Как работают бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC)

В сообщении подробно описана основная концепция работы бесщеточных двигателей постоянного тока, также называемых двигателями BLDC.

Разница между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока

В наших традиционных щеточных двигателях щетки используются для переключения центрального подвижного ротора относительно окружающего неподвижного статора с постоянными магнитами.

Щетки становятся обязательными, потому что ротор сделан с использованием электромагнитов, которым для работы требуется энергия, но поскольку он также должен вращать, вещи становятся неуклюжими, и щетки становятся единственной альтернативой для подачи энергии на вращающийся электромагнитный ротор.

Напротив, в бесщеточных двигателях постоянного тока или двигателях BLDC у нас есть стационарный центральный статор и окружающий его круговой ротор. Статор состоит из набора электромагнитов, а ротор имеет постоянные магниты, прикрепленные по его периметру в определенных расчетных положениях.

Использование датчиков Холла

В механизме также есть датчик на эффекте Холла, который установлен, чтобы определять положение ротора и его магнитов по отношению к электромагниту статора и передавать данные во внешнюю схему переключения, которая затем становится ответственной за активацию / деактивацию электромагнитов в правильная последовательность или синхронизация, влияющие на вращательное движение ротора.

Вышеупомянутое объяснение можно понять с помощью следующей базовой иллюстрации, а затем с помощью тщательно продуманного дизайна на последующих изображениях.

Мы узнали и знаем довольно много интересного о магнитах и ​​о том, как эти устройства взаимодействуют.

Мы знаем, что северный полюс магнита притягивает южный полюс другого магнита, в то время как подобные полюса отталкиваются.

Как расположены постоянные магниты

На приведенной выше диаграмме мы видим диск со встроенным магнитом на его краю (показан красным цветом), который расположен так, чтобы северный полюс был обращен наружу, а также электромагнит, расположенный параллельно круглому краю диска, который производит южное магнитное поле при подаче напряжения.

Теперь предположим, что устройство расположено, как показано на первой верхней диаграмме, с электромагнитом в деактивированном состоянии.

В этом положении, как только электромагнит активируется с соответствующим входом постоянного тока, он достигает и генерирует южное магнитное поле, влияющее на тянущее усилие на дисковый магнит, которое, в свою очередь, заставляет диск вращаться с некоторым крутящим моментом, пока его постоянный магнит не придет в соответствие с электромагниты напротив линий магнитного потока.

Вышеуказанное действие показывает основной формат, в котором работает концепция BLDC.

Как двигатель BLDC работает с датчиками Холла

Теперь давайте посмотрим, как на самом деле реализована вышеупомянутая концепция с использованием датчиков эффекта Холла, чтобы поддерживать непрерывное движение над ротором.

Следующая диаграмма-пример подробно объясняет механизм:

На приведенной выше диаграмме мы в основном видим простую компоновку ротора / статора BLDC, где внешний круговой элемент является вращающимся ротором, а центральный электромагнит становится неподвижным статором.

Можно было видеть, что ротор имеет пару постоянных магнитов, закрепленных на периферии, южный полюс которых используется в качестве влияющих линий магнитного потока, центральный статор представляет собой сильный электромагнит, который предназначен для создания эквивалентной силы магнитного потока Северного полюса при возбуждении с помощью внешний DC.

Мы также можем визуализировать датчик Холла, расположенный около одного из углов внутренней периферии ротора. Эффект Холла определяет магнитное поле вращающегося ротора и передает сигнал в схему управления, отвечающую за питание электромагнитов статора.

Обращаясь к верхнему положению, мы видим пустую область (которая свободна от любого магнитного поля) ротора в тесном контакте с датчиком Холла, удерживая его в выключенном состоянии.

В этот момент сигнал выключения от эффекта Холла информирует схему управления о включении электромагнитов, что мгновенно вызывает эффект натяжения на южном полюсе ротора, стоящем прямо за углом.

Когда это происходит, южный полюс опускается вниз, создавая необходимый крутящий момент на роторе, и пытается выровняться на одной линии с северным полюсом электромагнита.

Однако при этом южный полюс ротора также приближается к датчику Холла (как показано на нижней диаграмме), который немедленно обнаруживает это и включает, информируя схему управления о выключении электромагнитов.

Время выключения электромагнитов имеет решающее значение

Выключение электромагнитов в нужный момент по сигналу датчика Холла запрещает остановку и затруднение движения ротора, скорее позволяет ему продолжать движение за счет генерируемого крутящего момента до тех пор, пока не начнет формироваться предыдущее положение, и пока не возникнет холл. датчик снова «ощущает» пустую область ротора и выключается, повторяя цикл.

Вышеупомянутое переключение датчика Холла в соответствии с различными положениями ротора вызывает непрерывное вращательное движение с моментом, который может быть прямо пропорционален магнитным взаимодействиям статора и ротора, и, конечно, позиционированию на эффекте Холла.

Вышеупомянутые обсуждения объясняют наиболее фундаментальный механизм с двумя магнитами и одним датчиком Холла.

Для достижения исключительно более высоких крутящих моментов в других бесщеточных двигателях с более высоким КПД используется больше магнитов и наборов электромагнитов, в которых можно использовать более одного датчика Холла для реализации множественного измерения магнитов ротора, чтобы можно было переключать разные наборы электромагнитов. предпочтительная правильная последовательность.

Как управлять двигателем BLDC

До сих пор мы поняли основную рабочую концепцию Двигатели BLDC и узнали, как датчик Холла используется для активации электромагнита двигателя через внешнюю подключенную электронную схему для поддержания непрерывного вращательного движения ротора, в следующем разделе мы изучим, как на самом деле работает схема драйвера BLDC для управления двигателями BLDC.

Метод реализации фиксированного электромагнита статора и вращающегося свободного магнитного ротора обеспечивает повышенную эффективность двигателей с BLDC по сравнению с традиционными щеточными двигателями, которые имеют прямо противоположную топологию и поэтому требуют щеток для работы двигателя. Использование щеток делает процедуры относительно неэффективными с точки зрения долгого срока службы, расхода и размера.

Недостаток двигателя BLDC

Хотя типы BLDC могут быть наиболее эффективной концепцией двигателя, они имеют один существенный недостаток, заключающийся в том, что для их работы требуется внешняя электронная схема. Однако с появлением современных ИС и чувствительных датчиков Холла эта проблема теперь кажется довольно тривиальной по сравнению с высокой степенью эффективности, связанной с этой концепцией.

4 Магнитный драйвер BLDC Конструкция

В данной статье мы обсуждаем простую и базовую схему управления четырехмагнитным двигателем BLDC с одним датчиком Холла. Работу двигателя можно понять, обратившись к следующей схеме механизма двигателя:

На изображении выше показана базовая схема двигателя BLDC, имеющая два набора постоянных магнитов по периферии внешнего ротора и два набора центральных электромагнитов (A, B, C, D) в качестве статора.

Чтобы инициировать и поддерживать крутящий момент, либо электромагниты A, B или C, D должны находиться в активированном состоянии (никогда вместе) в зависимости от положений северного / южного полюсов магнита ротора по отношению к активированным электромагнитам.

Как работает драйвер двигателя BLDC

Чтобы быть точным, давайте предположим положение, показанное в приведенном выше сценарии, с A и B во включенном состоянии, так что сторона A получает питание от южного полюса, а сторона B - от северного полюса.

Это будет означать, что сторона A будет оказывать притягивающий эффект на свой левый синий северный полюс и эффект отталкивания на своем правом южном полюсе статора, аналогично сторона B будет притягивать нижний красный южный полюс и отталкивать верхний северный полюс. полюс ротора ... можно предположить, что весь процесс представляет собой впечатляющее движение по часовой стрелке над механизмом ротора.
Предположим также, что в приведенной выше ситуации датчик Холла находится в отключенном состоянии, поскольку это может быть датчик Холла с активированным южным полюсом.

Вышеупомянутый эффект будет пытаться выровнять и принудительно выровнять ротор так, чтобы юг встал лицом к лицу со стороной B, а северный полюс со стороной A, однако, прежде чем эта ситуация сможет проявиться, датчик Холла помещается в непосредственной близости от сдвигая верхний южный полюс ротора, и когда он просто проходит через датчик Холла, он принудительно включается, отправляя положительный сигнал в подключенную схему управления, которая мгновенно отключает электромагниты A / B и включает электромагниты C / D, убедившись, что вращающий момент ротора по часовой стрелке снова усиливается, поддерживая постоянный крутящий момент на роторе.

Базовая схема драйвера BLDC

Вышеупомянутое переключение электромагнитов в ответ на сигнал запуска датчика Холла может быть очень просто реализовано с использованием следующей простой идеи схемы управления BLDC.

Схема не требует особого объяснения, так как она слишком проста: во время включения датчика Холла BC547 и связанный TIP122 соответственно включаются, что, в свою очередь, включает соответствующие наборы электромагнитов, прикрепленных к их коллектору, и положительный , во время периодов выключения датчика Холла пара BC547 / TIP122 выключена, но крайний левый транзистор TIP122 включен, активируя противоположные наборы электромагнита.

Ситуация переключается поочередно, непрерывно до тех пор, пока остается поданная мощность, при этом BLDC вращается с требуемыми моментами и импульсом.