Как работят безчеткови DC (BLDC) двигатели

Постът подробно описва основната концепция за работа на безчеткови постояннотокови двигатели, наричани още BLDC двигатели.

Разлика между четки и безчеткови DC двигатели

В нашите традиционни четки двигатели се използват четки, за да превключите централния движещ се ротор по отношение на околния канцеларски статор с постоянен магнит.

Четките стават задължителни, защото роторът е направен с помощта на електромагнити, които се нуждаят от мощност, за да работят, но тъй като той също трябва да се върти, нещата стават непохватни и четките се превръщат в единствената алтернатива за захранване на въртящия се електромагнитен ротор.

Напротив, при безчеткови постояннотокови двигатели или BLDC двигатели имаме централен статор за канцеларски материали и заобикалящ кръгъл ротор. Статорът се състои от набор от електромагнити, докато роторът има постоянни магнити, закрепени по целия му периметър в определени изчислени позиции.

Използване на сензори за ефект на Хол

Механизмът има и сензор за ефект на Хол, който е инсталиран, за да усети положението на ротора и неговите магнити по отношение на електромагнита на статора и да информира данните към външна комутационна верига, която след това отговаря за активирането / деактивирането на електромагнитите в правилна последователност или синхронизация, влияещи на въртеливо движение на ротора.

Горното обяснение може да бъде разбрано с помощта на следващата основна илюстрация и след това чрез сложен дизайн в следващите изображения.

Научихме и знаем доста интересни неща за магнитите и как тези устройства си взаимодействат.

Знаем, че северният полюс на магнита привлича южния полюс на друг магнит, докато като полюси се отблъскват.

Как са разположени постоянните магнити

В показаната по-горе диаграма виждаме диск с вграден магнит на ръба (показан в червен цвят), който е разположен със северния полюс, обърнат навън, както и електромагнит, поставен в паралелна близост до кръговия ръб на диска, който създава южно магнитно поле при захранване.

Сега, ако приемем, че устройството е позиционирано, както е показано в първата горна диаграма с електромагнит в деактивирано състояние.

В това положение веднага след като електромагнитът се активира с подходящ DC вход, той достига и генерира южно магнитно поле, влияещо на теглителна сила върху дисковия магнит, което от своя страна принуждава диска да се върти с известен въртящ момент, докато постоянният му магнит дойде в съответствие с електромагнитите противоположни линии на потока.

Горното действие показва основния формат, в който работи концепцията BLDC.

Как BLDC двигателят работи със сензори за ефект на Хол

Сега нека видим как всъщност горната концепция е реализирана с помощта на сензори за ефект на Хол, за да поддържа непрекъснато движение над ротора.

Следният пример диаграма обяснява механизма изчерпателно:

В горната диаграма ние виждаме основно BLDC подреждане на ротора / статора, където външният кръгъл елемент е въртящият се ротор, докато централният електромагнит става фиксиран статор.

Роторът може да се види с няколко постоянни магнита, фиксирани в периферията, които имат южен полюс като влияещи линии на потока, централният статор е силен електромагнит, който е проектиран да генерира еквивалентна сила на магнитния поток на Северния полюс, когато се захранва с външен DC.

Също така можем да визуализираме сензор на Hall, разположен близо до един от ъглите на вътрешната периферия на ротора. Ефектът на Хол основно усеща магнитното поле на въртящия се ротор и подава сигнала към управляваща верига, отговорна за захранването на статорните електромагнити.

Позовавайки се на горното положение, виждаме празното място (което не съдържа никакво магнитно поле) на ротора в близък контакт със сензора на Hall, поддържайки го в изключено състояние.

В този момент сигналът за изключване от ефекта на Хола информира управляващата верига за включване на електромагнитите, което незабавно предизвиква издърпващ ефект върху южния полюс на ротора, стоящ точно зад ъгъла.

Когато това се случи, южният полюс пада надолу, произвеждайки необходимия въртящ момент на ротора и се опитва да се подреди в съответствие със северния полюс на електромагнита.

Въпреки това в процеса южният полюс на ротора също се дърпа близо до сензора на Хола (както е показано на долната диаграма), който незабавно разпознава това и включва ON, информирайки контролната верига, за да изключи електромагнитите.

Времето за изключване на електромагнитите е от решаващо значение

Изключването на електромагнитите в точния момент, сигнализирано от сензора на ефекта на Хол, забранява спирането и затрудняването на движението на ротора, а по-скоро му позволява да продължи с движението през генерирания въртящ момент, докато предишното положение започне да се оформя и докато залата сензорът отново 'усеща' празното място на ротора и се изключва, повтаряйки цикъла.

Горното превключване на сензора на Hall в съответствие с различните позиции на ротора предизвиква непрекъснато въртеливо движение с момент, който може да бъде право пропорционален на магнитните взаимодействия между статора и ротора, и разбира се позиционирането на ефекта на Hall.

Горните дискусии обясняват най-фундаменталния двумагнитен, един механизъм на сензор на Хол.

За да се постигнат изключително по-високи въртящи моменти, в други безчеткови двигатели с по-висока ефективност се използват повече магнити и комплекти електромагнити, при които могат да се видят повече от един сензор за ефект на Хол за осъществяване на многократно засичане на роторните магнити, така че различни набори от електромагнити да могат да се превключват в предпочитана правилна последователност.

Как да управлявате BLDC мотора

Досега разбрахме основната работна концепция на BLDC двигатели и научих как сензор на Hall се използва за активиране на електромагнита на двигателя чрез външна прикрепена електронна схема за поддържане на непрекъснато въртящо се движение на ротора, в следващия раздел ще изучаваме, как в действителност работи веригата на BLDC драйвер за управление на BLDC двигатели

Методът за прилагане на фиксиран статорен електромагнит и въртящ се свободен магнитен ротор осигурява повишена ефективност на BLDC двигателите в сравнение с традиционните четки двигатели, които имат точно обратната топология и следователно изискват четки за двигателните операции. Използването на четки прави процедурите относително неефективни по отношение на дълъг живот, консумация и размер.

Недостатък на BLDC мотора

Въпреки че BLDC типовете могат да бъдат най-ефективната концепция на двигателя, тя има един съществен недостатък, че за работата му е необходима външна електронна схема. С появата на модерни интегрални схеми и чувствителни сензори на Хол този проблем сега изглежда доста тривиален в сравнение с високата степен на ефективност, свързана с тази концепция.

4-магнитен BLDC драйвер Дизайнът

В настоящата статия обсъждаме проста и основна схема за управление на четиримагнитен, единичен мотор BLDC тип сензор на Hall. Работата на двигателя може да бъде разбрана чрез позоваване на следната схема на механизма на двигателя:

На изображението по-горе е показано основно устройство на BLDC двигател, имащо два комплекта постоянни магнити по периферията на външен ротор и два комплекта централен електромагнит (A, B, C, D) като статор.

За да се задейства и поддържа въртящ момент, електромагнитите A, B или C, D трябва да са в активирано състояние (никога заедно) в зависимост от позициите на северния / южния полюс на роторния магнит по отношение на активираните електромагнити.

Как работи BLDC Motor Driver

За да бъдем точни, нека приемем позицията, показана в горния сценарий с A и B в включено състояние, така че страна A се захранва с южен полюс, докато страна B се захранва със северния полюс.

Това би означавало, че страната А ще упражнява издърпващ ефект върху левия си син северен полюс и отблъскващ ефект върху десния си южен полюс на статора, по същия начин страната В ще дърпа долния червен южен полюс и ще отблъсква горния север полюс на ротора .... целият процес тогава може да се приеме, че упражнява впечатляващо движение по часовниковата стрелка над роторния механизъм.
Да приемем също така, че в горната ситуация сензорът на Хол е в деактивирано състояние, тъй като може да е „сензорно устройство на Хол, активирано“.

Горният ефект ще се опита да подреди и принуди ротора така, че югът да се заключи лице в лице със страна B, докато северният полюс със страна A, но преди тази ситуация да е в състояние да преобразува сензора на Хол се доближава в непосредствена близост до преместване на горния южен полюс на ротора и когато това просто премине през сензора на Хол, той е принуден да се включи, изпращайки положителен сигнал към свързаната контролна верига, която незабавно реагира и изключва електромагнитите A / B и включва електромагнитите C / D, като се уверите, че моментът на въртене на часовниковата стрелка на ротора отново се задейства, поддържайки постоянен въртящ момент на ротора.

Основна BLDC схема на драйвера

Обясненото по-горе превключване на електромагнитите в отговор на задействащия сигнал на датчика на Хол може да бъде изпълнено много просто, като се използва следната ясна идея за управляваща BLDC схема.

Веригата не се нуждае от много обяснения, тъй като е твърде основна, по време на включване на ситуациите на сензора на Хола, BC547 и куплираният TIP122 са съответно включени, което от своя страна включва съответните набори от електромагнити, прикрепени към колектора и положителни , по време на периодите на изключване на сензора на Хол, двойката BC547 / TIP122 се изключва, но крайният ляв транзистор TIP122 се включва, активирайки противоположните набори електромагнит.

Ситуацията се превключва последователно, непрекъснато, докато остава приложена мощност, поддържайки BLDC да се върти с необходимите въртящи моменти и инерция.