Spis treści:
Elektromotory jsou všude. Mnohé z nich jsou bezkartáčové stejnosměrné motory (BLDC), které lze nalézt v počítačových ventilátorech, hračkách, elektrickém nářadí atd.
Použití motorů BLDC
Pro motory BLDC existuje mnoho aplikací. Zde jsou některé z nejčastějších:
- Doprava – elektromotory se staly hlavními motory všech typů dopravních prostředků: malých aut, golfových vozíků, jízdních kol, invalidních vozíků, skútrů a dronů.
- Elektrické nářadí – bateriové nářadí, včetně vrtaček, šroubováků, pil, elektrických sekaček a strunových sekaček, je téměř výhradně vybaveno motorem BLDC. Vysoký výkon zajišťuje nejen výkon, ale také delší dobu mezi nabitími a delší životnost baterie.
- Průmysl a výroba – v továrnách se používají stovky motorů k řízení nejrůznějších strojů. Další aplikace zahrnují servořízená zařízení a roboty. Otáčky a krouticí moment lze snadno regulovat a vyhovět tak téměř jakýmkoli potřebám. Vysoká účinnost a nízké náklady na údržbu šetří náklady na energii a údržbu.
- Domácí spotřebiče – špičkové vysavače, pračky a sušičky používají motory BLDC, u nichž je klíčová účinnost, tichý provoz a dlouhá životnost.
- Systémy HVAC – vytápění, větrání a klimatizace ve velké míře využívají motory BLDC ve ventilátorech, čerpadlech a nyní i v kompresorech. Chladicí zařízení také používají motory BLDC s velkými výhodami.
- Rádiem řízené modely vozidel – dálkově ovládané modely aut, letadel a dronů také používají motory BLDC. Jsou účinné, tiché a mají dlouhou životnost baterie.
Motory BLDC - výhody a nevýhody bezkartáčové technologie
Jak již název napovídá, v motorech BLDC se nepoužívají žádné kartáče. Rotor se pohybuje relativně bez tření se statorem. Tento přístup nabízí inženýrům několik výhod. Díky absenci kartáčů a s tím spojeného tření a jiskření je motor BLDC spolehlivý, protože nevyžaduje téměř žádnou údržbu a má delší životnost.
Výhody bezkartáčového motoru
- Má zvýšené otáčky na 10 000 ot/min a více a možnost regulace točivého momentu.
- Poskytuje vyšší účinnost, a to až 90 %, což je více než u kartáčových motorů, kde je účinnost cca. 80 % v závislosti na zatížení a kvalitě konstrukce.
- Zajišťuje tichý provoz.
- Snižuje elektromagnetické rušení (EMI).
Hlavní nevýhody motoru BLDC ve srovnání s kartáčovým motorem
- Vyšší náklady. Pokud však vezmeme v úvahu snížení výrobních nákladů a nižší náklady na údržbu po celou dobu životnosti, může být motor BLDC lepší investicí.
- Požadavky na složité pohonné a řídicí obvody. Moderní polovodičová technologie však může tuto složitost snížit.
Konstrukce a princip činnosti motoru BLDC
Motory BLDC, stejně jako všechny stejnosměrné motory, vytvářejí rotační nebo jiný pohyb interakcí dvou magnetických polí: elektromagnetu a permanentního magnetu. Kombinace těchto dvou prvků tak, že se vzájemně přitahují a odpuzují, způsobuje rotační pohyb. Motor BLDC se obvykle skládá ze statoru, který obsahuje několik vinutí tvořících elektromagnety. Rotující část motoru, rotor, obsahuje permanentní magnety, které působí na vinutí a způsobují pohyb. K vyvolání pohybu se na statorové vinutí přivádí série impulzů v určitém pořadí. Při změně magnetických polí a jejich interakci s rotorem dochází k pohybu. Počet statorových vinutí a počet permanentních magnetů (pólových párů) v rotoru se liší v závislosti na velikosti a typu BLDC. Čím více párů statoru a pólů, tím vyšší točivý moment může rotor generovat.
Většina motorů BLDC obvykle používá tři skupiny vinutí, které vytvářejí sekvenci impulzů, jež interagují s rotorovými magnety a zajišťují schopnost otáčení. V zásadě existují tři skupiny motorů BLDC. Jednofázové motory BLDC se používají hlavně pro ventilátory s nízkým točivým momentem a nízkou setrvačností. Nedávno zavedené dvoufázové motory BLDC nejsou v současné době příliš rozšířené. Nejběžnějším motorem BLDC je třífázový stejnosměrný motor.
Jak řídit motor BLDC pulzním způsobem?
Aby se motor otáčel, musí být synchronizace impulzů taková, aby působily na permanentní magnety. To znamená, že řídicí obvod, který řídí statorové cívky, by měl znát polohu rotoru před použitím sekvence impulsů. Některé motory BLDC jsou vybaveny snímači, které indikují polohu rotorů. Nejúčinnějším motorem BLDC je motor poháněný sinusovou vlnou. K vytvoření rotace se obvykle používají tři sinusové vlny posunuté o 120 stupňů. Amplituda přiváděných sinusových vln je hlavním faktorem ovlivňujícím otáčky a točivý moment. Bezkartáčové stejnosměrné motory vyžadují elektronické obvody pro zapínání a vypínání statorových cívek a přepínání polarity, aby se rotor otáčel. Otáčky a točivý moment se řídí změnou časování, doby trvání, pořadí, amplitudy a polarity impulsů přiváděných na statorové vinutí, aby se dosáhlo požadované činnosti.
Řízení třífázového motoru BLDC
Motory BLDC se často označují jako elektronicky komutované motory. Jak již bylo zmíněno, nejběžnějším motorem BLDC je třífázové zařízení uspořádané do hvězdy. Šest statorových cívek bylo zapojeno v párech v základním uspořádání do hvězdy. Soustava rotoru obsahuje silné permanentní magnety a pohybuje se uvnitř statoru. Konkrétní konfigurace se liší v závislosti na motoru. Pro vyvolání otáčení jsou statorové cívky napájeny sérií impulzů. Dvě sady statorových vinutí jsou pod napětím současně: jedna kladná, jedna záporná a druhá otevřená nebo plovoucí. Vzniklá elektromagnetická pole interagují s permanentními magnety na rotoru a způsobují otáčení. Rotor při napájení sleduje magnety statoru.
Senzorové a bezsenzorové řízení
Motory BLDC jsou obousměrné, protože hřídel se může otáčet v obou směrech. K tomu je třeba obrátit posloupnost řídicích impulsů, což se provádí v řídicí jednotce, obvykle naprogramováním v mikrokontroléru nebo ve speciálním zařízení pro řízení motoru. Je třeba poznamenat, že mikrokontrolér není vždy nutný. Některé společnosti, například Toshiba, vyrábějí speciální čipy MCD, které zjednodušují proces řízení. Například otáčení lze zadat pomocí řídicího vstupu pro směr. Aby se rotor mohl otáčet, musí být ve správné poloze vůči statorovým cívkám. Pokud není správně zarovnán, k otáčení nedochází. Z tohoto důvodu musí motory BLDC dodávat signál, který má správnou informaci o poloze do obvodů pro řízení statorových impulzů. To se obvykle provádí dvěma způsoby – senzorově nebo bezsenzorově.
Senzory v motorech BLDC
Jednou z běžných metod je zabudování snímačů do statoru v kritických bodech. Obvykle se používají Hallovy senzory. U třífázových motorů BLDC jsou od sebe vzdáleny 120 stupňů a poskytují logické signály statorovým pulzním obvodům, jsou obvykle digitální a čtou se prostřednictvím pinů GPIO v mikrokontroléru nebo specializovaném čipu MCD. Řídicí jednotka generuje signály, které jsou vstupem pro obvody pohonu hradla. Tyto řídicí signály hradla jsou šířkově modulovány (PWM), aby bylo možné regulovat otáčky. Výstupní stupeň měniče dodává impulsy a proud do fázových vinutí statoru.
Bezsenzorové řízení
Druhou běžnou metodou je bezsenzorový přístup využívající zpětnou elektromotorickou sílu (back-EMF), která je indukována v cívkách statoru rotujícími rotorovými magnety. Tato napětí se používají k synchronizaci statorových impulzů. Při bezsenzorovém řízení poskytuje protisměrný elektromotorický signál produkovaný nenapájeným (elektricky odpojeným) vinutím signál, který umožňuje řídicí jednotce motoru nebo MCU generovat řídicí signály. Zpětná elektromotorická síla vzniká, když rotor prochází statorovým pólem, což je stejný okamžik, kdy chcete statorové vinutí uvést pod napětí. Vlastní vzorkování zpětně rozptýleného elektromagnetického pole se obvykle provádí těsně před nebo po fázi vedení. Některé systémy odebírají vzorky i během fáze vedení. Signály zpětné elektromotorické síly mají obvykle lichoběžníkový tvar, ale jen málo motorů BLDC vytváří sinusovou zpětnou elektromotorickou sílu. Řídicí signály do statorového vinutí tak mají sinusový průběh, což zajišťuje mnohem plynulejší provoz. Pokud vinutí vytváří sinusové reverzní elektromagnetické pole, označuje se motor jako synchronní motor s permanentními magnety nebo PMSM.
Řízení s uzavřenou zpětnou vazbou
Otáčky motorů BLDC lze řídit se zpětnou vazbou nebo bez ní. Při řízení s otevřenou smyčkou jsou pevné otáčky nastaveny regulátorem, který následně nastaví výstupy PWM tak, aby bylo dosaženo požadovaných otáček. Protože se otáčky mohou měnit v závislosti na zatížení, lze ruční regulaci otáček zajistit pomocí analogově-digitálního převodníku (ADC), který snímá nastavení externího potenciometru a podle toho upravuje výstup PWM. U konfigurací s uzavřenou smyčkou je také možná samoopravná činnost. Kritické aplikace s dynamickými změnami zatížení budou mít prospěch ze samoregulace. Několik metod může v závislosti na aplikaci zajistit přesnější nebo dokonalejší kontrolu. Pro zpětnou vazbu z motoru v uzavřené regulační smyčce musí být otáčky indikovány snímačem otáček. Řídicí jednotka snímá impulsy, vypočítává otáčky a poté vytváří potřebný výstup PWM pro udržování těchto otáček. V nekritických aplikacích lze rychlost určit měřením doby mezi po sobě jdoucími impulsy zpětné vazby Hallova jevu pomocí časovače (čítače) v mikrokontroléru. Existují také integrované obvody pro řízení motorů, které provádějí řízení otáček v uzavřené smyčce bez nutnosti externího zpracování, enkodérů a periferních obvodů.
Inteligentní řízení fáze
Jedná se o další metodu, která zvyšuje účinnost automatickou synchronizací řídicích fází napětí a proudu. Tato technika maximalizuje činný výkon a minimalizuje jalový výkon motoru. Snímá fáze statorového proudu a následně je v regulátoru nastavuje tak, aby optimalizoval signály pohonu.
Ovládání pole
Další metodou je řízení orientované na magnetické pole, které je užitečné pro přesnější a účinnější řízení otáček a točivého momentu. Cílem této techniky je vyrovnat magnetické pole statorové cívky do pravého úhlu k magnetickému poli rotoru, čímž se dosáhne maximálního točivého momentu. Tento přístup může vyžadovat složitý software pro provádění matematických výpočtů s vysokým rozlišením v pohyblivé řádové čárce. Některé techniky využívají vysokorychlostní digitální zpracování signálu (DSP) nebo specializovaný hardware, jako je například Vector Engine společnosti Toshiba, k výpočtu vektorů pole v reálném čase a k provádění transformací z časové oblasti do frekvenční oblasti a zpět do časové oblasti. Klíčem k FOC je, že hlavní transformace se provádí ze stacionární roviny do roviny rotoru a zpět.
Shrnutí
Motory BLDC se stále častěji používají jako náhrada kartáčových motorů. Mezi jejich výhody patří účinnost, nízké nároky na údržbu a spolehlivost pro dlouhou životnost, stejně jako rychlá reakce na změny otáček a točivého momentu. Řízení motoru BLDC závisí na aplikaci. Ve většině případů je k dispozici komerční řídicí čip. Pro jednoduché použití – jako je ventilátor, kde jsou otáčky relativně konstantní a nejsou vyžadovány žádné hlavní řídicí funkce – lze použít základní MCD. Tato zařízení se liší složitostí a úrovní integrace obvodů v závislosti na výrobci. Plně integrovaný MCD nabízí řídicí logiku, ovladač hradel a tranzistory MOSFET, , které pohánějí statorové vinutí. MCD obvykle poskytuje veškerou logiku potřebnou pro úplné řízení motoru bez zpracování MCU nad rámec samotných příkazů pro rychlost a směr. Proto není nutné žádné programování. Pro pokročilejší aplikace lze zvážit použití specializovaného MCU pro řízení motoru. Jedním z příkladů je akumulátorové elektrické nářadí, které má široký rozsah potřebných otáček a krouticího momentu. Typickou MCU jednotkou pro řízení motorů BLDC je 32bitová jednotka. mikrokontroléry založené na architektuře ARM s různými možnostmi paměti RAM, paměti flash, I/O portů, ADC, časovačů a souvisejících obvodů. Řízení motoru doplňují externí ovladače hradel a tranzistory MOSFET, které splňují různé požadavky na hustotu výkonu. Technická podpora poskytovatele softwaru je obvykle k dispozici.
