V tomto tutoriálu se dozvíme, co je to bezkartáčový stejnosměrný motor neboli BLDC a jak funguje. Také se podíváme na to, jak funguje elektronický regulátor otáček (ESC), což je elektronický obvod používaný k řízení těchto typů bezkartáčových motorů.
Na našich webových stránkách si také můžete přečíst základy připojení BLDC motoru k desce Arduino.
Co je to bezkartáčový stejnosměrný motor?
Bezkartáčový stejnosměrný motor neboli BLDC je elektromotor, který běží na stejnosměrný proud a generuje pohyb bez kartáčů jako běžné stejnosměrné motory.
Bezkartáčové motory jsou v současnosti populárnější než konvenční kartáčové stejnosměrné motory, protože mají vyšší účinnost, dokáží zajistit přesné řízení točivého momentu a otáček a díky absenci kartáčů poskytují vysokou odolnost a nízký elektrický šum.
BLDC motory se používají v zařízeních, která vyžadují účinnost a odolnost, jako jsou pračky, klimatizace a další domácí elektronika. Používají se také v rotačních pevných discích, rádiem ovládaných modelech, jako jsou rádiem ovládaná letadla atd.
Jak funguje bezkartáčový stejnosměrný motor?
Bezkartáčový stejnosměrný motor (BLDC) se skládá ze dvou hlavních částí: statoru a rotoru. Na obrázku je rotor permanentní magnet se dvěma póly a stator se skládá z cívek uspořádaných, jak je znázorněno na obrázku níže.
Všichni víme, že pokud propustíme proud cívkou, vytvoří se magnetické pole a siločáry magnetického pole neboli póly budou záviset na směru proudu.
Takže pokud aplikujeme vhodný proud, cívka vytvoří magnetické pole, které přitáhne permanentní magnet rotoru. Pokud nyní aktivujeme každou cívku jednu po druhé, rotor se bude dále otáčet v důsledku silové interakce mezi permanentním magnetem a elektromagnetem.
Pro zvýšení účinnosti motoru můžeme navinout dvě protilehlé cívky jako jednu tak, aby póly byly protilehlé k pólům rotoru, čímž získáme dvojnásobnou přitažlivou sílu.
S touto konfigurací můžeme vytvořit šest statorových pólů s použitím pouze tří cívek. Účinnost můžeme dále zvýšit současným napájením dvou cívek. Tímto způsobem bude jedna cívka rotor přitahovat a druhá odpuzovat.
Aby rotor dokončil celý 360stupňový cyklus, vyžaduje šest kroků nebo intervalů.
Pokud se podíváme na průběh proudu, všimneme si, že v každém intervalu je jedna fáze s kladným proudem, jedna fáze se záporným proudem a třetí fáze je odpojená. To vede k představě, že můžeme propojit volné konce každé ze tří fází dohromady a tímto způsobem rozdělit proud mezi ně nebo použít jeden proud k napájení dvou fází současně.
Zde je příklad. Pokud fázi A připojíme k vysokému napětí nebo ji připojíme ke kladnému stejnosměrnému napětí pomocí nějakého spínače, jako je MOSFET, a na druhé straně fázi B připojíme k zemi, pak proud poteče z VCC přes fázi A, neutrální bod a fázi B k zemi. Takže pouze jedním průtokem proudu vytvoříme čtyři různé póly, které rozpohybují rotor.
V této konfiguraci máme ve skutečnosti hvězdicové zapojení fází motoru, kde je neutrální bod připojen interně a ostatní tři konce fází vycházejí z motoru, a proto z bezkartáčového motoru vycházejí tři vodiče.
Takže, aby rotor dokončil celý cyklus, stačí aktivovat dva správné MOSFETy v každém ze 6 intervalů, a to je v podstatě to, co ESC dělá.
Jak funguje ESC (elektronický regulátor otáček)?
ESC neboli elektronický regulátor otáček řídí pohyb nebo rychlost bezkartáčového motoru aktivací příslušných MOSFETů, které vytvářejí rotující magnetické pole, jež způsobuje otáčení motoru. Čím vyšší je frekvence nebo čím rychleji ESC provede 6 cyklů, tím rychleji se motor bude otáčet.
To však vyvolává důležitou otázku: jak poznáme, kdy a kterou fázi aktivovat? Odpověď zní, že potřebujeme znát polohu rotoru a existují dvě běžné metody, které se používají k určení polohy rotoru.
První běžnou metodou je použití Hallových senzorů zabudovaných do statoru, umístěných ve stejných úhlech 120 nebo 60 stupňů od sebe navzájem.
Když se permanentní magnety rotoru otáčejí, Hallovy senzory detekují magnetické pole a generují logickou úroveň „vysoké“ pro jeden magnetický pól nebo logickou úroveň „nízké“ pro opačný pól. Na základě těchto informací ESC ví, kdy aktivovat další komutační sekvenci nebo interval.
Druhou běžnou metodou používanou k určení polohy rotoru je měření zpětné elektromotorické síly neboli zpětného EMF. Zpětné EMF vzniká přesně opačným procesem než vytváření magnetického pole, neboli když pohyblivé nebo měnící se magnetické pole prochází cívkou, indukuje v cívce proud.
Takže když pohyblivé magnetické pole rotoru prochází volnou nebo neaktivní cívkou, indukuje v cívce proud a v důsledku toho dojde k poklesu napětí v této cívce. ESC detekuje tyto poklesy napětí v okamžiku jejich vzniku a na jejich základě předpovídá nebo vypočítává, kdy by měl nastat další interval.
Toto je základní princip fungování bezkartáčových stejnosměrných motorů a regulátorů otáček (ESC) a zůstává stejný, i když zvýšíme počet pólů na rotoru i statoru. Stále budeme mít třífázový motor, ale počet intervalů potřebných k dokončení celého cyklu se zvýší.
Zde můžeme také zmínit, že BLDC motory mohou být typu inrunner i outrunner. Bezkartáčový motor inrunner má permanentní magnety uvnitř elektromagnetů a naopak, motor outrunner má permanentní magnety vně elektromagnetů. Opět používají stejný pracovní princip a každý má své silné a slabé stránky.
Ukázka provozu BLDC a ESC
Dobře, dost teorie, teď si pojďme ukázat a podívat se v praxi, co jsme si výše vysvětlili. Za tímto účelem připojíme k osciloskopu tři fáze bezkartáčového motoru. Já jsem v jednom bodě připojil 3 rezistory, abych vytvořil virtuální neutrální bod, a na druhé straně jsem je připojil ke třem fázím BLDC motoru.
První věc, které si zde můžeme všimnout, jsou tři sinusové vlny. Tyto sinusové vlny jsou ve skutečnosti zpětným elektromotorickým polem generovaným ve fázích, kdy jsou neaktivní.
Vidíme, že když se mění otáčky motoru, mění se frekvence sinusových vln i jejich amplituda. Čím vyšší jsou otáčky, tím vyšší je frekvence a amplituda sinusových vln zpětného elektromotorického pole. Ve skutečnosti jsou to však právě tyto vrcholy, které řídí motor, což jsou aktivní fáze, jež generují měnící se magnetické pole.
Vidíme, že v každém intervalu jsou dvě aktivní a jedna neaktivní fáze. Například zde máme aktivní fáze A a B a neaktivní fázi C. Pak máme aktivní fáze A a C a neaktivní fázi B atd.
Na našich webových stránkách si také můžete přečíst článek o výběru nejlepšího levného osciloskopu pro začátečníky.
Následující obrázek ukazuje řízení otáček BLDC motoru pomocí desky Arduino.
