Hur borstlösa DC-motorer (BLDC) fungerar

Inlägget beskriver utförligt det grundläggande driftkonceptet för borstlösa likströmsmotorer, även kallade BLDC-motorer.

Skillnaden mellan borstade och borstlösa likströmsmotorer

I våra traditionella borstade motorer används borstar för att byta den centrala rörliga rotorn i förhållande till den omgivande pappersmagnetstatorn.

Borstar blir tvingande eftersom rotorn är tillverkad med hjälp av elektromagneter som behöver kraft för att fungera men eftersom den också behöver rotera blir saker klumpiga och borstar blir det enda alternativet för att leverera kraft till den roterande elektromagnetiska rotorn.

Tvärtom i borstlösa likströmsmotorer eller BLDC-motorer har vi en stationär centralstator och en omgivande cirkulär rotor. Statorn består av en uppsättning elektromagneter medan rotorn har permanentmagneter fästa över sin omkrets vid vissa beräknade positioner.

Använda Hall-effektsensorer

Mekanismen har också en Hall-effektsensor som är installerad för att känna av rotorns och dess magneter i förhållande till statorelektromagneten och informera data till en extern kopplingskrets som sedan blir ansvarig för att aktivera / avaktivera elektromagneterna vid korrekt sekvens eller timing, vilket påverkar en rotationsrörelse på rotorn.

Ovanstående förklaring kan förstås med hjälp av följande grundillustration och sedan genom en detaljerad design i de efterföljande bilderna.

Vi har lärt oss och vet en hel del intressanta saker om magneter och hur dessa enheter samverkar.

Vi vet att en nordpol av magneten lockar södra polen av en annan magnet medan som poler stöter bort.

Hur permanenta magneter är placerade

I det ovan visade diagrammet ser vi en skiva med en inbäddad magnet vid sin kant (visas i röd färg) som är placerad med nordpolen vänd utåt, och även en elektromagnet placerad parallellt med skivans cirkulära kant som ger en södra magnetfältet när det är aktiverat.

Antag nu att arrangemanget är placerat som visas i det första övre diagrammet med elektromagneten i avaktiverat tillstånd.

I denna position så snart elektromagneten aktiveras med en lämplig likströmsingång uppnår den och genererar ett sydmagnetiskt fält som påverkar en dragkraft över skivmagneten som i sin tur tvingar skivan att rotera med något vridmoment tills dess permanentmagnet kommer i linje med elektromagneterna motsatta flödeslinjer.

Ovanstående åtgärd visar det grundläggande formatet där BLDC-konceptet fungerar.

Hur BLDC-motor fungerar med halleffektsensorer

Låt oss nu se hur faktiskt ovanstående koncept implementeras med Hall-effektsensorer för att upprätthålla en kontinuerlig rörelse över rotorn.

Följande exempeldiagram förklarar mekanismen fullständigt:

I ovanstående diagram ser vi i princip ett enkelt BLDC-rotor / statorarrangemang, där det yttre cirkulära elementet är den roterande rotorn medan den centrala elektromagneten blir den fasta statorn.

Rotorn kan ses med ett par permanenta magneter fixerade vid periferin som har sydpolen som påverkande flödeslinjer, den centrala statorn är en stark elektromagnet som är utformad för att generera en ekvivalent styrka av nordpolens magnetiska flöde när den matas med en extern DC.

Vi kan också visualisera en hallsensor belägen nära ett av hörnen på den inre rotorutrymmet. Halleffekten avkänner i grunden magnetfältet hos den roterande rotorn och matar signalen till en styrkrets som ansvarar för att driva statorelektromagneterna.

Med hänvisning till det övre läget ser vi det tomma området (som är tomt för något magnetfält) hos rotorn i nära kontakt med hallsensorn och håller den i avstängd tillstånd.

I detta ögonblick informerar avstängningssignalen från halleffekten styrkretsen om att slå på elektromagneterna, vilket omedelbart inducerar en drageffekt på rotorns södra pol som står precis runt hörnet.

När detta händer kommer sydpolen att stiga och producera det erforderliga vridmomentet på rotorn och försöker rikta sig in i linje med elektromagnetens nordpol.

Men i processen drar rotorns sydpol sig också nära hallsensorn (som visas i det nedre diagrammet) som omedelbart upptäcker detta och slår PÅ och informerar styrkretsen att stänga av elektromagneterna.

Stäng av Elektromagneternas tid är avgörande

Att stänga av elektromagneterna i rätt ögonblick, som signaleras av halleffektsensorn, förhindrar att rotorrörelsen stannar och hindrar, snarare gör det möjligt att fortsätta med rörelsen genom det genererade vridmomentet tills den tidigare positionen börjar forma sig och tills hallen sensorn ännu en gång 'känner' rotorns tomma område och stängs av och upprepar cykeln.

Ovanstående växling av hallsensorn i enlighet med de olika rotorpositionerna åstadkommer en kontinuerlig rotationsrörelse med en toque som kan vara direkt proportionell mot statorn / rotorns magnetiska interaktioner, och naturligtvis hallhallens positionering.

Ovanstående diskussioner förklarar den mest grundläggande tvåmagneten, en hallsensormekanism.

För att uppnå exceptionellt högre vridmoment används fler magneter och uppsättningar elektromagneter i andra borstlösa motorer med högre effektivitet, varvid mer än en halleffekt-sensor kan ses för att implementera multipelavkänning av rotormagneterna så att olika uppsättningar elektromagneter kan bytas vid föredragen korrekt sekvens.

Hur man styr BLDC-motor

Hittills har vi förstått det grundläggande arbetskonceptet för BLDC-motorer och lärde oss hur en Hall-sensor används för att aktivera motorns elektromagnet genom en extern ansluten elektronisk krets för att upprätthålla en kontinuerlig rotationsrörelse av rotorn, i nästa avsnitt kommer vi att studera regading hur BLDC-drivkrets faktiskt fungerar för att styra BLDC-motorer

Metoden för att implementera en fast statorelektromagnet och en roterande fri magnetisk rotor säkerställer ökad effektivitet för BLDC-motorer jämfört med traditionella borstade motorer som har exakt motsatt topologi och därför kräver borstar för motoroperationerna. Användningen av borstar gör procedurerna relativt ineffektiva när det gäller lång livslängd, konsumtion och storlek.

Nackdelen med BLDC Motor

Även om BLDC-typer kan vara det mest effektiva motorkonceptet har det en betydande nackdel att det kräver en extern elektronisk krets för att manövrera den. Men med tillkomsten av moderna IC: er och känsliga Hall-sensorer verkar denna fråga nu vara ganska trivial jämfört med den höga effektiviteten i detta koncept.

4-magnets BLDC-drivrutin Design

I den här artikeln diskuterar vi en enkel och grundläggande styrkrets för en fyrmagnet, enda hallsensortyp BLDC-motor. Motordriften kan förstås genom att hänvisa till följande motormekanismdiagram:

Bilden ovan visar ett grundläggande BLDC-motorarrangemang med två uppsättningar permanentmagneter över periferin av en extern rotor och två uppsättningar central elektromagnet (A, B, C, D) som stator.

För att initiera och upprätthålla ett vridmoment måste antingen A, B eller C, D-elektromagneter vara i aktiverat tillstånd (aldrig tillsammans) beroende på positionerna för rotormagnetens nord / sydpoler i förhållande till de aktiverade elektromagneterna.

Hur BLDC Motor Driver fungerar

För att vara exakt, låt oss anta positionen som visas i ovanstående scenario med A och B i ett påslaget tillstånd så att sidan A är aktiverad med sydpolen medan sidan B är aktiverad med nordpolen.

Detta skulle innebära att sidan A skulle utöva en drageffekt över sin vänstra blå nordpol och en avstötande effekt på höger sida sydpolen av statorn, på samma sätt skulle sidan B dra den nedre röda sydpolen och avvisa den övre norr rotorns pol ... hela processen skulle då kunna antas utöva en imponerande medurs rörelse över rotormekanismen.
Låt oss också anta att i ovanstående situation är Hall-sensorn i inaktiverat tillstånd eftersom det kan vara en 'sydpolaktiverad' Hall-sensorenhet.

Ovanstående effekt skulle försöka rikta in och tvinga rotorn så att söder låses ansikte mot ansikte mot sida B medan nordpolen med sida A, men innan denna situation kan transpirera bringas Hall-sensorn i närheten av skiftande rotorns övre sydpol, och när denna bara passerar över Hall-sensorn tvingas den att slå PÅ, sända en positiv signal till den anslutna styrkretsen som omedelbart svarar och stänger av elektromagneter A / B och slår PÅ elektromagneter C / D och se till att rotormomentet för rotorn ännu en gång tvingas upprätthålla ett konstant vridmoment på rotorn.

Grundläggande BLDC Driver Circuit

Ovanstående förklarade omkoppling av elektromagneterna som svar på Hall-sensorns utlösande signal kan mycket enkelt implementeras med användning av följande enkla BLDC-styrkretsidé.

Kretsen behöver inte mycket av en förklaring eftersom det är för grundläggande, under ON-situationerna för Hall-sensorn är BC547 och den kopplade TIP122 på motsvarande sätt PÅ som i sin tur slår PÅ motsvarande uppsättningar elektromagneter fästa över deras samlare och positiva , under avstängningsperioderna för Hall-sensorn kopplas BC547 / TIP122-paret AV, men den extrema vänstra TIP122-transistorn är PÅ och aktiverar motsatta uppsättningar elektromagnet.

Situationen växlas växelvis, så länge som kraften förblir applicerad så att BLDC roterar med erforderligt vridmoment och momentum.