Hoe borstelloze DC-motoren (BLDC) werken

De post beschrijft uitvoerig het basisbedieningsconcept van borstelloze DC-motoren, ook wel BLDC-motor genoemd.

Verschil tussen geborstelde en borstelloze gelijkstroommotoren

In onze traditionele geborstelde motoren worden borstels gebruikt om de centrale bewegende rotor te schakelen ten opzichte van de omringende stationaire permanente magneetstator.

Borstels worden noodzakelijk omdat de rotor is gemaakt met behulp van elektromagneten die stroom nodig hebben om te werken, maar omdat hij ook moet draaien, worden dingen onhandig en worden borstels het enige alternatief voor het leveren van stroom aan de roterende elektromagnetische rotor.

In tegendeel, in borstelloze DC-motoren of BLDC-motoren hebben we een stationaire centrale stator en een omringende cirkelvormige rotor. De stator bestaat uit een reeks elektromagneten, terwijl de rotor permanente magneten heeft die over zijn omtrek zijn aangebracht op bepaalde berekende posities.

Hall-effectsensoren gebruiken

Het mechanisme heeft ook een Hall-effectsensor die is geïnstalleerd om de positie van de rotor en zijn magneten ten opzichte van de stator-elektromagneet te detecteren en de gegevens door te geven aan een extern schakelcircuit dat vervolgens verantwoordelijk wordt voor het activeren / deactiveren van de elektromagneten aan de juiste volgorde of timing, waardoor een rotatiebeweging op de rotor wordt beïnvloed.

De bovenstaande uitleg kan worden begrepen met behulp van de volgende basisillustratie en vervolgens door een gedetailleerd ontwerp in de volgende afbeeldingen.

We hebben heel wat interessante dingen geleerd en weten over magneten en hoe deze apparaten samenwerken.

We weten dat een noordpool van de magneet de zuidpool van een andere magneet aantrekt, terwijl soortgelijke polen afstoten.

Hoe permanente magneten worden geplaatst

In het hierboven getoonde diagram zien we een schijf met een ingebedde magneet aan de rand (weergegeven in rode kleur) die is gepositioneerd met de noordpool naar buiten gericht, en ook een elektromagneet die parallel is geplaatst in de buurt van de cirkelvormige rand van de schijf die een zuid magnetisch veld wanneer bekrachtigd.

Aangenomen dat de opstelling is gepositioneerd zoals weergegeven in het eerste bovenste diagram met de elektromagneet in een gedeactiveerde toestand.

In deze positie, zodra de elektromagneet wordt geactiveerd met een geschikte DC-ingang, bereikt en genereert hij een zuidelijk magnetisch veld dat een trekkracht over de schijfmagneet beïnvloedt, die op zijn beurt de schijf dwingt om met een bepaald koppel te draaien totdat zijn permanente magneet in lijn komt met de elektromagneten tegenovergestelde fluxlijnen.

De bovenstaande actie toont het basisformaat waarin het BLDC-concept werkt.

Hoe BLDC-motor werkt met Hall-effectsensoren

Laten we nu eens kijken hoe het bovenstaande concept feitelijk wordt geïmplementeerd met behulp van Hall-effectsensoren om een ​​continue beweging over de rotor te behouden.

In het volgende voorbeelddiagram wordt het mechanisme uitgebreid uitgelegd:

In het bovenstaande diagram zien we in feite een eenvoudige BLDC-rotor / stator-opstelling, waarbij het buitenste cirkelvormige element de roterende rotor is terwijl de centrale elektromagneet de vaste stator wordt.

De rotor kan worden gezien met een paar permanente magneten die aan de omtrek zijn bevestigd en die de zuidpool hebben als de beïnvloedende fluxlijnen, de centrale stator is een sterke elektromagneet die is ontworpen om een ​​equivalente sterkte van de magnetische flux van de Noordpool te genereren wanneer deze wordt bekrachtigd met een externe DC.

We kunnen ook een hall-sensor visualiseren die zich nabij een van de hoeken van de binnenrotoromtrek bevindt. Het hall-effect voelt fundamenteel het magnetische veld van de roterende rotor en voert het signaal naar een regelcircuit dat verantwoordelijk is voor het voeden van de stator-elektromagneten.

Verwijzend naar de bovenste positie zien we het lege gebied (dat geen magnetisch veld bevat) van de rotor in nauw contact met de Hall-sensor en deze in een uitgeschakelde toestand houden.

Op dit moment informeert het uitschakelsignaal van het hall-effect het besturingscircuit om de elektromagneten AAN te zetten, wat onmiddellijk een trekeffect induceert op de zuidpool van de rotor die net om de hoek staat.

Wanneer dit gebeurt, komt de zuidpool stijgend naar beneden en produceert het vereiste koppel op de rotor en probeert hij zichzelf in lijn te brengen met de noordpool van de elektromagneet.

Tijdens het proces trekt de zuidpool van de rotor zich echter ook dicht bij de Hall-sensor (zoals weergegeven in het onderste diagram) die dit onmiddellijk detecteert en inschakelt om het regelcircuit te informeren om de elektromagneten UIT te schakelen.

UITSCHAKELEN De tijd van de elektromagneten is cruciaal

Door de elektromagneten op het juiste moment uit te schakelen, zoals gesignaleerd door de hall-effectsensor, wordt het afslaan en belemmeren van de rotorbeweging verhinderd, maar kan deze doorgaan met de beweging door het gegenereerde koppel totdat de vorige positie begint te vormen en tot de hal sensor 'voelt' opnieuw het lege gebied van de rotor en wordt uitgeschakeld door de cyclus te herhalen.

Het bovenstaande omschakelen van de Hall-sensor in overeenstemming met de verschillende rotorposities veroorzaakt een continue rotatiebeweging met een toque die recht evenredig kan zijn met de magnetische interacties van de stator / rotor, en natuurlijk de positionering van het hall-effect.

De bovenstaande discussies verklaren het meest fundamentele twee-magneet, één hall-sensormechanisme.

Om uitzonderlijk hogere koppels te bereiken, worden meer magneten en sets elektromagneten gebruikt in andere borstelloze motoren met een hoger rendement, waarbij meer dan één Hall-effect-sensor kan worden gezien voor het implementeren van meervoudige detectie van de rotormagneten, zodat verschillende sets elektromagneten aan de voorkeur voor de juiste volgorde.

Hoe BLDC-motor te besturen

Tot dusverre hebben we het fundamentele werkconcept van begrepen BLDC-motoren en leerden hoe een Hall-sensor wordt gebruikt voor het activeren van de elektromagneet van de motor via een extern aangesloten elektronisch circuit voor het ondersteunen van een continue roterende beweging van de rotor, in de volgende sectie zullen we bestuderen hoe het BLDC-stuurcircuit daadwerkelijk werkt voor het besturen van BLDC-motoren

De methode van het implementeren van een vaste stator-elektromagneet en een roterende vrije magnetische rotor zorgt voor een verbeterde efficiëntie van BLDC-motoren in vergelijking met de traditionele geborstelde motoren die precies de tegenovergestelde topologie hebben en daarom borstels nodig hebben voor de motoroperaties. Het gebruik van borstels maakt de procedures relatief inefficiënt in termen van lange levensduur, verbruik en grootte.

Nadeel van BLDC-motor

Hoewel BLDC-typen misschien wel het meest efficiënte motorconcept zijn, heeft het één belangrijk nadeel dat er een extern elektronisch circuit voor nodig is. Met de komst van moderne IC's en gevoelige Hall-sensoren lijkt dit probleem nu echter vrij triviaal in vergelijking met de hoge mate van efficiëntie die met dit concept gepaard gaat.

4 magneet BLDC-stuurprogramma Het ontwerp

In dit artikel bespreken we een eenvoudig en elementair regelcircuit voor een BLDC-motor van het type met vier magneten en één hall-sensor. De werking van de motor kan worden begrepen door te verwijzen naar het volgende motormechanismeschema:

De bovenstaande afbeelding toont een standaard BLDC-motoropstelling met twee sets permanente magneten over de omtrek van een externe rotor en twee sets centrale elektromagneten (A, B, C, D) als de stator.

Om een ​​rotatiekoppel te initiëren en te behouden, moeten de A-, B- of C-, D-elektromagneten zich in een geactiveerde toestand bevinden (nooit samen), afhankelijk van de posities van de noord / zuidpolen van de rotormagneet ten opzichte van de geactiveerde elektromagneten.

Hoe BLDC-motorstuurprogramma werkt

Om precies te zijn, laten we de positie aannemen die in het bovenstaande scenario wordt getoond met A en B in een ingeschakelde toestand, zodat zijde A wordt bekrachtigd met de Zuidpool en zijde B wordt bekrachtigd met de Noordpool.

Dit zou betekenen dat zijde A een trekeffect zou uitoefenen over zijn linker blauwe noordpool en een afstotend effect op zijn rechter zuidpool van de stator, op dezelfde manier zou zijde B de onderste rode zuidpool trekken en het bovenste noorden afstoten. pool van de rotor ... het hele proces zou dan kunnen worden beschouwd als een indrukwekkende beweging met de klok mee over het rotormechanisme.
Laten we ook aannemen dat in de bovenstaande situatie de Hall-sensor in een gedeactiveerde staat is, omdat het mogelijk een 'zuidpool-geactiveerde' Hall-sensor is.

Het bovenstaande effect zou proberen om de rotor zo uit te lijnen en te forceren dat het zuiden in de richting van kant B vergrendelt, terwijl de noordpool met kant A wordt vergrendeld, maar voordat deze situatie kan transpireren, wordt de Hall-sensor in de buurt van de verschuiving van de bovenste zuidpool van de rotor, en wanneer deze net over de Hall-sensor gaat, wordt hij gedwongen om AAN te schakelen en een positief signaal naar het aangesloten stuurcircuit te sturen dat onmiddellijk reageert en de elektromagneten A / B UITschakelt en de elektromagneten C / AAN schakelt D, ervoor zorgend dat het moment van de rotor met de klok mee opnieuw wordt afgedwongen, waarbij een consistent draaimoment op de rotor wordt gehandhaafd.

Basis BLDC-stuurprogramma

Het hierboven toegelichte schakelen van de elektromagneten in reactie op het triggersignaal van de Hall-sensor kan heel eenvoudig worden geïmplementeerd met behulp van het volgende eenvoudige BLDC-regelcircuitidee.

Het circuit heeft niet veel uitleg nodig, omdat het te basaal is, tijdens de AAN-situaties van de Hall-sensor, worden de BC547 en de gekoppelde TIP122 overeenkomstig ingeschakeld, die op zijn beurt de overeenkomstige sets elektromagneten die over hun collector en positief zijn bevestigd, AAN zet. , tijdens de uitschakelingsperioden van de Hall-sensor, wordt het BC547 / TIP122-paar uitgeschakeld, maar de uiterst linkse TIP122-transistor wordt ingeschakeld en activeert de tegenovergestelde sets elektromagneten.

De situatie wordt afwisselend omgeschakeld, continu zolang er stroom blijft staan ​​en de BLDC blijft draaien met de vereiste koppels en momentum.