Jak działają bezszczotkowe silniki DC (BLDC)

W poście szczegółowo opisano podstawową koncepcję działania bezszczotkowych silników prądu stałego, zwanych również silnikami BLDC.

Różnica między szczotkowanymi i bezszczotkowymi silnikami prądu stałego

W naszych tradycyjnych silnikach szczotkowych stosowane są szczotki do przełączania centralnego ruchomego wirnika względem otaczającego stacjonarnego stojana z magnesami trwałymi.

Szczotki stają się niezbędne, ponieważ wirnik jest wykonany przy użyciu elektromagnesów, które potrzebują mocy do działania, ale ponieważ muszą również obracać, stają się niezgrabne, a szczotki stają się jedyną alternatywą dla zasilania obracającego się wirnika elektromagnetycznego.

W przeciwieństwie do bezszczotkowych silników DC lub silników BLDC mamy stacjonarny centralny stojan i otaczający go okrągły wirnik. Stojan składa się z zestawu elektromagnesów, podczas gdy wirnik ma magnesy trwałe zamocowane na obwodzie w określonych obliczonych pozycjach.

Korzystanie z czujników Halla

Mechanizm ma również czujnik Halla, który jest zainstalowany w celu wykrywania położenia wirnika i jego magnesów względem elektromagnesu stojana i przekazywania danych do zewnętrznego obwodu przełączającego, który następnie staje się odpowiedzialny za aktywację / dezaktywację elektromagnesów na prawidłowa kolejność lub synchronizacja, wpływająca na ruch obrotowy wirnika.

Powyższe wyjaśnienie można zrozumieć za pomocą poniższej podstawowej ilustracji, a następnie poprzez rozbudowany projekt na kolejnych obrazach.

Dowiedzieliśmy się i wiemy wiele interesujących rzeczy na temat magnesów i interakcji tych urządzeń.

Wiemy, że biegun północny magnesu przyciąga biegun południowy innego magnesu, podczas gdy bieguny odpychają się.

W jaki sposób rozmieszczone są magnesy trwałe

Na powyższym schemacie widzimy dysk z wbudowanym magnesem na krawędzi (pokazany na czerwono), który jest ustawiony tak, aby biegun północny był skierowany na zewnątrz, a także elektromagnes umieszczony równolegle do okrągłej krawędzi dysku, który wytwarza południowe pole magnetyczne pod napięciem.

Teraz zakładając, że układ jest ustawiony tak, jak pokazano na pierwszym górnym schemacie, z elektromagnesem w stanie dezaktywacji.

W tej pozycji, gdy tylko elektromagnes zostanie aktywowany odpowiednim wejściem prądu stałego, osiąga i generuje południowe pole magnetyczne wpływające na siłę ciągnącą magnes dysku, co z kolei zmusza dysk do obracania się z pewnym momentem obrotowym, aż jego magnes trwały znajdzie się w linii elektromagnesy naprzeciw linii strumienia.

Powyższa akcja pokazuje podstawowy format, w jakim działa koncepcja BLDC.

Jak silnik BLDC współpracuje z czujnikami Halla

Zobaczmy teraz, jak w rzeczywistości powyższa koncepcja jest implementowana przy użyciu czujników Halla, aby utrzymać ciągły ruch nad wirnikiem.

Poniższy przykładowy diagram wyczerpująco wyjaśnia mechanizm:

Na powyższym schemacie widzimy w zasadzie prosty układ wirnika / stojana BLDC, w którym zewnętrzny okrągły element jest obracającym się wirnikiem, podczas gdy centralny elektromagnes staje się nieruchomym stojanem.

Można było zobaczyć wirnik z kilkoma magnesami trwałymi zamocowanymi na obwodzie, które mają biegun południowy jako wpływające linie strumienia, centralny stojan jest silnym elektromagnesem, który jest zaprojektowany do generowania równoważnej siły strumienia magnetycznego bieguna północnego, gdy jest zasilany energią zewnętrzny DC.

Możemy również wizualizować czujnik halla umieszczony w pobliżu jednego z rogów wewnętrznego obwodu wirnika. Efekt Halla zasadniczo wyczuwa pole magnetyczne obracającego się wirnika i podaje sygnał do obwodu sterującego odpowiedzialnego za zasilanie elektromagnesów stojana.

Odnosząc się do górnej pozycji, widzimy pusty obszar (pozbawiony jakiegokolwiek pola magnetycznego) wirnika w bliskim kontakcie z czujnikiem Halla, utrzymując go w stanie wyłączonym.

W tym momencie sygnał wyłączenia z efektu Halla informuje obwód sterujący o włączeniu elektromagnesów, co natychmiast wywołuje efekt ciągnięcia na biegunie południowym wirnika stojącym tuż za rogiem.

Kiedy tak się dzieje, biegun południowy spada gwałtownie, wytwarzając wymagany moment obrotowy na wirniku i próbuje ustawić się w jednej linii z biegunem północnym elektromagnesu.

Jednak w trakcie tego procesu biegun południowy wirnika również podciąga się w pobliże czujnika Halla (jak pokazano na dolnym schemacie), który natychmiast to wykrywa i włącza się informując obwód sterujący o wyłączeniu elektromagnesów.

Czas wyłączenia elektromagnesów jest kluczowy

Wyłączenie elektromagnesów w odpowiednim momencie, sygnalizowane przez czujnik efektu Halla, uniemożliwia zatrzymanie i utrudnianie ruchu wirnika, a raczej pozwala mu na kontynuowanie ruchu przez generowany moment obrotowy do momentu, gdy pozycja poprzednia zacznie się kształtować i do hali czujnik ponownie „wyczuwa” pustą powierzchnię wirnika i wyłącza się, powtarzając cykl.

Powyższe przełączanie czujnika Halla zgodnie z różnymi położeniami wirnika powoduje ciągły ruch obrotowy za pomocą toczka, który może być bezpośrednio proporcjonalny do oddziaływań magnetycznych stojana / wirnika i oczywiście pozycjonowania efektu Halla.

Powyższe dyskusje wyjaśniają najbardziej podstawowy mechanizm dwóch magnesów, jednego czujnika Halla.

Aby osiągnąć wyjątkowo wyższe momenty obrotowe, więcej magnesów i zestawów elektromagnesów jest stosowanych w innych silnikach bezszczotkowych o wyższej wydajności, w których można zobaczyć więcej niż jeden czujnik efektu Halla do implementacji wielokrotnego wykrywania magnesów wirnika, aby różne zestawy elektromagnesów mogły być przełączane na preferowana poprawna kolejność.

Jak sterować silnikiem BLDC

Do tej pory zrozumieliśmy podstawową koncepcję działania Silniki BLDC i dowiedzieliśmy się, w jaki sposób czujnik Halla jest używany do aktywacji elektromagnesu silnika za pośrednictwem zewnętrznego dołączonego obwodu elektronicznego do podtrzymywania ciągłego ruchu obrotowego wirnika, w następnej sekcji zbadamy, jak obwód sterownika BLDC faktycznie działa do sterowania silnikami BLDC

Metoda implementacji stałego elektromagnesu stojana i obracającego się swobodnego wirnika magnetycznego zapewnia zwiększoną wydajność silników BLDC w porównaniu z tradycyjnymi silnikami szczotkowanymi, które mają dokładnie odwrotną topologię i dlatego wymagają szczotek do pracy silnika. Zastosowanie szczotek sprawia, że ​​procedury są stosunkowo nieefektywne pod względem długiej żywotności, zużycia i rozmiaru.

Wada silnika BLDC

Chociaż typy BLDC mogą być najbardziej wydajną koncepcją silnika, ma jedną istotną wadę polegającą na tym, że wymaga zewnętrznego obwodu elektronicznego do obsługi. Jednak wraz z pojawieniem się nowoczesnych układów scalonych i czułych czujników Halla problem ten wydaje się być teraz dość trywialny w porównaniu z wysokim stopniem wydajności związanym z tą koncepcją.

4 Magnetyczny sterownik BLDC Konstrukcja

W niniejszym artykule omawiamy prosty i podstawowy obwód sterowania dla silnika BLDC z czterema magnesami i jednym czujnikiem Halla. Działanie silnika można zrozumieć, odwołując się do następującego schematu mechanizmu silnika:

Powyższy rysunek przedstawia podstawowy układ silnika BLDC z dwoma zestawami magnesów trwałych na obwodzie wirnika zewnętrznego i dwoma zestawami elektromagnesu centralnego (A, B, C, D) jako stojanem.

W celu zainicjowania i utrzymania momentu obrotowego, elektromagnesy A, B lub C, D muszą być w stanie aktywowanym (nigdy razem) w zależności od położenia biegunów północnego / południowego magnesu wirnika w stosunku do aktywowanych elektromagnesów.

Jak działa sterownik silnika BLDC

Aby być precyzyjnym, przyjmijmy pozycję pokazaną w powyższym scenariuszu z A i B w stanie włączonym, tak że strona A jest zasilana biegunem południowym, a strona B zasilana biegunem północnym.

Oznaczałoby to, że strona A wywierałaby efekt ciągnięcia na swój lewy niebieski biegun północny i efekt odpychania na prawym biegunie południowym stojana, podobnie strona B pociągałaby dolny czerwony biegun południowy i odpychała górną północ. biegun wirnika… można było wtedy założyć, że cały proces wywiera imponujący ruch zgodny z ruchem wskazówek zegara na mechanizm wirnika.
Załóżmy również, że w powyższej sytuacji czujnik Halla jest w stanie dezaktywacji, ponieważ może to być czujnik Halla aktywowany biegunem południowym.

Powyższy efekt próbowałby wyrównać i wymusić wirnik w taki sposób, że południe blokuje się twarzą w twarz ze stroną B, podczas gdy biegun północny ze stroną A, jednak zanim ta sytuacja będzie w stanie nastąpić, czujnik Halla jest umieszczany w bliskim sąsiedztwie przesuwając górny biegun południowy wirnika, a gdy tylko przechodzi przez czujnik Halla, jest zmuszony do włączenia, wysyłając dodatni sygnał do podłączonego obwodu sterującego, który natychmiast reaguje i wyłącza elektromagnesy A / B i włącza elektromagnesy C / D, upewniając się, że moment obrotowy wirnika jest ponownie wymuszony, utrzymując stały moment obrotowy na wirniku.

Podstawowy obwód sterownika BLDC

Wyjaśnione powyżej przełączanie elektromagnesów w odpowiedzi na sygnał wyzwalający czujnik Halla można w bardzo prosty sposób zrealizować przy użyciu następującego prostego pomysłu na obwód sterujący BLDC.

Obwód nie wymaga wiele wyjaśnień, ponieważ jest zbyt prosty, w sytuacjach włączenia czujnika Halla, BC547 i sprzężony TIP122 jest odpowiednio włączany, co z kolei włącza odpowiednie zestawy elektromagnesów podłączonych do ich kolektora i dodatnie , podczas okresów wyłączania czujnika Halla, para BC547 / TIP122 jest wyłączona, ale skrajny lewy tranzystor TIP122 jest włączony, aktywując przeciwne zestawy elektromagnesów.

Sytuacja jest przełączana na przemian, w sposób ciągły, dopóki moc pozostaje doprowadzona, utrzymując BLDC w ruchu obrotowym z wymaganymi momentami i pędem.