Από την επιτυχημένη ανάπτυξή τους τη δεκαετία του 1960, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες (BLDC) έχουν αποδειχθεί ότι είναι πιο αποδοτικοί και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τους προηγούμενους κινητήρες συνεχούς ρεύματος (DC) με βούρτσα. Μαζί με τη στροφή προς κινητήρες σύγχρονου εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) σε βιομηχανικές εφαρμογές υψηλής ισχύος, πολλές άλλες εφαρμογές έχουν επίσης αρχίσει να χρησιμοποιούν κινητήρες BLDC.
Σήμερα, οι κινητήρες BLDC έχουν διεισδύσει σε κάθε πτυχή της καθημερινής ζωής των καταναλωτών. Μπορούν να βρεθούν σε εργαλεία με μπαταρία, όπως τρυπάνια και φυσητήρες, οικιακές συσκευές όπως πλυντήρια ρούχων και εκτυπωτές, καθώς και σε ηλεκτρικά ποδήλατα και αυτοκίνητα. Σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, οι κινητήρες BLDC έχουν χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές ελέγχου κίνησης και χειρισμού υλικών. Οι κινητήρες BLDC παρέχουν επίσης ισχύ για μη επανδρωμένα οχήματα εδάφους (UGV), drones και παρόμοια μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAV), καθώς και χειρουργικά ρομπότ και βοηθητικούς εξωσκελετούς.
Οι βουρτσισμένοι κινητήρες συνεχούς ρεύματος βασίζονται σε μεταλλικές ψήκτρες ή ψήκτρες εναλλάκτη άνθρακα για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στις περιελίξεις του κινητήρα, ενώ οι κινητήρες BLDC είναι χωρίς επαφή. Λόγω της απουσίας τριβής και φθοράς, είναι πιο αποτελεσματικό, απαιτεί λιγότερη συντήρηση και έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής για τον κινητήρα. Η απόδοση του BLDC είναι επίσης καλύτερη, με μεγαλύτερη ταχύτητα, μεγαλύτερη ροπή και υψηλότερο λόγο ισχύος προς βάρος. Με τη βοήθεια προηγμένων συστημάτων ελέγχου, οι κινητήρες BLDC μπορούν να αλλάξουν σχεδόν αμέσως την ταχύτητα ή τη ροπή και να παρέχουν ακριβή τοποθέτηση για να διασφαλιστεί η ασφάλεια.
Η εξαιρετική απόδοση που επιδεικνύεται από προηγμένους οδηγούς κινητήρων BLDC καθιστά αυτούς τους κινητήρες και τα συστήματα ελέγχου τους ιδιαίτερα ελκυστικά στους μηχανικούς που σχεδιάζουν σύγχρονες εφαρμογές ρομπότ και drone, οι οποίες συνήθως απαιτούν χαρακτηριστικά όπως σμίκρυνση, υψηλή ταχύτητα, υψηλή ακρίβεια, υψηλή ασφάλεια και χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης.
Βασική αρχή του κινητήρα BLDC
Ο κινητήρας BLDC έχει τόσο απλή δομή τριών μερών που είναι απλά απίστευτο. Ο ακίνητος στάτορας είναι εξοπλισμένος με δύο έως οκτώ σετ περιελίξεων χαλκού, κατανεμημένων σε μια περιφέρεια που περιβάλλεται από ή παράλληλη προς τον ρότορα εξοπλισμένο με μόνιμους μαγνήτες (Εικόνα 1). Ο ελεγκτής κινητήρα συνδέεται με τον στάτορα για τη λήψη δεδομένων θέσης και την παροχή ρεύματος στην περιέλιξη.
Ελεγκτής για τριφασικό κινητήρα BLDC
Εικόνα 1: Ο τριφασικός ελεγκτής κινητήρα BLDC αλλάζει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου του στάτη αλλάζοντας την κατάσταση ενεργοποίησης και την πολικότητα ρεύματος των περιελίξεων του στάτη (φάσες U, V, W). Ο ρότορας (μπλε μέρος) με ενσωματωμένους μόνιμους μαγνήτες περιστρέφεται ανάλογα, διατηρώντας έτσι την ίδια κατεύθυνση με το μαγνητικό πεδίο του στάτορα. (Πηγή εικόνας: Qorvo)
Η εφαρμογή ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα σύνολο περιελίξεων στον στάτορα θα δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο και ο μόνιμος μαγνήτης του ρότορα θα ανταποκριθεί σε αυτό το μαγνητικό πεδίο. Η έλξη μεταξύ των αντίθετων μαγνητικών πόλων προκαλεί την περιστροφή του ρότορα. Πριν από την ευθυγράμμιση του ρότορα με το μαγνητικό πεδίο του στάτορα, ο ελεγκτής θα αλλάξει την ενεργοποιημένη περιέλιξη, θα αλλάξει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου και θα διατηρήσει τον ρότορα να περιστρέφεται συνεχώς.
Στην πραγματικότητα, ο παλμός ρεύματος που στέλνει ο ελεγκτής στον στάτορα θα αλλάξει από αγωγιμότητα σε αποσύνδεση και θα αλλάξει την πολικότητα σε μια συγκεκριμένη συχνότητα για να αναπαραστήσει το ρεύμα χρησιμοποιώντας μια συγκεκριμένη κυματομορφή. Το σχήμα μεταγωγής που φαίνεται στο Σχήμα 1 αντιπροσωπεύεται από τραπεζοειδή κύματα. Άλλοι τύποι κινητήρων, συμπεριλαμβανομένων των σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη (PMSM), έχουν ημιτονοειδή κύματα. Αυτός ο τύπος κινητήρα είναι δομικά παρόμοιος με έναν κινητήρα BLDC, αλλά οδηγεί το μαγνητικό πεδίο να περιστρέφεται μέσω ποικίλων ρευμάτων και ο ρότορας παραμένει συγχρονισμένος και κλειδωμένος με το μαγνητικό πεδίο. Η ρύθμιση του πλάτους και της φάσης αυτών των κυμάτων μπορεί να αλλάξει την ταχύτητα του κινητήρα και τη διαθέσιμη ροπή.
Ο ελεγκτής μπορεί επίσης να λαμβάνει πληροφορίες συνεχούς ανάδρασης από αισθητήρες θέσης, όπως αισθητήρες εφέ Hall ή φωτοηλεκτρικούς κωδικοποιητές. Στους κινητήρες BLDC χωρίς αισθητήρα, η μετρούμενη τιμή της αντίστροφης ηλεκτροκινητικής δύναμης (BEMF) - το ρεύμα που δημιουργείται από το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από την ενεργοποιημένη περιέλιξη στην περιέλιξη χωρίς ενέργεια - μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της θέσης του ρότορα.
Ανάπτυξη μηχανοκίνητων οδηγών
Δεδομένου ότι η παρακολούθηση, η τροφοδοσία και ο έλεγχος των κινητήρων BLDC απαιτούν πολύπλοκες δομές, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι παλιομοδίτικοι ελεγκτές κινητήρων BLDC που χρησιμοποιούν ηλεκτρονικές συσκευές στερεάς κατάστασης σε βιομηχανικά περιβάλλοντα απαιτούν ανεξάρτητο χώρο ντουλαπιού και ογκώδη καλώδια ισχύος και δεδομένων για τη σύνδεση των κινητήρων. Τα ολοένα και πιο εξελιγμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC) οδηγούν στη συνεχή σμίκρυνση των ελεγκτών κινητήρα, έως ότου μπορούν να ενσωματωθούν σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB). Παρά την επίτευξη μικρογραφίας, η λειτουργικότητα των σημερινών ελεγκτών κινητήρα συνεχίζει να επεκτείνεται.
Για παράδειγμα, ο τριφασικός οδηγός κινητήρα BLDC ACT72350 της Qorvo (Εικόνα 2). Αυτό το πρόγραμμα οδήγησης ενσωματώνει μια διαμορφώσιμη αναλογική μπροστινή πλευρά (AFE), μια μονάδα διαχείρισης ενέργειας προσαρμοσμένη σε διάφορες διαμορφώσεις ισχύος και έναν αποκλειστικό οδηγό κινητήρα (ASPD) σε μια τετράγωνη επίπεδη συσκευή επιφανειακής στήριξης χωρίς ηλεκτροδία (QFN) 9 mm x 9 mm.
Ενσωματωμένο τριφασικό πρόγραμμα οδήγησης κινητήρα Qorvo ACT72350
Εικόνα 2: Το ολοκληρωμένο πρόγραμμα οδήγησης τριφασικού κινητήρα BLDC ACT72350 ενσωματώνει κυκλώματα AFE και διαμορφώσιμη λειτουργία διαχείρισης ενέργειας σε ένα συμπαγές πακέτο επιφανειακής τοποθέτησης. (Πηγή εικόνας: Qorvo)
Το διαμορφώσιμο AFE του ACT72350 είναι εξοπλισμένο με τρεις διαφορικούς προγραμματιζόμενους ενισχυτές απολαβής, τέσσερις προγραμματιζόμενους ενισχυτές με ένα άκρο, δύο μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό 10 bit και δέκα συγκριτές, καθιστώντας το μια γέφυρα που συνδέει αισθητήρες και κυκλώματα ελέγχου. Αυτό το AFE μπορεί επίσης να λάβει σήματα ελέγχου διαμόρφωσης πλάτους παλμού (PWM) από έναν εξωτερικό μικροελεγκτή (MCU) μέσω μιας σειριακής περιφερειακής διεπαφής (SPI).
Η διαμορφώσιμη μονάδα διαχείρισης ενέργειας επιτρέπει στο ACT72350 να δέχεται τάσεις εισόδου DC που κυμαίνονται από 25 V έως 160 V, συμπεριλαμβανομένων έως και 20 δευτερολέπτων χωρητικότητας μπαταρίας (ονομαστική τάση 72 V ή 84 V όταν είναι πλήρως φορτισμένη). Το τροφοδοτικό μεταγωγής υψηλής τάσης αυτής της μονάδας μπορεί να παρέχει σταθερή τάση εξόδου 12V ή 15V και μπορεί επίσης να παρέχει σταθερή τροφοδοσία 5V, 200mA για μονάδες ACT72350 και MCU.
Το ASPD του ACT72350 μπορεί να χρησιμοποιήσει αρχιτεκτονική μισής γέφυρας, γέφυρας H ή τριφασικής για την κίνηση του κινητήρα (Εικόνα 3). Τρεις οδηγοί πλαϊνής πύλης υψηλής τάσης με τάση 160 V και τρεις οδηγοί πλευρικής πύλης χαμηλής τάσης με τάση 20 V, κάθε οδηγός έχει ικανότητα οδήγησης πύλης 2 A (ρεύμα έλξης)/2 Α (ρεύμα έκχυσης), που μπορεί να επιτύχει γρήγορη απόδοση μεταγωγής για βελτίωση της ταχύτητας του κινητήρα.