Bezszczotkowy silnik prądu stałego - zalety, zastosowania i sterowanie

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





Definicja

Bezszczotkowy silnik prądu stałego składa się z wirnika w postaci magnesu trwałego oraz stojana w postaci wielofazowych uzwojeń twornika. Różni się od konwencjonalnego silnika prądu stałego tym, że nie zawiera szczotek, a komutacja odbywa się elektrycznie, wykorzystując napęd elektroniczny do zasilania uzwojeń stojana.

Zasadniczo silnik BLDC można skonstruować na dwa sposoby - umieszczając wirnik poza rdzeniem i uzwojenia w rdzeniu, a drugi umieszczając uzwojenia na zewnątrz rdzenia. W pierwszym układzie magnesy wirnika działają jak izolator i zmniejszają szybkość odprowadzania ciepła z silnika i działają przy niskim prądzie. Jest zwykle używany w wentylatorach. W tym drugim układzie silnik oddaje więcej ciepła, powodując w ten sposób wzrost jego momentu obrotowego. Jest używany w dyskach twardych.




BLDC

BLDC

Praca silnika 4-biegunowego 2-fazowego

Bezszczotkowy silnik prądu stałego jest napędzany przez napęd elektroniczny, który przełącza napięcie zasilania między uzwojeniami stojana, gdy wirnik się obraca. Położenie wirnika jest monitorowane przez przetwornik (optyczny lub magnetyczny), który dostarcza informacje do sterownika elektronicznego i na podstawie tego położenia określa się uzwojenie stojana, które ma być zasilane. Ten napęd elektroniczny składa się z tranzystorów (po 2 na każdą fazę), które są obsługiwane przez mikroprocesor.



BLDC DC

BLDC-DC

Pole magnetyczne wytwarzane przez magnesy trwałe oddziałuje z polem indukowanym przez prąd w uzwojeniach stojana, tworząc mechaniczny moment obrotowy. Elektroniczny obwód przełączający lub przemiennik częstotliwości przełącza prąd zasilający do stojana tak, aby utrzymać stały kąt od 0 do 90 stopni między polami oddziałującymi. Czujniki Halla są najczęściej montowane na stojanie lub na wirniku. Kiedy wirnik przechodzi przez czujnik halla, na podstawie bieguna północnego lub południowego, generuje wysoki lub niski sygnał. Na podstawie kombinacji tych sygnałów określa się uzwojenie, które ma być zasilane. Aby silnik pracował, pole magnetyczne wytwarzane przez uzwojenia powinno zmieniać położenie, gdy wirnik porusza się, aby dogonić pole stojana.

Silnik BLDC DC

Obwód

W czterobiegunowym, 2-fazowym bezszczotkowym silniku prądu stałego zastosowano jeden czujnik Halla, który jest osadzony na stojanie. Gdy wirnik obraca się, czujnik halla wykrywa położenie i generuje wysoki lub niski sygnał, w zależności od bieguna magnesu (północnego lub południowego). Czujnik Halla jest podłączony poprzez rezystor do tranzystorów. Gdy na wyjściu czujnika pojawi się sygnał wysokiego napięcia, tranzystor podłączony do cewki A zaczyna przewodzić, zapewniając ścieżkę przepływu prądu i tym samym zasilając cewkę A. Kondensator zaczyna ładować się do pełnego napięcia zasilania. Kiedy czujnik Halla wykryje zmianę polaryzacji wirnika, generuje sygnał niskiego napięcia na swoim wyjściu, a ponieważ tranzystor 1 nie jest zasilany, jest w stanie odcięcia. Napięcie powstające wokół kondensatora to Vcc, które jest napięciem zasilania 2ndtranzystor, a cewka B jest teraz pod napięciem, gdy przepływa przez nią prąd.

Silniki BLDC mają stałe magnesy stałe, które się obracają oraz nieruchomą zworę, co eliminuje problemy z podłączaniem prądu do ruchomej zwory. I prawdopodobnie więcej biegunów na wirniku niż stojan lub silniki reluktancyjne. Ten ostatni może być bez magnesów trwałych, tylko bieguny, które są indukowane na wirniku, a następnie są wciągane do układu przez uzwojenia stojana sterowane czasowo. Sterownik elektroniczny zastępuje zespół szczotki / komutatora szczotkowanego silnika prądu stałego, który w sposób ciągły przełącza fazę na uzwojenia, aby silnik mógł się obracać. Sterownik wykonuje porównawczą czasową dystrybucję mocy za pomocą obwodu półprzewodnikowego zamiast układu szczotka / komutator.


Silnik BLDC

Silnik BLDC

7 Zalety bezszczotkowych silników prądu stałego

  • Lepsza charakterystyka prędkości w porównaniu z momentem obrotowym
  • Wysoka dynamika odpowiedzi
  • Wysoka wydajność
  • Długa żywotność ze względu na brak strat elektrycznych i tarcia
  • Cicha praca
  • Wyższe zakresy prędkości

Aplikacje:

Koszt bezszczotkowego silnika prądu stałego spadł od czasu jego prezentacji ze względu na postęp w materiałach i konstrukcji. Ten spadek kosztów, w połączeniu z licznymi punktami centralnymi, jakie ma on nad szczotkowym silnikiem prądu stałego, sprawia, że ​​bezszczotkowy silnik prądu stałego jest popularnym elementem w wielu wyróżniających się zastosowaniach. Aplikacje korzystające z silnika BLDC obejmują, ale nie są ograniczone do:

  • Elektroniki użytkowej
  • Transport
  • Ogrzewanie i wentylacja
  • Inżynieria przemysłowa
  • Inżynieria modeli

Zasada działania

Zasady działania silników BLDC są takie same, jak dla szczotkowanego silnika prądu stałego, tj. wewnętrzne sprzężenie zwrotne położenia wału. W przypadku szczotkowanego silnika prądu stałego sprzężenie zwrotne realizowane jest za pomocą mechanicznego komutatora i szczotek. W silniku BLDC uzyskuje się to za pomocą wielu czujników sprzężenia zwrotnego. W silnikach BLDC najczęściej używamy czujnika Halla, gdy bieguny magnetyczne wirnika przechodzą w pobliżu czujnika Halla, generują sygnał poziomu WYSOKI lub NISKI, który można wykorzystać do określenia położenia wału. Jeśli kierunek pola magnetycznego zostanie odwrócony, powstające napięcie również się odwróci.

Sterowanie silnikiem BLDC

Jednostka sterująca jest realizowana przez microelectronic i ma kilka opcji high-tech. Można to zaimplementować za pomocą mikrokontrolera, dedykowanego mikrokontrolera, podłączonej na stałe jednostki mikroelektronicznej, sterownika PLC lub podobnej innej jednostki.

Kontroler analogowy nadal używa, ale nie może przetwarzać komunikatów zwrotnych i odpowiednio sterować. W przypadku tego typu obwodów sterujących możliwe jest wdrożenie wysokowydajnych algorytmów sterowania, takich jak sterowanie wektorowe, sterowanie zorientowane na pole, sterowanie przy dużej prędkości, z których wszystkie są związane ze stanem elektromagnetycznym silnika. Ponadto sterowanie w pętli zewnętrznej dla różnych wymagań dynamicznych, takich jak sterowanie silnikiem ślizgowym, sterowanie adaptacyjne, sterowanie predykcyjne… itd., Jest również realizowane konwencjonalnie.

Oprócz tych wszystkich, znajdujemy wysokowydajny PIC (układ scalony mocy), ASIC (układy scalone specyficzne dla aplikacji)… itd. co może znacznie uprościć konstrukcję zarówno sterowania, jak i jednostki energoelektronicznej. Na przykład dzisiaj mamy kompletny regulator PWM (modulacji szerokości impulsu) w jednym układzie scalonym, który może zastąpić całą jednostkę sterującą w niektórych systemach. Złożony układ scalony sterownika może zapewnić kompletne rozwiązanie polegające na sterowaniu wszystkimi sześcioma przełącznikami mocy w trójfazowym przetworniku. Istnieje wiele podobnych układów scalonych, które z dnia na dzień dodają coraz więcej. Ostatecznie montaż systemu będzie prawdopodobnie wymagał tylko oprogramowania sterującego, a cały sprzęt uzyska właściwy kształt i formę.

Fala PWM (modulacja szerokości impulsu) może być używana do sterowania prędkością silnika. Tutaj podawane jest średnie napięcie lub średni prąd przepływający przez silnik będzie się zmieniać w zależności od czasu załączenia i wyłączenia impulsów sterujących prędkością silnika, czyli cykl pracy fali steruje jego prędkością. Zmieniając cykl pracy (czas włączenia), możemy zmienić prędkość. Zamieniając porty wyjściowe, skutecznie zmieni kierunek silnika.

Kontrola prędkości

Sterowanie prędkością silnika BLDC jest niezbędne, aby silnik pracował z żądaną prędkością. Prędkość bezszczotkowego silnika prądu stałego można kontrolować, kontrolując wejściowe napięcie prądu stałego. Im wyższe napięcie, tym większa prędkość. Gdy silnik pracuje w trybie normalnym lub pracuje poniżej prędkości znamionowej, napięcie wejściowe twornika jest zmieniane za pomocą modelu PWM. Gdy silnik pracuje powyżej prędkości znamionowej, strumień jest osłabiany przez przyspieszenie wychodzącego prądu.

Sterowanie prędkością może odbywać się w pętli zamkniętej lub otwartej.

Sterowanie prędkością w otwartej pętli - polega na prostym sterowaniu napięciem stałym przyłożonym do zacisków silnika poprzez przerywanie napięcia stałego. Jednak powoduje to pewną formę ograniczenia prądu.

Sterowanie prędkością w zamkniętej pętli - Polega na kontrolowaniu wejściowego napięcia zasilającego poprzez sprzężenie zwrotne prędkości z silnika. W ten sposób napięcie zasilania jest kontrolowane w zależności od sygnału błędu.

Regulacja prędkości w pętli zamkniętej składa się z trzech podstawowych elementów.

  1. Obwód PWM do generowania wymaganych impulsów PWM. Może to być mikrokontroler lub układ scalony timera.
  2. Urządzenie wykrywające do wykrywania rzeczywistej prędkości silnika. Może to być czujnik Halla, czujnik podczerwieni lub enkoder optyczny.
  3. Napęd silnikowy do sterowania pracą silnika.

Ta technika zmiany napięcia zasilania w oparciu o sygnał błędu może odbywać się za pomocą techniki sterowania pid lub z wykorzystaniem logiki rozmytej.

Zastosowanie do regulacji prędkości bezszczotkowego silnika prądu stałego

Sterowanie silnikiem BLDC DC

Sterowanie silnikiem BLDC DC

Pracą silnika steruje się za pomocą transoptora i układu MOSFET, w którym wejściowa moc DC jest kontrolowana techniką PWM z mikrokontrolera. Gdy silnik obraca się, dioda podczerwieni znajdująca się na jego wale zostaje oświetlona białym światłem dzięki obecności białej plamki na jego wale i odbija światło podczerwone. Fotodioda odbiera to światło podczerwone i ulega zmianie jego rezystancji, powodując w ten sposób zmianę napięcia zasilania podłączonego tranzystora, a mikrokontroler otrzymuje impuls, który generuje liczbę obrotów na minutę. Ta prędkość jest wyświetlana na wyświetlaczu LCD.

Wymagana prędkość jest wprowadzana na klawiaturze podłączonej do Mikrokontrolera. Różnica między zmierzoną prędkością a żądaną prędkością jest sygnałem błędu, a mikrokontroler generuje sygnał PWM zgodnie z sygnałem błędu, w oparciu o logikę rozmytą, aby przekazać moc wejściową prądu stałego do silnika.

W ten sposób, stosując sterowanie w pętli zamkniętej, można kontrolować prędkość bezszczotkowego silnika prądu stałego i obracać go z dowolną żądaną prędkością.

Kredyt zdjęciowy: