Od czasu pomyślnego opracowania w latach 60. XX wieku bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) okazały się bardziej wydajne i mają dłuższą żywotność niż poprzednie szczotkowane silniki prądu stałego (DC). Wraz z przejściem na synchroniczne silniki prądu przemiennego (AC) w zastosowaniach przemysłowych dużej mocy, silniki BLDC również zaczęto wykorzystywać w wielu innych zastosowaniach.
Obecnie silniki BLDC przeniknęły do każdego aspektu codziennego życia konsumentów. Można je znaleźć w narzędziach zasilanych akumulatorowo, takich jak wiertarki i dmuchawy, sprzęcie gospodarstwa domowego, takim jak pralki i drukarki, a także rowerach i samochodach elektrycznych. W środowiskach przemysłowych silniki BLDC są wykorzystywane do sterowania ruchem i przenoszenia materiałów. Silniki BLDC zapewniają również moc bezzałogowym pojazdom naziemnym (UGV), dronom i podobnym bezzałogowym statkom powietrznym (UAV), a także robotom chirurgicznym i egzoszkieletom pomocniczym.
Szczotkowe silniki prądu stałego wykorzystują metalowe lub węglowe szczotki komutatorowe do dostarczania energii elektrycznej do uzwojeń silnika, podczas gdy silniki BLDC są bezkontaktowe. Ze względu na brak tarcia i zużycia jest bardziej wydajny, wymaga mniej konserwacji i ma dłuższą żywotność silnika. Wydajność BLDC jest również lepsza, zapewnia większą prędkość, większy moment obrotowy i wyższy stosunek mocy do masy. Dzięki zaawansowanym systemom sterowania silniki BLDC mogą niemal natychmiast zmieniać prędkość lub moment obrotowy i zapewniać precyzyjne pozycjonowanie, aby zapewnić bezpieczeństwo.
Wyjątkowa wydajność wykazywana przez zaawansowane sterowniki silników BLDC sprawia, że te silniki i ich systemy sterowania są bardzo atrakcyjne dla inżynierów projektujących nowoczesne zastosowania robotów i dronów, które zazwyczaj wymagają takich cech, jak miniaturyzacja, duża prędkość, wysoka precyzja, wysokie bezpieczeństwo i niskie wymagania konserwacyjne.
Podstawowa zasada działania silnika BLDC
Silnik BLDC ma tak prostą, trzyczęściową konstrukcję, że jest po prostu niewiarygodny. Stojan stacjonarny wyposażony jest w od dwóch do ośmiu zestawów uzwojeń miedzianych, rozmieszczonych na obwodzie otoczonym lub równolegle do wirnika wyposażonego w magnesy trwałe (rysunek 1). Sterownik silnika jest podłączony do stojana w celu uzyskania danych o położeniu i zasilania uzwojenia.
Sterownik do trójfazowego silnika BLDC
Rysunek 1: Trójfazowy sterownik silnika BLDC zmienia kierunek pola magnetycznego stojana poprzez zmianę stanu zasilania i polaryzacji prądu uzwojeń stojana (fazy U, V, W). Wirnik (część niebieska) z wbudowanymi magnesami trwałymi obraca się odpowiednio, utrzymując w ten sposób ten sam kierunek, co pole magnetyczne stojana. (Źródło obrazu: Qorvo)
Przyłożenie prądu do zestawu uzwojeń stojana spowoduje wygenerowanie pola magnetycznego, a magnes trwały wirnika będzie reagował na to pole magnetyczne. Przyciąganie przeciwnych biegunów magnetycznych powoduje obrót wirnika. Przed wyrównaniem wirnika z polem magnetycznym stojana sterownik przełączy uzwojenie pod napięciem, zmieni kierunek pola magnetycznego i utrzyma ciągły obrót wirnika.
W rzeczywistości impuls prądowy wysyłany przez sterownik do stojana zmieni się z przewodzenia na rozłączenie i spowoduje zmianę polaryzacji przy określonej częstotliwości, aby reprezentować prąd przy użyciu określonego kształtu fali. Schemat przełączania pokazany na rysunku 1 jest reprezentowany przez fale trapezowe. Inne typy silników, w tym silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMSM), mają fale sinusoidalne. Ten typ silnika jest strukturalnie podobny do silnika BLDC, ale wprawia pole magnetyczne w ruch obrotowy poprzez zmienne prądy, a wirnik pozostaje zsynchronizowany i zablokowany z polem magnetycznym. Dostosowanie amplitudy i fazy tych fal może zmienić prędkość silnika i dostępny moment obrotowy.
Sterownik może również otrzymywać ciągłe informacje zwrotne z czujników położenia, takich jak czujniki Halla lub enkodery fotoelektryczne. W bezczujnikowych silnikach BLDC zmierzona wartość odwrotnej siły elektromotorycznej (BEMF) – prądu generowanego przez pole magnetyczne generowane przez uzwojenie pod napięciem w uzwojeniu nienasilonym – może zostać wykorzystana do określenia położenia wirnika.
Rozwój kierowców pojazdów mechanicznych
Biorąc pod uwagę, że monitorowanie, zasilanie i sterowanie silnikami BLDC wymagają złożonych struktur, nie jest zaskakujące, że staromodne sterowniki silników BLDC wykorzystujące półprzewodnikowe urządzenia elektroniczne w środowiskach przemysłowych wymagają niezależnej przestrzeni w szafie oraz nieporęcznych kabli zasilania i danych do podłączenia silników. Coraz bardziej wyrafinowane układy scalone (IC) napędzają ciągłą miniaturyzację sterowników silników, dopóki nie będzie można ich zintegrować z płytkami drukowanymi (PCB). Pomimo osiągnięcia miniaturyzacji funkcjonalność współczesnych sterowników silników wciąż się rozwija.
Na przykład trójfazowy sterownik silnika BLDC ACT72350 firmy Qorvo (rysunek 2). Sterownik ten integruje konfigurowalny interfejs analogowy (AFE), moduł zarządzania energią dostosowany do różnych konfiguracji zasilania i dedykowany sterownik silnika (ASPD) w kwadratowym urządzeniu do montażu powierzchniowego o wymiarach 9 mm x 9 mm, bez przewodu (QFN).
Qorvo ACT72350 Zintegrowany trójfazowy sterownik silnika BLDC
Rysunek 2: Zintegrowany trójfazowy sterownik silnika BLDC ACT72350 integruje obwody AFE i konfigurowalne funkcje zarządzania energią w kompaktowej obudowie do montażu powierzchniowego. (Źródło obrazu: Qorvo)
Konfigurowalny AFE ACT72350 jest wyposażony w trzy różnicowe programowalne wzmacniacze wzmocnienia, cztery programowalne wzmacniacze wzmocnienia z pojedynczym zakończeniem, dwa 10-bitowe przetworniki analogowo-cyfrowe i dziesięć komparatorów, co czyni go mostkiem łączącym czujniki i obwody sterujące. Ten AFE może również odbierać sygnały sterujące modulacją szerokości impulsu (PWM) z zewnętrznego mikrokontrolera (MCU) poprzez szeregowy interfejs peryferyjny (SPI).
Konfigurowalny moduł zarządzania energią umożliwia ACT72350 akceptowanie napięć wejściowych prądu stałego w zakresie od 25 V do 160 V, w tym do 20 sekund pojemności akumulatora (napięcie nominalne 72 V lub 84 V po pełnym naładowaniu). Wysokonapięciowy zasilacz impulsowy tego modułu może zapewnić stabilne napięcie wyjściowe 12 V lub 15 V, a także może zapewnić stabilne zasilanie 5 V, 200 mA dla modułów ACT72350 i MCU.
ASPD ACT72350 może wykorzystywać do napędzania silnika architekturę półmostkową, mostek H lub architekturę trójfazową (rysunek 3). Trzy wysokonapięciowe sterowniki bramki bocznej o napięciu 160 V i trzy niskonapięciowe sterowniki bramki bocznej o napięciu 20 V, każdy sterownik ma zdolność sterowania bramką 2 A (prąd ciągnący)/2 A (prąd zalewania), co pozwala uzyskać szybkie przełączanie w celu poprawy prędkości silnika.