Motore CC senza spazzole: vantaggi, applicazioni e controllo

Prova Il Nostro Strumento Per Eliminare I Problemi





Definizione

Un motore CC senza spazzole è costituito da un rotore a forma di magnete permanente e da uno statore sotto forma di avvolgimenti di armatura polifase. Si differenzia dal motore a corrente continua convenzionale in quanto non contiene spazzole e la commutazione viene eseguita elettricamente, utilizzando un azionamento elettronico per alimentare gli avvolgimenti dello statore.

Fondamentalmente un motore BLDC può essere costruito in due modi: posizionando il rotore all'esterno del nucleo e gli avvolgimenti nel nucleo e un altro posizionando gli avvolgimenti all'esterno del nucleo. Nella prima disposizione, i magneti del rotore fungono da isolante e riducono la velocità di dissipazione del calore dal motore e funzionano a bassa corrente. Viene tipicamente utilizzato nei fan. In quest'ultima disposizione, il motore dissipa più calore, provocando un aumento della sua coppia. Viene utilizzato nelle unità disco rigido.




BLDC

BLDC

Funzionamento con motore a 2 fasi a 4 poli

Il motore CC senza spazzole è azionato da un azionamento elettronico che commuta la tensione di alimentazione tra gli avvolgimenti dello statore mentre il rotore gira. La posizione del rotore viene monitorata dal trasduttore (ottico o magnetico) che fornisce informazioni al controllore elettronico e in base a questa posizione viene determinato l'avvolgimento statorico da eccitare. Questo drive elettronico è costituito da transistor (2 per ogni fase) che vengono azionati tramite un microprocessore.



BLDC DC

BLDC-DC

Il campo magnetico generato dai magneti permanenti interagisce con il campo indotto dalla corrente negli avvolgimenti dello statore, creando una coppia meccanica. Il circuito elettronico di commutazione o l'azionamento commuta la corrente di alimentazione allo statore in modo da mantenere un angolo costante da 0 a 90 gradi tra i campi interagenti. I sensori Hall sono per lo più montati sullo statore o sul rotore. Quando il rotore passa attraverso il sensore Hall, basato sul Polo Nord o Sud, genera un segnale alto o basso. In base alla combinazione di questi segnali si definisce l'avvolgimento da eccitare. Per mantenere il motore in funzione, il campo magnetico prodotto dagli avvolgimenti dovrebbe cambiare posizione, poiché il rotore si muove per raggiungere il campo dello statore.

Motore CC BLDC

Circuito

In un motore CC senza spazzole a 4 poli, 2 fasi, viene utilizzato un singolo sensore Hall, che è incorporato sullo statore. Quando il rotore ruota, il sensore Hall rileva la posizione e sviluppa un segnale alto o basso, a seconda del polo del magnete (Nord o Sud). Il sensore Hall è collegato tramite un resistore ai transistor. Quando un segnale di alta tensione si verifica all'uscita del sensore, il transistor collegato alla bobina A inizia a condurre, fornendo il percorso per il flusso di corrente e quindi eccitando la bobina A. Il condensatore inizia a caricarsi alla piena tensione di alimentazione. Quando il sensore di hall rileva un cambiamento di polarità del rotore, sviluppa un segnale a bassa tensione alla sua uscita e poiché il transistor 1 non riceve alcuna alimentazione, è in condizione di interruzione. La tensione sviluppata attorno al condensatore è Vcc, che è la tensione di alimentazione al 2ndtransistor e la bobina B è ora eccitata, mentre la corrente lo attraversa.

I motori BLDC hanno magneti permanenti fissi, che ruotano e un'armatura fissa, eliminando i problemi di collegamento della corrente all'armatura mobile. E forse più poli sul rotore rispetto allo statore o ai motori a riluttanza. Quest'ultimo può essere senza magneti permanenti, ma solo poli che vengono indotti sul rotore e poi tirati in una disposizione dagli avvolgimenti statorici temporizzati. Un controller elettronico sostituisce il gruppo spazzola / commutatore del motore CC con spazzole, che commuta continuamente la fase agli avvolgimenti per mantenere il motore in rotazione. Il controller esegue una distribuzione di potenza temporizzata comparativa utilizzando un circuito a stato solido invece del sistema spazzole / commutatore.


Motore BLDC

Motore BLDC

7 Vantaggi dei motori CC senza spazzole

  • Migliore velocità rispetto alle caratteristiche di coppia
  • Alta risposta dinamica
  • Alta efficienza
  • Lunga vita operativa a causa della mancanza di perdite elettriche e per attrito
  • Funzionamento silenzioso
  • Gamme di velocità più elevate

Applicazioni:

Il costo del motore CC senza spazzole è diminuito dalla sua presentazione, a causa delle progressioni nei materiali e nel design. Questa diminuzione dei costi, unita ai numerosi punti focali che ha sul motore CC a spazzole, rende il motore CC senza spazzole un componente popolare in numerose applicazioni distintive. Le applicazioni che utilizzano il motore BLDC includono, ma non sono vincolate a:

  • Elettronica di consumo
  • Trasporto
  • Riscaldamento e ventilazione
  • Ingegneria Industriale
  • Ingegneria dei modelli

Principio di funzionamento

I principi per il funzionamento dei motori BLDC sono gli stessi di un motore CC con spazzole, ovvero il feedback di posizione dell'albero interno. Nel caso di un motore CC con spazzole, il feedback viene implementato utilizzando un commutatore meccanico e spazzole. All'interno del motore BLDC, si ottiene utilizzando più sensori di feedback. Nei motori BLDC utilizziamo principalmente un sensore ad effetto Hall, ogni volta che i poli magnetici del rotore passano vicino al sensore Hall, generano un segnale di livello ALTO o BASSO, che può essere utilizzato per determinare la posizione dell'albero. Se la direzione del campo magnetico viene invertita, anche la tensione sviluppata si invertirà.

Controllo di un motore BLDC

L'unità di controllo è implementata da microelettronica ha diverse scelte high-tech. Ciò può essere implementato utilizzando un microcontrollore, un microcontrollore dedicato, un'unità microelettronica cablata, un PLC o un'altra unità simile.

Il controller analogico è ancora in uso, ma non può elaborare i messaggi di feedback e controllare di conseguenza. Con questo tipo di circuiti di controllo, è possibile implementare algoritmi di controllo ad alte prestazioni, come controllo vettoriale, controllo ad orientamento di campo, controllo ad alta velocità, tutti legati allo stato elettromagnetico del motore. Inoltre, il controllo dell'anello esterno per vari requisiti dinamici come i controlli del motore scorrevole, il controllo adattivo, il controllo predittivo ... ecc.

Oltre a tutto ciò, troviamo PIC (Power Integrated Circuit) ad alte prestazioni, ASIC (Application Specific Integrated Circuits) ... ecc. ciò può semplificare notevolmente la costruzione sia del controllo che dell'elettronica di potenza. Ad esempio, oggi abbiamo un regolatore PWM (Pulse Width Modulation) completo in un unico IC che può sostituire l'intera unità di controllo in alcuni sistemi. Il circuito integrato del driver può fornire la soluzione completa per pilotare tutti e sei gli interruttori di alimentazione in un convertitore trifase. Ci sono numerosi circuiti integrati simili con sempre più aggiunte giorno dopo giorno. Alla fine della giornata, l'assemblaggio del sistema potrebbe coinvolgere solo una parte del software di controllo con tutto l'hardware che avrà la forma e la forma corrette.

L'onda PWM (Pulse Width Modulation) può essere utilizzata per controllare la velocità del motore. Qui viene fornita la tensione media o la corrente media che scorre attraverso il motore cambierà a seconda del tempo di accensione e spegnimento degli impulsi che controllano la velocità del motore, ovvero il ciclo di lavoro dell'onda controlla la sua velocità. Modificando il duty cycle (tempo ON), possiamo cambiare la velocità. Scambiando le porte di uscita, cambierà effettivamente la direzione del motore.

Controllo di velocità

Il controllo della velocità del motore BLDC è essenziale per far funzionare il motore alla velocità desiderata. La velocità di un motore CC senza spazzole può essere controllata controllando la tensione CC in ingresso. Maggiore è la tensione, maggiore è la velocità. Quando il motore funziona in modalità normale o funziona al di sotto della velocità nominale, la tensione di ingresso dell'armatura viene modificata tramite il modello PWM. Quando un motore viene azionato al di sopra della velocità nominale, il flusso viene indebolito mediante l'avanzamento della corrente in uscita.

Il controllo della velocità può essere ad anello chiuso o ad anello aperto.

Controllo della velocità ad anello aperto - Implica semplicemente il controllo della tensione CC applicata ai terminali del motore tagliando la tensione CC. Tuttavia, ciò si traduce in una qualche forma di limitazione della corrente.

Controllo della velocità ad anello chiuso - Implica il controllo della tensione di alimentazione in ingresso attraverso il feedback di velocità dal motore. In questo modo la tensione di alimentazione viene controllata in base al segnale di errore.

Il controllo della velocità ad anello chiuso è costituito da tre componenti di base.

  1. Un circuito PWM per generare gli impulsi PWM richiesti. Può essere un microcontrollore o un timer IC.
  2. Un dispositivo di rilevamento per rilevare la velocità effettiva del motore. Può essere un sensore ad effetto hall, un sensore a infrarossi o un encoder ottico.
  3. Un azionamento del motore per controllare il funzionamento del motore.

Questa tecnica di modifica della tensione di alimentazione in base al segnale di errore può avvenire tramite la tecnica di controllo pid o utilizzando la logica fuzzy.

Applicazione al controllo della velocità del motore CC senza spazzole

Controllo motore CC BLDC

Controllo motore CC BLDC

Il funzionamento del motore è controllato utilizzando un fotoaccoppiatore e una disposizione MOSFET, in cui l'alimentazione CC in ingresso è controllata tramite la tecnica PWM dal microcontrollore. Durante la rotazione del motore, il led infrarosso presente al suo albero si illumina di luce bianca per la presenza di una macchia bianca sul suo albero e riflette la luce infrarossa. Il fotodiodo riceve questa luce infrarossa e subisce una variazione della sua resistenza, provocando così una variazione della tensione di alimentazione al transistor collegato e viene dato un impulso al microcontrollore per generare il numero di rotazioni al minuto. Questa velocità viene visualizzata sul display LCD.

La velocità richiesta viene inserita nella tastiera interfacciata al Microcontrollore. La differenza tra la velocità rilevata e la velocità desiderata è il segnale di errore e il microcontrollore genera il segnale PWM come da segnale di errore, in base alla logica fuzzy per fornire l'alimentazione CC in ingresso al motore.

Pertanto, utilizzando il controllo ad anello chiuso, la velocità del motore CC senza spazzole può essere controllata e può essere fatto ruotare a qualsiasi velocità desiderata.

Diritti d'autore della foto: