از زمان توسعه موفقیت آمیز آن در دهه 1960، موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک (BLDC) کارآمدتر و طول عمر بیشتری نسبت به موتورهای جریان مستقیم مستقیم (DC) قبلی دارند. همراه با تغییر به سمت موتورهای جریان متناوب سنکرون (AC) در کاربردهای صنعتی پرقدرت، بسیاری از کاربردهای دیگر نیز شروع به استفاده از موتورهای BLDC کردهاند.
امروزه موتورهای BLDC در تمام جنبه های زندگی روزمره مصرف کنندگان نفوذ کرده اند. آنها را می توان در ابزارهایی که با باتری کار می کنند مانند مته ها و دمنده ها، لوازم خانگی مانند ماشین لباسشویی و چاپگرها و همچنین دوچرخه های برقی و ماشین ها یافت می شود. در محیط های صنعتی، موتورهای BLDC برای کنترل حرکت و کاربردهای جابجایی مواد استفاده شده است. موتورهای BLDC همچنین برای وسایل نقلیه زمینی بدون سرنشین (UGV)، پهپادها و وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین مشابه (UAV) و همچنین رباتهای جراحی و اسکلت بیرونی کمکی نیرو میدهند.
موتورهای DC برس شده برای رساندن انرژی الکتریکی به سیمپیچهای موتور به برسهای کموتاتور فلزی یا کربنی متکی هستند، در حالی که موتورهای BLDC غیر تماسی هستند. به دلیل عدم وجود اصطکاک و سایش، کارایی بیشتری دارد، نیاز به نگهداری کمتری دارد و طول عمر بیشتری برای موتور دارد. عملکرد BLDC با سرعت بیشتر، گشتاور بیشتر و نسبت قدرت به وزن بالاتر نیز بهتر است. با کمک سیستم های کنترل پیشرفته، موتورهای BLDC می توانند تقریباً فوراً سرعت یا گشتاور را تغییر دهند و موقعیت دقیقی را برای اطمینان از ایمنی ارائه دهند.
عملکرد فوقالعاده نشاندادهشده توسط درایورهای پیشرفته موتور BLDC باعث میشود این موتورها و سیستمهای کنترل آنها برای مهندسین طراحی برنامههای کاربردی مدرن روباتها و پهپادها جذاب باشد، که معمولاً به ویژگیهایی مانند کوچکسازی، سرعت بالا، دقت بالا، ایمنی بالا و نیازهای تعمیر و نگهداری پایین نیاز دارند.
اصل اساسی موتور BLDC
موتور BLDC دارای ساختار سه بخشی ساده ای است که به سادگی باور نکردنی است. استاتور ثابت مجهز به دو تا هشت مجموعه سیم پیچ مسی است که بر روی محیطی که توسط روتور مجهز به آهنرباهای دائمی یا موازی با آن احاطه شده است توزیع شده است (شکل 1). کنترل کننده موتور برای به دست آوردن اطلاعات موقعیت و تامین برق سیم پیچ به استاتور متصل می شود.
کنترل کننده موتور سه فاز BLDC
شکل 1: کنترل کننده موتور BLDC سه فاز، جهت میدان مغناطیسی استاتور را با تغییر حالت برق دار و قطبیت جریان سیم پیچ های استاتور (فازهای U، V، W) تغییر می دهد. روتور (قسمت آبی) با آهنرباهای دائمی داخلی به همین ترتیب می چرخد و در نتیجه همان جهت میدان مغناطیسی استاتور را حفظ می کند. (منبع تصویر: قروو)
اعمال الکتریسیته به مجموعه ای از سیم پیچ ها در استاتور یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند و آهنربای دائمی روتور به این میدان مغناطیسی پاسخ می دهد. جاذبه بین قطب های مغناطیسی مخالف باعث چرخش روتور می شود. قبل از تراز کردن روتور با میدان مغناطیسی استاتور، کنترلکننده سیمپیچ برقدار را تغییر میدهد، جهت میدان مغناطیسی را تغییر میدهد و روتور را به طور مداوم در حال چرخش نگه میدارد.
در واقع، پالس جریان ارسال شده توسط کنترل کننده به استاتور از رسانایی به قطع تغییر می کند و قطبیت را در فرکانس معینی سوئیچ می کند تا جریان را با استفاده از یک شکل موج مشخص نشان دهد. طرح سوئیچینگ نشان داده شده در شکل 1 با امواج ذوزنقه ای نشان داده شده است. انواع دیگر موتورها از جمله موتورهای سنکرون آهنربای دائم (PMSM) دارای امواج سینوسی هستند. این نوع موتور از نظر ساختاری شبیه به موتور BLDC است، اما میدان مغناطیسی را در جریان های مختلف به چرخش در می آورد و روتور با میدان مغناطیسی هماهنگ و قفل می شود. تنظیم دامنه و فاز این امواج می تواند سرعت موتور و گشتاور موجود را تغییر دهد.
این کنترلر همچنین می تواند اطلاعات بازخورد مداوم را از حسگرهای موقعیت مانند سنسورهای جلوه هال یا رمزگذارهای فوتوالکتریک دریافت کند. در موتورهای BLDC بدون سنسور، مقدار اندازه گیری شده نیروی الکتروموتور معکوس (BEMF) - جریان تولید شده توسط میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ برق دار در سیم پیچ بدون انرژی - می تواند برای تعیین موقعیت روتور استفاده شود.
توسعه رانندگان موتور
با توجه به اینکه نظارت، منبع تغذیه و کنترل موتورهای BLDC به ساختارهای پیچیده ای نیاز دارد، جای تعجب نیست که کنترل کننده های موتور BLDC قدیمی با استفاده از دستگاه های الکترونیکی حالت جامد در محیط های صنعتی به فضای کابینت مستقل و کابل های قدرت و داده حجیم برای اتصال موتورها نیاز دارند. مدارهای مجتمع (ICs) که به طور فزاینده پیچیدهتر میشوند، کوچکسازی مداوم کنترلکنندههای موتور را هدایت میکنند تا زمانی که بتوانند روی بردهای مدار چاپی (PCB) یکپارچه شوند. با وجود دستیابی به کوچک سازی، عملکرد کنترل کننده های موتور امروزی همچنان در حال گسترش است.
به عنوان مثال، درایور موتور BLDC سه فاز ACT72350 Qorvo (شکل 2). این درایور یک قسمت جلویی آنالوگ قابل تنظیم (AFE)، یک ماژول مدیریت توان سازگار با پیکربندیهای مختلف برق، و یک درایور موتور اختصاصی (ASPD) را در یک دستگاه نصب سطحی تخت و بدون سرب (QFN) مربعی 9 میلیمتر در 9 میلیمتر ادغام میکند.
درایور موتور BLDC سه فاز یکپارچه Qorvo ACT72350
شکل 2: درایور موتور سه فاز BLDC یکپارچه ACT72350 مدارهای AFE و عملکرد مدیریت توان قابل تنظیم را در یک بسته نصب سطحی فشرده یکپارچه می کند. (منبع تصویر: قروو)
AFE قابل تنظیم ACT72350 مجهز به سه تقویت کننده بهره قابل برنامه ریزی دیفرانسیل، چهار تقویت کننده بهره قابل برنامه ریزی تک سر، دو مبدل آنالوگ به دیجیتال 10 بیتی و ده مقایسه کننده است که آن را به یک پل اتصال سنسورها و مدارهای کنترل تبدیل می کند. این AFE همچنین میتواند سیگنالهای کنترل مدولاسیون عرض پالس (PWM) را از یک میکروکنترلر خارجی (MCU) از طریق یک رابط محیطی سریال (SPI) دریافت کند.
ماژول مدیریت توان قابل تنظیم ACT72350 را قادر می سازد تا ولتاژهای ورودی DC را از 25 ولت تا 160 ولت، از جمله حداکثر 20 ثانیه ظرفیت باتری (ولتاژ اسمی 72 ولت یا 84 ولت در صورت شارژ کامل) بپذیرد. منبع تغذیه سوئیچینگ ولتاژ بالا این ماژول می تواند ولتاژ خروجی 12 ولت یا 15 ولت پایدار را فراهم کند و همچنین می تواند منبع تغذیه پایدار 5 ولت و 200 میلی آمپر را برای ماژول ها و MCU های ACT72350 فراهم کند.
ASPD ACT72350 می تواند از نیم پل، پل H یا معماری سه فاز برای به حرکت درآوردن موتور استفاده کند (شکل 3). سه درایور دروازه جانبی ولتاژ بالا با ولتاژ 160 ولت و سه درایور دروازه جانبی ولتاژ پایین با ولتاژ 20 ولت، هر درایور دارای قابلیت رانندگی در دروازه 2 A (جریان کششی) / 2 A (جریان ریختن) است که می تواند به عملکرد سوئیچینگ سریع برای بهبود سرعت موتور دست یابد.