Motor de corrent continu sense escombretes: avantatges, aplicacions i control

Proveu El Nostre Instrument Per Eliminar Problemes





Definició

Un motor de corrent continu sense escombretes consisteix en un rotor en forma d’imant permanent i estator en forma de bobinats d’armats polifàsics. Es diferencia del motor de corrent continu convencional perquè no conté escombretes i la commutació es fa mitjançant elèctricament, mitjançant una unitat electrònica per alimentar els bobinats de l’estator.

Bàsicament, un motor BLDC es pot construir de dues maneres: col·locant el rotor fora del nucli i els bobinats al nucli i un altre col·locant els bobinats fora del nucli. En la disposició anterior, els imants del rotor actuen com a aïllants i redueixen la velocitat de dissipació de calor del motor i funcionen a baix corrent. Normalment s’utilitza en ventiladors. En aquesta última disposició, el motor dissipa més calor, provocant així un augment del seu parell. S'utilitza en unitats de disc dur.




BLDC

BLDC

Funcionament del motor de 4 pols i 2 fases

El motor de corrent continu sense escombretes és accionat per una unitat electrònica que commuta la tensió d’alimentació entre els bobinatges de l’estator a mesura que gira el rotor. La posició del rotor és controlada pel transductor (òptic o magnètic) que subministra informació al controlador electrònic i, en funció d’aquesta posició, es determina el bobinat de l’estator que s’ha d’energitzar. Aquesta unitat electrònica està formada per transistors (2 per a cada fase) que funcionen mitjançant un microprocessador.



BLDC DC

BLDC-DC

El camp magnètic generat pels imants permanents interactua amb el camp induït pel corrent en els bobinats de l’estator, creant un parell mecànic. El circuit de commutació electrònic o l’accionament commuta el corrent d’alimentació a l’estator per mantenir un angle constant de 0 a 90 graus entre els camps interactius. Els sensors Hall es munten majoritàriament a l’estator o al rotor. Quan el rotor passa pel sensor de sala, basat en el pol nord o sud, genera un senyal alt o baix. Basant-se en la combinació d’aquests senyals, es defineix l’enrotllament que s’ha d’energitzar. Per tal de mantenir el motor en marxa, el camp magnètic produït pels bobinats hauria de canviar de posició, a mesura que el rotor es mogui per posar-se al dia amb el camp de l’estator.

Motor DC BLDC

Circuit

En un motor de corrent continu sense escombretes de 4 pols i 2 fases, s’utilitza un sensor de corredor únic que s’incrusta a l’estator. A mesura que el rotor gira, el sensor de sala detecta la posició i desenvolupa un senyal alt o baix, en funció del pol de l’imant (nord o sud). El sensor de sala està connectat mitjançant una resistència als transistors. Quan es produeix un senyal d’alta tensió a la sortida del sensor, el transistor connectat a la bobina A comença a conduir, proporcionant el recorregut del corrent i, per tant, energitzant la bobina A. El condensador comença a carregar-se a tota la tensió d’alimentació. Quan el sensor hall detecta un canvi de polaritat del rotor, desenvolupa un senyal de baixa tensió a la sortida i, ja que el transistor 1 no obté cap subministrament, es troba en estat de tall. La tensió desenvolupada al voltant del condensador és Vcc, que és la tensió d’alimentació a la 2ndtransistor, i la bobina B ara s’energia, a mesura que hi passa corrent.

Els motors BLDC tenen imants permanents fixos, que giren i tenen una armadura fixa, eliminant els problemes de connexió de corrent amb la armadura en moviment. I possiblement més pols al rotor que l’estator o els motors de reluctància. Aquest darrer pot estar sense imants permanents, només pols que s’indueixen al rotor i que després són arrossegats per bobinatges estatorials temporitzats. Un controlador electrònic substitueix el conjunt pinzell / commutador del motor de corrent continu raspallat, que commuta contínuament la fase als bobinats per mantenir el motor girant. El controlador realitza una distribució de potència temporitzada comparativa mitjançant un circuit d’estat sòlid en lloc del sistema pinzell / commutador.


BLDC Motor

BLDC Motor

7 avantatges dels motors CC sense escombretes

  • Millors característiques de velocitat i parell
  • Alta resposta dinàmica
  • Alta eficiència
  • Llarga vida útil per manca de pèrdues elèctriques i per fricció
  • Operació silenciosa
  • Rangs de velocitat més alts

Aplicacions:

El cost del motor DC Brushless ha disminuït des de la seva presentació, a causa de les progressions en materials i disseny. Aquesta disminució del cost, juntament amb els nombrosos punts focals que té sobre el motor CC de raspall, fa que el motor CC sense escombretes sigui un component popular en nombroses aplicacions distintives. Les aplicacions que utilitzen el motor BLDC inclouen, però, no estan limitades a:

  • Electrònica de consum
  • Transport
  • Calefacció i ventilació
  • Enginyeria Industrial
  • Enginyeria de models

Principi de treball

Els principis per al funcionament dels motors BLDC són el mateix que per a un motor de CC raspallat, és a dir, la retroalimentació interna de la posició de l’eix. En el cas d’un motor de CC raspallat, la retroalimentació s’implementa mitjançant un commutador mecànic i pinzells. Dins del motor BLDC, s’aconsegueix utilitzant múltiples sensors de retroalimentació. Als motors BLDC utilitzem principalment un sensor d’efecte Hall, sempre que els pols magnètics del rotor passen a prop del sensor de sala, generen un senyal de nivell ALT o BAIX, que es pot utilitzar per determinar la posició de l’eix. Si la direcció del camp magnètic s’inverteix, la tensió desenvolupada també s’invertirà.

Control d’un motor BLDC

La unitat de control implementada per microelectrònica té diverses opcions d'alta tecnologia. Això es pot implementar mitjançant un microcontrolador, un microcontrolador dedicat, una unitat microelectrònica amb cable dur, un PLC o una altra unitat similar.

El controlador analògic encara s’utilitza, però no pot processar els missatges de retroalimentació i controlar-los en conseqüència. Amb aquest tipus de circuits de control, és possible implementar algoritmes de control d'alt rendiment, com ara el control vectorial, el control orientat al camp i el control d'alta velocitat, tots ells relacionats amb l'estat electromagnètic del motor. A més, el control de bucle exterior per a diversos requisits de dinàmica, com ara controls de motor lliscant, control adaptatiu, control predictiu, etc., també s'implementen convencionalment.

A més de tot això, trobem PIC (Circuit integrat de potència) d'alt rendiment, ASIC (circuits integrats específics d'aplicació) ... etc. això pot simplificar enormement la construcció del control i de la unitat electrònica de potència. Per exemple, avui tenim un regulador PWM (Pulse Width Modulation) complet en un únic CI que pot substituir tota la unitat de control en alguns sistemes. El controlador IC compost pot proporcionar la solució completa de conduir els sis interruptors d’alimentació en un convertidor trifàsic. Hi ha nombrosos circuits integrats similars amb cada dia més que s’afegeixen. Al final del dia, el muntatge del sistema possiblement inclourà només un programari de control amb tot el maquinari que tingui la forma i la forma adequades.

L'ona PWM (Pulse Width Modulation) es pot utilitzar per controlar la velocitat del motor. Aquí es dóna el voltatge mitjà o el corrent mitjà que circula pel motor canviarà en funció del temps d’encesa i apagat dels polsos que controlin la velocitat del motor, és a dir, el cicle de treball de l’ona controla la seva velocitat. En canviar el cicle de treball (hora ON), podem canviar la velocitat. Intercanviant els ports de sortida, canviarà efectivament la direcció del motor.

Control de velocitat

El control de velocitat del motor BLDC és essencial per fer funcionar el motor a la velocitat desitjada. La velocitat d’un motor de corrent continu sense escombretes es pot controlar controlant la tensió de corrent continu. Com més alta sigui la tensió, més gran serà la velocitat. Quan el motor funciona en mode normal o funciona per sota de la velocitat nominal, la tensió d'entrada de l'armadura es canvia a través del model PWM. Quan un motor funciona per sobre de la velocitat nominal, el flux es debilita mitjançant l'avanç del corrent de sortida.

El control de velocitat pot ser control de velocitat en bucle tancat o en bucle obert.

Control de velocitat de bucle obert: consisteix simplement a controlar la tensió de corrent continu aplicada als terminals del motor tallant la tensió de corrent continu. Tanmateix, això resulta en alguna forma de limitació del corrent.

Control de velocitat de bucle tancat - Es tracta de controlar la tensió d’alimentació d’entrada a través de la retroalimentació de la velocitat del motor. Així, la tensió d'alimentació es controla en funció del senyal d'error.

El control de velocitat en bucle tancat consta de tres components bàsics.

  1. Un circuit PWM per generar els impulsos PWM necessaris. Pot ser un microcontrolador o un temporitzador IC.
  2. Un dispositiu de detecció per detectar la velocitat real del motor. Pot ser un sensor d'efecte hall, un sensor d'infrarojos o un codificador òptic.
  3. Un motor per controlar el funcionament del motor.

Aquesta tècnica de canvi de la tensió d'alimentació basada en el senyal d'error pot ser mitjançant la tècnica de control de pid o mitjançant lògica difusa.

Aplicació al control de velocitat del motor de corrent continu sense escombretes

BLDC DC Motor Control

BLDC DC Motor Control

El funcionament del motor es controla mitjançant un acord optoacoblador i MOSFET, on la potència d’entrada DC es controla mitjançant la tècnica PWM des del microcontrolador. A mesura que el motor gira, el led d'infrarojos present al seu eix s'il·lumina amb llum blanca a causa de la presència d'una taca blanca al seu eix i reflecteix la llum infraroja. El fotodiode rep aquesta llum infraroja i experimenta un canvi en la seva resistència, provocant així un canvi en la tensió d’alimentació del transistor connectat i es dóna un impuls al microcontrolador per generar el nombre de rotacions per minut. Aquesta velocitat es mostra a la pantalla LCD.

La velocitat requerida s'introdueix al teclat interfície al microcontrolador. La diferència entre la velocitat detectada i la velocitat desitjada és el senyal d’error i el microcontrolador genera el senyal PWM segons el senyal d’error, basat en la lògica difusa per donar l’entrada de potència de corrent continu al motor.

Així, mitjançant el control de bucle tancat, es pot controlar la velocitat del motor de corrent continu sense escombretes i fer girar a qualsevol velocitat desitjada.

Crèdit fotogràfic: