Kako delujejo brezkrtačni enosmerni (BLDC) motorji

Prispevek izčrpno opisuje osnovni koncept delovanja brezkrtačnih enosmernih motorjev, imenovan tudi BLDC motor.

Razlika med krtačenimi in brezkrtačnimi enosmernimi motorji

V naših tradicionalnih krtačenih motorjih so krtače uporabljene za preklop osrednjega gibljivega rotorja glede na okoliški pisarniški traktor s trajnim magnetom.

Krtače postanejo nujne, ker je rotor narejen iz elektromagnetov, ki potrebujejo moč, da delujejo, toda ker se mora tudi vrteti, stvari postanejo okorne in ščetke postanejo edina alternativa za napajanje vrtljivega elektromagnetnega rotorja.

Nasprotno, pri brezkrtačnih enosmernih motorjih ali BLDC motorjih imamo pisarniški centralni stator in okoliški krožni rotor. Stator je sestavljen iz niza elektromagnetov, medtem ko ima rotor trajne magnete, pritrjene po njegovem obodu na določenih izračunanih položajih.

Uporaba senzorjev Hall Effect

Mehanizem ima tudi senzor Hallovega učinka, ki je nameščen tako, da zazna položaj rotorja in njegovih magnetov glede na elektromagnet statorja in podatke posreduje zunanjemu stikalnemu krogu, ki nato postane odgovoren za aktiviranje / deaktiviranje elektromagnetov na pravilno zaporedje ali čas, ki vpliva na rotacijsko gibanje na rotorju.

Zgornjo razlago lahko razumemo s pomočjo naslednje osnovne ilustracije in nato z dodelanim dizajnom na naslednjih slikah.

Naučili smo se in vemo kar nekaj zanimivih stvari o magnetih in o tem, kako te naprave delujejo.

Vemo, da severni pol magneta privlači južni pol drugega magneta, medtem ko se kot polovi odbijajo.

Kako so nameščeni trajni magneti

V zgornjem prikazanem diagramu vidimo disk z vgrajenim magnetom na robu (prikazan v rdeči barvi), ki je nameščen s severnim polom navzven, in tudi elektromagnet, nameščen v vzporedni bližini krožnega roba diska, ki ustvarja južno magnetno polje, ko je pod napetostjo.

Zdaj ob predpostavki, da je razporeditev postavljena tako, kot je prikazano na prvem zgornjem diagramu z elektromagnetom v izključenem stanju.

V tem položaju takoj, ko se elektromagnet aktivira z ustreznim enosmernim vhodom, doseže in ustvari južno magnetno polje, ki vpliva na vlečno silo nad magnetom diska, ki nato vrti disk z nekaj navora, dokler njegov trajni magnet ne pride v linijo z elektromagneti nasprotne črte toka.

Zgornje dejanje prikazuje osnovno obliko, v kateri deluje koncept BLDC.

Kako BLDC motor deluje s senzorji Hall Effect

Zdaj pa poglejmo, kako se dejansko izvaja zgornji koncept z uporabo senzorjev Hall-ovih efektov, da se ohrani neprekinjeno gibanje nad rotorjem.

Naslednji primer diagram natančno razlaga mehanizem:

V zgornjem diagramu v bistvu vidimo enostavno postavitev rotorja / statorja BLDC, kjer je zunanji krožni element vrtljivi rotor, medtem ko osrednji elektromagnet postane fiksni stator.

Rotor je mogoče videti na pritrjenem paru stalnih magnetov, ki imajo južni pol kot vplivne črte toka, osrednji stator pa je močan elektromagnet, ki je zasnovan tako, da ustvari enakovredno moč magnetnega toka severnega pola, ko je pod napetostjo zunanji enosmerni tok.

Vizualiziramo si lahko tudi senzor Hall, ki se nahaja blizu enega od vogalov notranjega oboda rotorja. Hallov učinek v osnovi zazna magnetno polje vrtečega se rotorja in napaja signal v krmilno vezje, odgovorno za napajanje elektromagnetov statorja.

Glede na zgornji položaj vidimo prazno območje (brez kakršnega koli magnetnega polja) rotorja v tesnem stiku s halovim senzorjem, ki ga ohranja v izklopljenem stanju.

V tem trenutku signal za izklop iz halskega učinka obvesti krmilno vezje, da vklopi elektromagnete, kar takoj povzroči vlečni učinek na južni pol rotorja, ki stoji tik za vogalom.

Ko se to zgodi, se južni pol spusti navzgor, kar povzroči potreben navor na rotorju in se poskuša poravnati v skladu s severnim polom elektromagneta.

Vendar se v tem procesu tudi južni pol rotorja potegne blizu senzorja Hall (kot je prikazano na spodnjem diagramu), ki to takoj zazna in vklopi, da krmilno vezje izklopi elektromagnete.

ČAS IZKLOPA elektromagnetov je ključnega pomena

Izklop elektromagnetov v pravem trenutku, kot ga signalizira senzor učinka Hall, prepoveduje zaustavitev in oviranje gibanja rotorja, temveč mu omogoča nadaljevanje gibanja skozi ustvarjeni navor, dokler se prejšnji položaj ne začne oblikovati in dokler dvorana senzor še enkrat 'začuti' prazno območje rotorja in se izklopi in ponavlja cikel.

Zgornje preklapljanje dvoranskega senzorja v skladu z različnimi položaji rotorja povzroči neprekinjeno rotacijsko gibanje z vrtilno frekvenco, ki je lahko neposredno sorazmerna med magnetnimi interakcijami statorja in rotorja, in seveda pozicioniranje učinka Hall.

Zgornja razprava pojasnjuje najpomembnejši dvomagnetni mehanizem z enim dvoranskim senzorjem.

Da bi dosegli izjemno večje navore, se več magnetov in kompletov elektromagnetov uporablja v drugih brezkrtačnih motorjih z večjo učinkovitostjo, pri čemer je mogoče videti več kot en senzor učinka Hall za izvedbo večkratnega zaznavanja rotorskih magnetov, tako da bi bilo mogoče različne sklope elektromagnetov preklopiti na prednostno pravilno zaporedje.

Kako upravljati BLDC motor

Do zdaj smo razumeli osnovni koncept dela BLDC motorji in se naučil, kako se Hallov senzor uporablja za aktiviranje elektromagneta motorja prek zunanjega pritrjenega elektronskega vezja za vzdrževanje neprekinjenega vrtečega se gibanja rotorja, v naslednjem poglavju bomo preučili, kako dejansko deluje vezje gonilnika BLDC za nadzor BLDC motorjev

Način vgradnje elektromagneta s fiksnim statorjem in vrtečega se prostega magnetnega rotorja zagotavlja večjo učinkovitost BLDC motorjev v primerjavi s tradicionalnimi krtačenimi motorji, ki imajo ravno nasprotno topologijo in zato potrebujejo ščetke za delovanje motorja. Zaradi uporabe ščetk so postopki razmeroma neučinkoviti v smislu dolge življenjske dobe, porabe in velikosti.

Pomanjkljivost BLDC motorja

Čeprav so tipi BLDC morda najučinkovitejši koncept motorja, ima ena pomembna pomanjkljivost, da za njegovo delovanje potrebuje zunanje elektronsko vezje. Vendar se zdi, da je s pojavom sodobnih IC in občutljivih Hallovih senzorjev to vprašanje zdaj precej malenkostno v primerjavi z visoko stopnjo učinkovitosti, povezano s tem konceptom.

4-magnetni gonilnik BLDC Zasnova

V pričujočem članku razpravljamo o preprostem in osnovnem krmilnem vezju za štiri magnetni, enojni dvostopenjski senzor tipa BLDC. Delovanje motorja je mogoče razumeti s sklicevanjem na naslednji diagram mehanizma motorja:

Na zgornji sliki je prikazana osnovna ureditev motorja BLDC, ki ima dva kompleta trajnih magnetov čez obod zunanjega rotorja in dva kompleta osrednjega elektromagneta (A, B, C, D) kot statorja.

Za sprožitev in vzdrževanje vrtilnega momenta morajo biti elektromagneti A, B ali C, D v aktiviranem stanju (nikoli skupaj), odvisno od položaja severnega / južnega pola rotorskega magneta glede na aktivirane elektromagnete.

Kako deluje BLDC Motor Driver

Če smo natančni, predpostavimo položaj, prikazan v zgornjem scenariju z A in B v vklopljenem stanju, tako da je stran A pod napetostjo z južnim polom, stran B pa s severnim polom.

To bi pomenilo, da bo stran A izvajala vlečni učinek na levem modrem severnem polu in odbijajoč učinek na desnem bočnem južnem polu statorja, podobno bo stran B vlekla spodnji rdeči južni pol in odbijala zgornji sever pol rotorja .... potem bi lahko domnevali, da celoten postopek izvaja impresivno gibanje v smeri urnega kazalca nad mehanizmom rotorja.
Predpostavimo tudi, da je v zgornjem primeru Hallov senzor v deaktiviranem stanju, ker je lahko naprava z Hallovim senzorjem, aktiviranim z južnim polom.

Zgornji učinek bi poskušal poravnati in prisiliti rotor tako, da se jug zaskoči iz oči v oči s stranjo B, medtem ko se severni pol s stranico A, vendar preden je ta situacija sposobna, se Hallov senzor prikaže v neposredni bližini premikanje zgornjega južnega pola rotorja in ko le ta preide čez Hallov senzor, se je prisiljen vklopiti in poslati pozitiven signal priključenemu krmilnemu vezju, ki se takoj odzove in izklopi elektromagneti A / B in vklopi elektromagnete C / D, se prepričajte, da se moment rotorja v smeri urinega kazalca še enkrat uveljavi, pri čemer se ohrani enakomeren vrtilni moment na rotorju.

Osnovno vezje gonilnika BLDC

Zgornje razloženo preklapljanje elektromagnetov kot odziv na sprožilni signal Hallovega senzorja lahko zelo preprosto izvedemo z uporabo naslednje neposredne ideje o krmilnem vezju BLDC.

Vezje ne potrebuje veliko razlag, saj je njegovo preveč osnovno, med vklopljenimi situacijami Hallovega senzorja BC547 in sklopljeni TIP122 ustrezno vklopi, kar pa vklopi ustrezne sklope elektromagnetov, pritrjenih na kolektorju, in pozitivne , v obdobjih izklopa Hallovega senzorja se par BC547 / TIP122 IZKLOPI, skrajni levi tranzistor TIP122 pa se vklopi in aktivira nasprotne sklope elektromagneta.

Situacija se preklaplja izmenično, neprekinjeno, dokler ostane moč, pri čemer se BLDC vrti z zahtevanimi navori in zagonom.