Definitie

Een borstelloze gelijkstroommotor bestaat uit een rotor in de vorm van een permanente magneet en een stator in de vorm van meerfasige ankerwikkelingen. Het verschilt van de conventionele gelijkstroommotor doordat het geen borstels bevat en de commutatie gebeurt elektrisch, met behulp van een elektronische aandrijving om de statorwikkelingen te voeden.

In principe kan een BLDC-motor op twee manieren worden geconstrueerd: door de rotor buiten de kern te plaatsen en de wikkelingen in de kern en een andere door de wikkelingen buiten de kern te plaatsen. In de eerste opstelling werken de rotormagneten als een isolator en verminderen ze de warmteafvoer van de motor en werken ze met een lage stroomsterkte. Het wordt meestal gebruikt in ventilatoren. In de laatste opstelling voert de motor meer warmte af, waardoor het koppel toeneemt. Het wordt gebruikt in harde schijven.

BLDC

4-polige 2-fasen motorwerking

De borstelloze gelijkstroommotor wordt aangedreven door een elektronische aandrijving die de voedingsspanning tussen de statorwikkelingen schakelt terwijl de rotor draait. De rotorpositie wordt bewaakt door de transducer (optisch of magnetisch) die informatie levert aan de elektronische controller en op basis van deze positie wordt de te bekrachtigen statorwikkeling bepaald. Deze elektronische aandrijving bestaat uit transistors (2 voor elke fase) die worden aangestuurd via een microprocessor.

BLDC-DC

Het magnetische veld dat door de permanente magneten wordt gegenereerd, werkt samen met het veld dat wordt opgewekt door de stroom in de statorwikkelingen, waardoor een mechanisch koppel ontstaat. Het elektronische schakelcircuit of de omvormer schakelt de voedingsstroom naar de stator om een constante hoek van 0 tot 90 graden tussen de op elkaar inwerkende velden te behouden. Hall-sensoren worden meestal op de stator of op de rotor gemonteerd. Wanneer de rotor door de Hall-sensor gaat, gebaseerd op de Noord- of Zuidpool, genereert hij een hoog of laag signaal. Op basis van de combinatie van deze signalen wordt de te bekrachtigen wikkeling gedefinieerd. Om de motor draaiende te houden, moet het magnetische veld dat door de wikkelingen wordt geproduceerd van positie veranderen, terwijl de rotor beweegt om het statorveld in te halen.

Circuit

In een 4-polige, 2-fasen borstelloze gelijkstroommotor wordt een enkele Hall-sensor gebruikt, die op de stator is ingebed. Terwijl de rotor draait, detecteert de Hall-sensor de positie en ontwikkelt een hoog of laag signaal, afhankelijk van de pool van de magneet (Noord of Zuid). De Hall-sensor is via een weerstand verbonden met de transistors. Wanneer een hoogspanningssignaal optreedt aan de uitgang van de sensor, begint de transistor die is aangesloten op spoel A te geleiden, waardoor het pad wordt verschaft voor het stromen van de stroom en dus spoel A wordt bekrachtigd. De condensator begint op te laden tot de volledige voedingsspanning. Wanneer de Hall-sensor een verandering in polariteit van de rotor detecteert, ontwikkelt deze een laagspanningssignaal aan de uitgang en aangezien de transistor 1 geen voeding krijgt, is deze in uitschakeltoestand. De spanning die rond de condensator wordt ontwikkeld, is Vcc, de voedingsspanning naar de 2^ndtransistor en spoel B wordt nu bekrachtigd terwijl er stroom doorheen gaat.

BLDC-motoren hebben vaste permanente magneten die roteren en een vast anker, waardoor de problemen van het verbinden van stroom met het bewegende anker worden geëlimineerd. En mogelijk meer polen op de rotor dan de stator- of reluctantiemotoren. De laatste kunnen zonder permanente magneten zijn, alleen polen die op de rotor worden geïnduceerd en vervolgens in een opstelling worden getrokken door getimede statorwikkelingen. Een elektronische controller vervangt de borstel / commutator-eenheid van de geborstelde gelijkstroommotor, die continu de fase naar de wikkelingen schakelt om de motor te laten draaien. De controller voert een vergelijkende getimede stroomverdeling uit door een solid-state circuit te gebruiken in plaats van het borstel / commutatorsysteem.

BLDC-motor

7 Voordelen van borstelloze DC-motoren

Betere snelheid versus koppelkarakteristieken
Hoge dynamische respons
Hoge efficiëntie
Lange levensduur door het ontbreken van elektrische verliezen en wrijvingsverliezen
Geruisloze werking
Hogere snelheidsbereiken

Toepassingen:

De kosten van de borstelloze gelijkstroommotor zijn sinds de presentatie gedaald vanwege vooruitgang in materialen en ontwerp. Deze verlaging van de kosten, in combinatie met de vele aandachtspunten die het heeft ten opzichte van de borstel-gelijkstroommotor, maakt de borstelloze gelijkstroommotor een populair onderdeel in tal van onderscheidende toepassingen. Toepassingen die gebruikmaken van de BLDC-motor omvatten, maar zijn niet beperkt tot:

Consumentenelektronica
Vervoer
Verwarming en ventilatie
Industriële techniek
Model engineering

Principe van werken

De principes voor de werking van BLDC-motoren zijn hetzelfde als voor een geborstelde gelijkstroommotor, d.w.z. de interne feedback van de aspositie. In het geval van een geborstelde gelijkstroommotor wordt feedback geïmplementeerd met behulp van een mechanische commutator en borstels. Binnen de BLDC-motor wordt dit bereikt met behulp van meerdere feedbacksensoren. In BLDC-motoren gebruiken we meestal een Hall-effectsensor, wanneer rotor-magnetische polen in de buurt van de Hall-sensor passeren, genereren ze een signaal op HIGH- of LOW-niveau, dat kan worden gebruikt om de positie van de as te bepalen. Als de richting van het magnetische veld wordt omgekeerd, zal de ontwikkelde spanning ook omkeren.

Besturen van een BLDC-motor

De besturingseenheid wordt geïmplementeerd door micro-elektronica heeft verschillende high-tech keuzes. Dit kan worden geïmplementeerd met behulp van een microcontroller, een speciale microcontroller, een vast bedrade micro-elektronische eenheid, een PLC of een soortgelijke andere eenheid.

De analoge controller is nog in gebruik, maar kan geen feedbackberichten verwerken en dienovereenkomstig aansturen. Met dit type stuurcircuits is het mogelijk om krachtige besturingsalgoritmen te implementeren, zoals vectorbesturing, veldgeoriënteerde besturing, hogesnelheidsregeling die allemaal verband houden met de elektromagnetische toestand van de motor. Bovendien worden buitenste lusbesturing voor verschillende dynamische vereisten zoals glijdende motorbesturingen, adaptieve besturing, voorspellende besturing… enz. Ook conventioneel geïmplementeerd.

Naast al deze vinden we high-performance PIC (Power Integrated Circuit), ASIC (Application Specific Integrated Circuits)… enz. dat kan zowel de constructie van de besturing als de vermogenselektronica aanzienlijk vereenvoudigen. Tegenwoordig hebben we bijvoorbeeld een complete PWM-regelaar (Pulse Width Modulation) in een enkele IC die in sommige systemen de hele besturingseenheid kan vervangen. Samengestelde driver-IC kan de complete oplossing bieden voor het aansturen van alle zes stroomschakelaars in een driefasige omvormer. Er zijn talloze vergelijkbare geïntegreerde schakelingen die elke dag meer en meer worden toegevoegd. Aan het eind van de dag zal bij de systeembouw mogelijk slechts een stukje besturingssoftware nodig zijn, waarbij alle hardware in de juiste vorm en vorm komt.

PWM (Pulse Width Modulation) golf kan worden gebruikt om de snelheid van de motor te regelen. Hier wordt de gemiddelde spanning gegeven of de gemiddelde stroom die door de motor vloeit, zal veranderen afhankelijk van de AAN- en UIT-tijd van de pulsen die de snelheid van de motor regelen, d.w.z. de duty-cycle van de golf regelt zijn snelheid. Bij het wijzigen van de inschakelduur (AAN-tijd), kunnen we de snelheid wijzigen. Door de uitgangspoorten om te wisselen, zal het effectief de richting van de motor veranderen.

Snelheidscontrole

Snelheidsregeling van de BLDC-motor is essentieel om de motor met de gewenste snelheid te laten werken. De snelheid van een borstelloze gelijkstroommotor kan worden geregeld door de gelijkstroomingangsspanning te regelen. Hoe hoger de spanning, des te meer is de snelheid. Wanneer de motor in de normale modus werkt of onder het nominale toerental loopt, wordt de ingangsspanning van het anker gewijzigd via het PWM-model. Wanneer een motor boven het nominale toerental draait, wordt de flux verzwakt door middel van het voortbewegen van de uittredende stroom.

De snelheidsregeling kan een snelheidsregeling met een gesloten of een open lus zijn.

Open Loop Speed Control - Het omvat eenvoudigweg het regelen van de DC-spanning die op de motorklemmen wordt toegepast door de DC-spanning te verlagen. Dit resulteert echter in een vorm van stroombeperking.

Snelheidsregeling met terugkoppeling - Het omvat het regelen van de ingangsvoedingsspanning via de toerentalterugkoppeling van de motor. Zo wordt de voedingsspanning afhankelijk van het foutsignaal gestuurd.

“elektronische snelheidsregelaar borstelloze motoren ”

De snelheidsregeling met terugkoppeling bestaat uit drie basiscomponenten.

Een PWM-circuit om de benodigde PWM-pulsen te genereren. Het kan een microcontroller of een timer-IC zijn.
Een sensor om het werkelijke motortoerental te meten. Het kan een hall-effectsensor, een infraroodsensor of een optische encoder zijn.
Een motoraandrijving om de motorwerking te regelen.

Deze techniek voor het wijzigen van de voedingsspanning op basis van het foutsignaal kan ofwel via de pid-regelingstechniek ofwel via fuzzy logic.

Toepassing op snelheidsregeling van borstelloze DC-motor

BLDC DC-motorbesturing

De motorwerking wordt bestuurd met behulp van een optocoupler en MOSFET-opstelling, waarbij het ingangsgelijkstroomvermogen wordt bestuurd via de PWM-techniek van de microcontroller. Terwijl de motor draait, wordt de infrarode led die op de as aanwezig is, verlicht met wit licht vanwege de aanwezigheid van een witte vlek op de as en reflecteert het infrarood licht. De fotodiode ontvangt dit infrarode licht en ondergaat een verandering in zijn weerstand, waardoor de voedingsspanning naar de aangesloten transistor verandert en een puls wordt gegeven aan de microcontroller om het aantal rotaties per minuut te genereren. Deze snelheid wordt weergegeven op het LCD-scherm.

De vereiste snelheid wordt ingevoerd in het toetsenbord dat is aangesloten op de Microcontroller. Het verschil tussen de gedetecteerde snelheid en de gewenste snelheid is het foutsignaal en de microcontroller genereert het PWM-signaal volgens het foutsignaal, gebaseerd op de vage logica om de gelijkstroomvoeding aan de motor te geven.

Dus met behulp van closed-loop regeling kan de snelheid van de borstelloze gelijkstroommotor worden geregeld en kan deze met elke gewenste snelheid worden gedraaid.

Foto tegoed: