نحوه کار و کنترل موتورهای BLDC

درک اصول و کاربردهای موتورهای با بازده بالا

موتورهای BLDC به دلیل توانایی ارائه کارایی بالا در یک پکیج کوچک، طول عمر بالا و همچنین قابلیت کنترل عالی مورد توجه بسیاری قرار گرفته اند. در ادامه چگونگی کنترل آنها برای موثرترین نتیجه را بررسی میکنیم.

اتصالات پیچیده تر هستند.

شکل 1 شکل ظاهری و ساختار داخلی یک نوع معمولی از موتور BLDC نوع روتور داخلی را نشان می‌دهد. توجه داشته باشید که آهنربای دائمی این موتور به روتور آن متصل است و سیم پیچ ها در بیرون قرار می‌گیرند.. این مورد از یک موتور DC جاربک دار معمولی کاملاً متفاوت است. در موتور DC جاربک دار سیم پیچ ها روی روتور قرار دارند و آهنربا دائمی آن در خارج است. از آنجا که روتور موتور BLDC از سیم پیچ استفاده نمی‌کند، نیازی به تأمین جریان آن نیست. به همین دلیل هیچ جاروبکی وجود ندارد.

اما راه اندازی موتورهای BLDC دشوارتر از موتورهای براش(جاروبک دار) است. در استفاده از یک موتور جاروبک دار، تمام کاری که شما باید انجام دهید این است که منبع تغذیه را به فاز مثبت و منفی موتور متصل کنید. موتور BLDC از نظر تعداد فازها با موتور dc جاروبک دار تفاوت دارد و از نظر اتصال پیچیده تر است.

شکل 1: داخل و خارج موتور BLDC.

روتور یک آهن ربای دائم است و جریان عبور نمی‌دهد. جاروبک و کموتاتور وجود ندارد. که باعث می‌شوند موتور عمر طولانی تری داشته باشید.

کنترل میدان مغناطیسی

برای چرخاندن یک موتور BLDC، باید جهت و زمان عبور جریان از سیم پیچ ها کنترل شود. شکل 2 (الف) استاتور (سیم پیچ ها) و روتور (آهن ربا های دائمی) موتور BLDC را نشان می‌دهد. با این تصویر میتوانیم بررسی کنیم؛ روتور چطور ساخته شده است. در این مثال ما از سه سیم پیچ استفاده می‌کنیم، در حالی که در عمل استفاده از شش یا بیشتر معمول است. اما در اینجا ما فقط به سه سیم پیچ با فاصله 120 درجه نگاه می‌کنیم. یک موتور وظیفه تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی را انجام می‌دهد. بنابراین موتور در تصویر ما چگونه این کار را انجام می‌دهد؟ بیایید ببینیم در داخل موتور چه می‌گذرد.

 شکل 2 (الف): اصل چرخش موتور BLDC.

پیکربندی معمول: سه سیم پیچ با فاصله 120 درجه. با کنترل هدایت فازها و جریان های سیم پیچ

برای مثال ما یک موتور 3 سیم پیچ را نشان می‌دهیم. بیایید سیم پیچ های U، و W. را برچسب بزنیم به یاد داشته باشید که عبور جریان از یک سیم پیچ باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی می‌شود. از آنجا که سه سیم پیچ وجود دارد، سه مسیر وجود دارد که می‌توانیم از آن جریان عبور دهیم. می‌توانیم اینها را فاز (جریان به سیم پیچ )، فاز (به سیم پیچ ) و فاز W بنامیم. ابتدا به بررسی فاز می‌پردازیم. اگر جریان فقط از سیم پیچ حرکت کند، شار مغناطیسی مطابق شکل2 (ب) ایجاد می‌شود.

شکل 2 (ب): اصل چرخش موتور BLDC.

پیکان شار تولید شده توسط سیم پیچ را نشان می‌دهد. جریان از طریق و سپس W جاری می‌شود.

در واقع هر سه سیم پیچ از طریق یک سیم فاز به یکدیگر متصل می‌شوند و تولید فاز به صورت جداگانه امکان پذیر نیست. شکل 2 (c) نشان می‌دهد چه اتفاقی می‌افتد وقتی جریان از طریق سیم پیچ های و W حرکت می‌کند (فاز " وW")، با فلش ها دوباره شار تولید شده در هر سیم پیچ نشان داده می‌شود.

.

شکل 2 (ج): اصل چرخش موتور BLDC.

دو فلش به ترتیب شار تولید شده توسط سیم پیچ های و W را نشان می‌دهند. جریان از طریق و W جاری می‌شود.

پیکان عریض در شکل 2 (د) شار نتیجه است. نتیجه میدانهای مغناطیسی ترکیبی از و W. این شار بزرگ باعث چرخش روتور داخلی می‌شود، تا زمانی که قطب های S و N آهنربای دائمی روتور بر روی این فلش قرار بگیرند (تا نزدیکترین قطب N به نوک پیکان).

شکل 2 (د): اصل چرخش موتور BLDC.

پیکان عریض شار حاصل را نشان می‌دهد. مجموع شار تولید شده توسط و W

چرخش با تغییر مداوم شار حفظ می‌شود. آهن ربا دائمی به طور مداوم در حال تعقیب میدان مغناطیسی چرخشی ناشی از سیم پیچ است. به عبارت دیگر، باید انرژی U، و W به طور مداوم تغییر کند تا شار حاصل به حرکت خود ادامه دهد، یک میدان چرخشی تولید کند که به طور مداوم آهنربا روتور را بچرخاند.

شکل 3 رابطه بین فازهای انرژی و شار را نشان می‌دهد. تعویض متوالی در حالت های 1 تا 6 باعث چرخش روتور در جهت عقربه های ساعت می‌شود. با کنترل سرعت تغییر فازها می‌توان سرعت چرخش را کنترل کرد. "کنترل هدایت 120 درجه" به روش کنترل 6 حالته بررسی شده است.

شکل 3: تغییر جهت شار حاصل به طور مداوم آهنربای روتور را می‌کشد و باعث چرخش روتور می‌شود.

کنترل سینوسی چرخش نرم را ارائه می‌دهد.

با کنترل هدایت 120 درجه، فقط شش جهت شار برآیند برای راه اندازی موتور وجود دارد. به عنوان مثال تغییر از حالت 1 به 2 (شکل 3 را ببینید) جهت شار نتیجه را 60 درجه حرکت می‌دهد و در ادامه روتور را نیز حرکت می‌کند..

تغییر حالت از 2 به 3 جهت شار 60 درجه دیگر را تغییر می‌دهد و دوباره روتور را جذب میکند. تکرار این فرآیند یک چرخش مداوم ایجاد می‌نماید. اما این چرخش تا حدی تند و ناخواسته است. در برخی موارد، این تند و سریع بودن باعث ایجاد ارتعاشات ناخواسته، سر و صدای مکانیکی می‌شود.

به عنوان یک گزینه جایگزین برای کنترل هدایت 120 درجه، می‌توان از کنترل سینوسی برای دستیابی به عملکرد نرم و آرام استفاده نمود. با کنترل 120 درجه، موتور توسط چرخش مداوم از طریق شش شار نتیجه ثابت، کنترل می‌شود. همانطور که در شکل 2 (c) مشاهده می‌شود،   و هر دو شارهایی با اندازه برابر تولید می‌کنند. با کنترل دقیق تر جریان به U،   و W می‌توان در هر سیم پیچ اندازه شار متفاوتی ایجاد نمود. که اجازه می‌دهد تا شار حاصل را با دقت بیشتری تغییر داد. (شکل 4 را ببینید)

با تنظیم دقیقتر جریان جاری در هر یک از سه فاز، می‌توان به تغییر مداوم تری در شار برآیند و در نتیجه چرخش موتور نرم تر دست یافت.

شکل 4: کنترل سینوسی.

با کنترل جریان در هر سه فاز، می‌توان مقدار و جهت شار را با دقت بیشتری کنترل نمود. با کنترل هدایت 120 درجه، چرخش نرم تری حاصل می‌شود. شار نتیجه دیگر محدود به شش جهت گسسته نخواهد بود.

کنترل توسط اینورتر

دوباره ماهیت جریان را در U،   و W بررسی می‌نماییم. برای سادگی، ببینیم این کار با کنترل هدایت 120 درجه چگونه کار می‌کند. با نگاهی به شکل 3، می‌بینیم که در حالت 1 جریان از به W جریان می‌یابد. در حالت 2، از به. همانطور که فلش های شکل نشان می‌دهد، هر تغییر در ترکیب انرژی سیم پیچ باعث تغییر متناظر در جهت شار می‌شود.

در حالت 4، از W به جریان داریم. این حالت معکوس حالت 1 است. با یک موتور DC براش، این نوع برگشت جریان با استفاده از جاروبک و کموتاتور حاصل می‌شود. برای دستیابی به این وارونگی موتورهای BLCD نمی‌توانند از جاروبک یا تماس مکانیکی دیگر استفاده کنند. در عوض، آنها به طور کلی از مدارهای اینورتر برای اجرای این کنترل استفاده می‌کنند.

به کار بردن مدارهای اینورتر برای تنظیم ولتاژ هر سیم پیچ، علاوه بر کنترل مقدار جریان؛ یک روش معمول برای تنظیم ولتاژ مورد استفاده مدولاسیون عرض پالس (PWM) نیز است. در این روش، با افزایش یا کاهش زمان روشن شدن پالس، ولتاژ را تغییر می‌دهیم. (همچنین به عنوان "چرخه وظیفه" نیز شناخته می‌شود: زمان روشن بیان شده به عنوان نسبت بازه سوئیچ ON + OFF است).

افزایش چرخه کار همان تأثیر افزایش ولتاژ را دارد. کاهش چرخه وظیفه همان تأثیر کاهش جریان را دارد. (شکل 5 را ببینید.)

PWM را می‌توان با استفاده از MPU های مجهز به سخت افزار اختصاصی PWM پیاده سازی کرد. در حالیکه کنترل هدایت 120 درجه فقط به کنترل ولتاژ دو فاز نیاز دارد و در نرم افزار به راحتی قابل اجرا است. کنترل سینوسی از کنترل ولتاژ سه فاز استفاده می‌کند و بطور قابل توجهی پیچیده تر است. مدارهای مناسب اینورتر برای راه اندازی موتورهای BLDC ضروری است. توجه داشته باشید که از اینورترها می‌توان برای موتورهای AC نیز استفاده کرد.

اما وقتی اصطلاحی مانند "نوع اینورتر" در اشاره به لوازم برقی مصرفی استفاده می‌شود، معمولاً منظور آن یک موتور BLDC است.

شکل 5: خروجی PWM در مقابل ولتاژ خروجی.

متفاوت بودن چرخه کار (زمان روشن در هر دوره سوئیچینگ) ولتاژ موثر را تغییر می‌دهد.

موتورهای BLDC و سنسورهای موقعیتی

همانطور که مشاهده کردیم، ما موتورهای BLDC را با تغییر مداوم جهت شار تولید شده توسط سیم پیچ ها، راه اندازی می‌کنیم. آهنرباهای دائمی روی روتور، به طور مداوم میدان مغناطیسی چرخان متحرک را تعقیب می‌کنند و باعث چرخش روتور می‌شوند. با این حال، تاکنون به ویژگی مهم دیگر این موتورها نگاه نکرده ایم: سنسورهای موقعیتی آنها.

از آنجا که کنترل موتور BLDC باید با موقعیت روتور (آهنربا) هماهنگ باشد، این موتورها معمولاً دارای سنسورهایی برای تشخیص این موقعیت هستند. اعمال جریان در مواقعی که موقعیت روتور مشخص نیست ممکن است باعث چرخش روتور در جهت اشتباه شود. استفاده از سنسورها از بروز این مشکل جلوگیری می‌کند.

در جدول 1 انواع معمول سنسورهای استفاده شده در این موتورها آورده شده است. سنسورهای مختلفی با روش های مختلف کنترل استفاده می‌شوند.

عناصر هال (Hall Element)، در ورودی سیگنال با فاصله 60 درجه، برای موتورهایی که از کنترل هدایت 120 درجه استفاده می‌کنند، بهترین حالت است. در آن تمام آنچه لازم است، این است که تعیین نماید کدام فاز را باید تأمین کرد.

سنسورهای دقیق تر (Optical Encoders) مانند رزولوشن ها و رمزگذارهای نوری، برای موتورهایی که از کنترل بردار استفاده می‌کنند (در جدول1). جایی که شار کنترل دقیق تری لازم دارد، مناسب ترند.

در حالی که سنسورها مزایای آشکاری دارند، اما معایبی نیز دارند. بعضی از سنسورها تحمل کمی در برابر گرد و غبار دارند و به نگهداری منظم نیاز دارند. برخی دیگر فقط در دامنه محدودی از دما به درستی کار می‌کنند. استفاده از سنسورها و اجرای کلیه مدارهای همراه، هزینه های تولید را افزایش می‌دهد. سنسورهای بسیار دقیق البته گرانترین هستند.

"موتورهای بی حسگر BLDC" که در حال حاضر در بازار وجود دارند، به عنوان راهی برای کاهش هزینه های قطعات، تعمیر و نگهداری استفاده از سنسور را کاملاً از بین می‌برند. اما چون در حال توضیح اصول کار هستیم، فرض می‌کنیم که از سنسورها برای ردیابی موقعیت روتور استفاده می‌شود.

جدول 1: انواع سنسور موقعیتی و ویژگی های آن

کنترل بردار کارائی را حفظ می‌کند.

همانطور که دیدیم، کنترل سینوسی با استفاده از جریان 3 فاز برای کنترل روان شار، چرخش آرام را ایجاد می‌کند. در حالی که کنترل هدایت 120 درجه در هر زمان فقط به دو مرحله از سه مرحله (U، و W) انرژی می‌دهد. کنترل سینوسی بسیار پیچیده تر است، زیرا باید به طور دقیق مقادیر مختلف جریان را به هر سه مرحله انتقال دهد.

یکی از راه های کاهش این عارضه کنترل بردار است، جایی که برای تبدیل فضای مختصات از محاسبات استفاده می‌شود و اجازه می‌دهد مقادیر 3 فاز AC به عنوان مقادیر 2 فاز DC اداره شود. این رویکرد فقط در اینصورت می‌تواند کارساز باشد که؛ اطلاعات موقعیتی با دقت بالا برای استفاده در این محاسبات در دسترس باشد. یکی از راه های به دست آوردن این اطلاعات استفاده از سنسورهای با دقت بالا (انکودرهای نوری، حل کننده ها و غیره) است. روش دیگر "بدون سنسور" تخمین موقعیت بر اساس مقدار جریان در هر فاز است. در هر صورت، تبدیل فضای مختصات امکان کنترل مستقیم جریان الکتریکی مربوط به گشتاور را فراهم می‌نماید. کارایی بسیار کارآمد با جریان هدر رفته کم را به ارمغان می‌آورد.

اجرای کنترل بردار نیاز به پردازش فشرده ریاضی دارد، از جمله توانایی حل سریع توابع مثلثاتی مورد نیاز برای تبدیل فضای مختصات. MCU مورد استفاده برای کنترل این موتورها به طور کلی شامل FPU (واحد شناور) است و باید توانایی پردازش قابل توجهی را داشته باشد.

لینک اصلی مقاله

منبع: وب سایت enesas.com