmi jednoduše implementovat pomocí následujícího přímého nápadu řídicího obvodu BLDC.

Obvod nepotřebuje příliš mnoho vysvětlení, protože jeho příliš základní, během situací zapnutí Hallova senzoru, je BC547 a spojený TIP122 odpovídajícím způsobem zapnutý, což zase zapíná odpovídající sady elektromagnetů připojených přes jejich kolektor a pozitivní , během období vypnutí Hallova snímače je pár BC547 / TIP122 VYPNUTÝ, ale extrémně levý tranzistor TIP122 je ZAPNUTÝ aktivací opačných sad elektromagnetů.

Situace se střídá střídavě, nepřetržitě, dokud zůstává přivedena energie, přičemž se BLDC otáčí s požadovanými momenty a hybností.