محرك DC بدون فرشات - أساسيات BLDC — TMC4671-LA

محرك DC بدون فرشات - أساسيات BLDC — TMC4671-LA

عندما يتعلق الأمر بمحركات DC بدون فرش, من الضروري أن نذكر محرك الفرشاة. محركات الفرشاة لها عيب مزعج إلى حد ما: إنه “مزعج”.
لأن الفرش وحلقة التبديل تحتاج إلى احتكاك مستمر, من أجل تشغيل المحرك.
لذا, إذا كنت تريد أ “مروحة هادئة”, بالتأكيد لا يمكنك اختيار استخدام منتجات محرك الفرشاة.

ومن المرجح أن تتضرر الفرش بعد فترة طويلة. عندما يكون التيار مرتفعا, يمكنك أيضًا رؤية طقطقة الفرش وإثارةها عند تغيير الاتجاه.
لم يتم العثور على أي من هذه العيوب في محرك بتيار مستمر بدون فرش-BLDC التي سوف نقدمها أدناه!

سوف نقدم فرش محرك بتيار مستمر-BLDC (BLDC للاختصار) من الجوانب الأربعة التالية.
1, مميزات وعيوب BLDC.
2, مبدأ عمل BLDC.
3, وضع التحكم في BLDC.
4, الاستخدام الفعلي لـ BLDC.

1、مزايا وعيوب BLDC

محرك بتيار مستمر بدون فرش, حرفياً, أكبر ميزة لها هي “فرش”, وهو ما يعني عدم وجود فرش.
لأنه لا يوجد فرشاة, إنه مثالي جدًا لتجنب أوجه القصور العديدة في محرك الفرشاة. وذلك بدوره, مزاياها الرئيسية هي.
1, حياة طويلة; 2, يمكن أن تكون صامتة; 3, كفاءة عالية (خسارة منخفضة); 4, مقاس اصغر; 5, استقرار عالي.

• 1. تعمل محركات DC بدون فرش في نطاق واسع من السرعات, بأي سرعة, يمكن تشغيلها بكامل طاقتها.
• 2. قدرة التحميل الزائد المتميزة وكفاءة التشغيل العالية.
• 3. محرك DC بدون فرش أصغر, نطاق أوسع من التطبيق وكثافة طاقة أعلى مقارنة بمحرك الفرشاة.
• 4. مقارنة مع التحكم في محرك الأقراص غير المتزامن, محرك الأقراص أكثر بساطة.
• 5. لا يحتوي محرك DC بدون فرش على هيكل مبدل ميكانيكي وهو محاط بالداخل, والتي يمكن أن تتجنب دخول جزيئات الغبار المتطايرة إلى داخل المحرك وتؤدي إلى مشاكل مختلفة وموثوقية عالية.
• 6. الخصائص الخارجية أفضل, عملية منخفضة السرعة, يمكن أن تنتج عزم دوران كبير, يمكن أن توفر عزم دوران كبير نسبيًا.

عيوب BLDC

دعنا نعود إلى السؤال المتبقي في المقدمة: ما هي عيوب BLDC?
أعتقد أنك خمنت بالفعل: لقد أمضينا مساحة كبيرة للحديث عن طريقة التحكم في BLDC, بما يكفي لرؤية صعوبة السيطرة عليها, مقارنة بمحرك الفرشاة, أعلى بكثير!

لذا فإن أكبر عيب في BLDC هو صعوبة التحكم العالية والسعر المرتفع لقيادة ESC (التحكم الإلكتروني في السرعة, ESC باختصار).
كما أن له عيبًا أن BLDC بسبب المقاومة الحثية, البداية ستكون مصحوبة بالارتعاش, على عكس محرك الفرشاة يبدأ بسلاسة شديدة.

في الوقت الحالي, هناك ثلاث طرق رئيسية للتحكم في المحركات بدون فرش على النحو التالي.

1、السيطرة على موجة مربعة.
يُعرف أيضًا باسم التحكم في الموجة شبه المنحرفة, 120° التحكم, 6-التحكم في تخفيف الخطوة
تتميز طريقة التحكم في الموجة المربعة بميزة خوارزميات التحكم البسيطة, تكاليف الأجهزة منخفضة, استخدام الأداء العادي لل مراقب سيكون قادرًا على الحصول على سرعة محرك عالية.

العيب هو أن تقلب عزم الدوران كبير, هناك قدر معين من الضوضاء الحالية, والكفاءة لا تصل إلى الحد الأقصى. يعد التحكم في الموجة المربعة مناسبًا للتطبيقات التي لا تتطلب أداءً عاليًا لدوران المحرك.
يستخدم التحكم في الموجة المربعة مستشعر Hall أو خوارزمية تقدير بدون مستشعر للحصول على موضع دوار المحرك, ومن ثم ينفذ ستة تخفيف (واحدة كل 60 درجة) بناءً على موضع الدوار خلال دورة كهربائية بزاوية 360 درجة.

في كل موضع تخفيف، يقوم المحرك بإخراج قوة في اتجاه محدد, لذلك يمكن القول أن دقة موضع التحكم في الموجة المربعة هي 60 درجة كهربائية.
نظرًا لأن شكل موجة تيار الطور للمحرك قريب من الموجة المربعة بهذه الطريقة للتحكم, ويسمى التحكم في الموجة المربعة.

2、التحكم في الموجة الجيبية.
تستخدم طريقة التحكم في الموجة الجيبية موجة SVPWM, والإخراج هو جهد موجة جيبية ثلاثي الطور, والتيار المقابل هو أيضًا تيار موجة جيبية.
لا تحتوي هذه الطريقة على مفهوم تخفيف التحكم في الموجة المربعة, أو أعتقد أن دورة كهربائية في عدد لا حصر له من التخفيف.

بوضوح, مقارنة مع السيطرة على الموجة المربعة, يحتوي التحكم في الموجة الجيبية على تقلبات عزم دوران أقل وتوافقيات تيار أقل, مما يجعل التحكم يشعر أكثر “حساس”, ولكن متطلبات الأداء لل مراقب أعلى قليلاً من التحكم في الموجة المربعة, ولا يمكن تعظيم كفاءة المحرك.

3、السيطرة على FOC

يُعرف أيضًا باسم تحويل تردد المتجهات, التحكم في اتجاه ناقل المجال المغناطيسي
التحكم في الموجة الجيبية يحقق التحكم في ناقل الجهد, يدرك بشكل غير مباشر السيطرة على الحجم الحالي, ولكن لا يستطيع التحكم في اتجاه التيار.

يمكن اعتبار طريقة التحكم FOC بمثابة نسخة مطورة من التحكم في الموجة الجيبية, الذي يدرك السيطرة على ناقلات التيار, أي., التحكم في ناقلات المجال الثابت للمحرك.
منذ يتم التحكم في اتجاه المجال الثابت, يمكن الاحتفاظ بمجال الجزء الثابت ومجال الدوار عند 90 درجة في جميع الأوقات, ويمكن تحقيق أقصى عزم دوران عند تيار معين.

مزايا طريقة التحكم FOC هي: تقلب عزم الدوران المنخفض, كفاءة عالية, انخفاض مستوى الضجيج والاستجابة الديناميكية السريعة.
العيوب هي: ارتفاع تكلفة الأجهزة, متطلبات أعلى لأداء وحدة التحكم, ويجب مطابقة المعلمات الحركية.
يعد FOC حاليًا الخيار الأفضل للتحكم الفعال في محركات التيار المستمر بدون فرش (BLDC) والمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM).

يتحكم FOC بدقة في حجم واتجاه المجال المغناطيسي, مما يجعل عزم دوران المحرك سلسًا, انخفاض مستوى الضجيج, كفاءة عالية, ولها استجابة ديناميكية عالية السرعة.
بسبب المزايا الواضحة لـ FOC, تقوم العديد من الشركات الآن بالتدريج باستبدال التحكم في المنتجات التقليدية بـ FOC في العديد من التطبيقات.

تمتلك شركة Trinamic الألمانية شريحة تحكم مؤازرة مع التحكم في ناقلات المجال المغناطيسي (FOC) — TMC4671-LA
– وضع التحكم في عزم الدوران
– وضع التحكم في السرعة
– وضع التحكم في الموقف
– تردد تحديث التحكم الحالي والحد الأقصى لتردد PWM يبلغ 100 كيلو هرتز (يمكن تكوين تردد التحديث للتحكم في السرعة والموضع كمضاعف لتردد التحديث الحالي)

TMC4671 عبارة عن شريحة تحكم مؤازرة متكاملة تمامًا توفر التحكم في اتجاه المجال المغناطيسي لمحركات التيار المستمر بدون فرش, المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم, 2-محركات السائر المرحلة, محركات DC المصقولة ومحركات الملف الصوتي.
تم دمج جميع وظائف التحكم في الأجهزة. مع ADCs المتكاملة, واجهة استشعار الموقف, والموقف التفاضلي, وحدة التحكم المؤازرة كاملة المواصفات هذه مناسبة لمجموعة متنوعة من تطبيقات المؤازرة.

2、مبدأ عمل BLDC

BLDC هو نوع من المحركات, لذا فإن تركيبته الأساسية لا يمكن فصلها عن الجزء الثابت والدوار.
الجزء الثابت لمحرك الفرشاة هو مغناطيس دائم, في حين أن الدوار عبارة عن ملف نشط (لف). كما هو مبين في الشكل أدناه.

لكن بالنسبة لـ BLDC, والعكس هو الصحيح!
الجزء الثابت (الجزء الثابت) من BLDC هو ملف نشط, في حين أن الدوار هو مغناطيس دائم!

من “قانون ماكسويل أمبير”, يمكننا أن نعرف أن المساحة القريبة من الملف المنشط ستولد مجالًا مغناطيسيًا. واتجاه توزيع المجال المغناطيسي, يمكننا استخدام “قاعدة اليد اليمنى” ليشتق.

حقيقة, وهذا ما نسميه في كثير من الأحيان “الكهرومغناطيسية”!
ثم الشيء التالي بسيط, ما هي خصائص المغناطيس?
نفس الجنس يصد بعضهم البعض, الجنس الآخر ينجذب لبعضهم البعض!
لذا, نحتاج فقط إلى إعطاء الملف الموجود على الجزء الثابت للوصول إلى الاتجاه المناسب للتيار, إنه, بحيث تكون الأقطاب المغناطيسية في اتجاه المغناطيس الكهربائي.
لذا, نحتاج فقط إلى توصيل الملف الموجود على الجزء الثابت بالاتجاه المناسب للتيار, إنه, دع اتجاه الأقطاب المغناطيسية للمغناطيس الكهربائي واتجاه الأقطاب المغناطيسية للمغناطيس الدائم يتوافقان تمامًا, لا تكون قادرة على صد, أو جذب الدوار للقيام بالحركة الدورانية.

تعظيم الاستفادة من الجزء الثابت
طريقة القيادة المذكورة أعلاه, أي. تنشيط كل ملف على حدة بالتسلسل, أمر ممكن ولكنه مرهق للغاية وغير فعال.
وبالتالي, سوف يقوم BLDC الفعلي بدمج تلك الملفات الستة اثنين في اثنين وتقسيمها إلى ثلاث لفات, أ, ب, و ج, على النحو التالي.

بهذه الطريقة يمكننا تشغيل مغناطيسين كهربائيين في نفس الوقت, مما يضاعف الكفاءة على الفور.
ولكن هذا فقط مع المغناطيس “جاذبية” صفات, ولا ننسى أن المغناطيس أيضا “تنافر” صفات.
إذا قمنا بقيادة مجموعة أخرى من الملفات في نفس الوقت, بحيث المجموعة السابقة من الملفات “جذب” الدوار عندما مجموعة أخرى من الملفات “صد” الدوار, ثم سيحصل الدوار لدينا على قوة دافعة أعلى!

حتى الآن, بدأ هذا النموذج في الاقتراب من منتج BLDC الفعلي.
ولكن بالنسبة للنموذج أعلاه
لكن, للنموذج أعلاه, نحن بحاجة إلى تزويد ملفين بمجموعتين من الطاقة في اتجاهين متعاكسين لتحقيق تأثير “جاذبية” و “تنافر” في نفس الوقت.
وهذا أمر معقد للغاية ومكلف بالنسبة للتطبيقات العملية.
التالي سنتحدث عن “طريقة التحكم BLDC”, والتي سوف تحل المشكلة المذكورة أعلاه.

3、طريقة التحكم في BLDC

الأصلي أ, ب, C ثلاث اللفات مستقلة, لذلك فإن السيطرة عليهم أمر مزعج للغاية.
ثم إذا قمنا بتوصيل اللفات الثلاثة لـ A,ب,ج معًا وجمع أ “ترتيب النجوم”, ماذا ستكون النتيجة?

في الأصل ثلاث لفات, مما يؤدي إلى ستة أسطر; يؤدي الآن إلى خفض الخط إلى ثلاثة أسطر فقط, فكيف يمكن تحقيق نفس تأثير التحكم بستة خطوط متصلة?
الشكل التالي.

يتم توصيل الجانب الإيجابي من مصدر الطاقة بالزاوية اليمنى العليا لمدخل الملف A, بينما يتم توصيل الجانب السلبي من مصدر الطاقة بالزاوية اليسرى السفلية لمخرج الملف B.
هذه المرة يتم تشغيل الملف A والملف B في نفس الوقت, وقطبيته معاكسة تمامًا, لتحقيق نفس التأثير عندما يتم تشغيل اللفات الثلاثة بشكل مستقل!
وذلك باتباع هذا التسلسل: AB-AC-BC-BA-CA-CB, الضربات الستة, وركوب اللفات الجزء الثابت بدوره, يمكن للدوار الاستمرار في الدوران!
يمكن استخدام ستة مفاتيح إلكترونية لتشغيل هذه النبضات الست, على النحو التالي.

كشف الموقف
على الرغم من أننا نعرف بالفعل كيفية التحكم في دقات الدوار الستة.
ولكن هل وجدت مشكلة جديدة؟: إذا كنت لا تعرف موضع الدوار, كيف تعرف متى تقود أي لف?
لذلك علينا أن نعرف الموقع الحالي للدوار!
ويتم اكتشاف موضع الدوار بطريقتين عامتين.
1, طريقة الكشف عن مستشعر القاعة.
الشكل التالي, وضع في الجزء الثابت H1، H2، H3, ثلاثة أجهزة استشعار القاعة, يمكنك معرفة الموقع الدقيق الحالي للجزء الثابت.

مخرج مستشعر القاعة بمستويات عالية ومنخفضة للإشارة.

2, طريقة الكشف عن القوة الدافعة الكهربائية العكسية
تعتمد طريقة الكشف عن المجالات الكهرومغناطيسية الخلفية على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي.
عندما المجال المغناطيسي (الفيض المغناطيسي) حول تغييرات متعرجة غير نشطة, يتم إحداث جهد كهربائي في هذا الملف.
من خلال الكشف عن حجم واتجاه هذا الجهد الكهربائي, يمكننا أيضًا معرفة الموقع الحالي للجزء الثابت.

هاتان الطريقتان للكشف لهما مزايا وعيوب.
يعد اكتشاف مستشعر القاعة أكثر دقة قليلاً, ولكن أيضًا أكثر تكلفة.
على العكس تماما, تعتبر طريقة الكشف عن القوة الدافعة الكهربائية العكسية أكثر اقتصادا, ولكن أقل دقة قليلاً.

الدوار الداخلي أو الدوار الخارجي
لدى BLDC نوعان من البنية: يسمى الدوار الداخلي بالدوار الداخلي BLDC; على العكس تماما, يسمى الدوار الخارجي بالدوار الخارجي BLDC.

نسبيا, يتم استخدام الدوار الخارجي BLDC في كثير من الأحيان.
السبب الرئيسي هو أن الدوار الخارجي BLDC أكثر استقرارًا في الهيكل الميكانيكي. وذلك لأن الجزء الدوار للمحرك يميل إلى التوسع للخارج بسبب قوة الطرد المركزي في ظل التشغيل بسرعة عالية.
لذا فإن الدوار الداخلي BLDC يحتاج إلى دقة ميكانيكية عالية جدًا لضمان عدم تعارض العضو الدوار والجزء الثابت.
ولكن إذا كانت المسافة المحجوزة بعيدة جدًا, سيؤدي إلى تسرب مغناطيسي ويؤثر على الكفاءة العامة للمحرك.
ولكن هذه ليست مشكلة مع الدوار الخارجي BLDC, لأن الدوار الخارجي لا يتأثر بشكل طبيعي بالتوسع.

4、التطبيق العملي لـ BLDC

ثم دعونا نلقي نظرة على ما يلي, سيناريوهات التطبيق الفعلي لـ BLDC.

1, يعد تبريد الهواء بمروحة التبريد الصامتة هو الخيار الأول للعديد من أجهزة التبريد.
على سبيل المثال, العديد من الرئيسية “صامتة” الهيكل في السوق, في حالة استخدام تبريد الهواء, مروحة التبريد بالداخل هي في الأساس استخدام BLDC.
القاعدة المستخدمة لتبديد الحرارة إلى الكمبيوتر المحمول تُستخدم أيضًا بشكل شائع BLDC, بالإضافة إلى نظام تبريد كبير للتهوية بالداخل, استخدام مراوح BLDC. هناك أيضًا منفاخ هواء عالي السرعة ومنتجات أخرى.

2, تُستخدم الطائرات بدون طيار متعددة المحاور في BLDC ذات الطاقة الأكبر, تتكيف مع ESC المناسبة (خروج), ثم استخدم PWM للتحكم في سرعة BLDC وهو أمر مريح للغاية.

3, أدوات كهربائية ومنتجات أخرى, مثل الدفعات الكهربائية, يتم استخدام الإنتاج المحلي من الشدات الكهربائية بشكل أساسي BLDC, ومعظم التدريبات اليدوية كذلك.
ويرجع ذلك أساسًا إلى الكفاءة العالية لـ BLDC, وجعل الأدوات الكهربائية التي تعمل بالبطارية تدوم لفترة أطول. نقطة أخرى هي أن عزم الدوران الناتج للمحرك بدون فرش مستقر للغاية.
ويوجد أيضًا ضواغط للثلاجة, مراوح تبريد الفريزر, وكذلك أجهزة تنقية الهواء, المكانس الكهربائية / المكانس, بنادق اللفافة, إلخ., والتي كانت شديدة الحرارة في السنوات الأخيرة, يتم تشغيل معظمها بواسطة BLDC.