בפוסט זה אנו חוקרים מהו מנוע BLDC ובהמשך אנו לומדים לגבי תכנון מעגל נהג מנוע BLDC ללא חיישנים.
מאווררי מעבד BLDC
ראית את אותם מאווררים נעים במהירות במעבדים, מייצבי מתח, נגני DVD וציוד דומה אחר, העובדים ביעילות מירבית, צורכים שטח מינימלי, זרם ובכל זאת מסוגלים לספק את הפעולות החשובות כפי שנקבע עבור הציוד המסוים?
כן, כל אלה הם הגרסאות המודרניות של מאווררי BLDC או מנועי DC ללא מברשות שהם עדיפים בהרבה על המנועים המוברשים המסורתיים הישנים.
תמונה באדיבות: https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_fan#/media/File:Geh%C3%A4usel%C3%BCfter.jpg
עם זאת, מנוע BLDC ידרוש מעגל נהג מתוחכם, וכן, כל מאווררי המעבד הללו מכילים מודולי דרייבר אלה מובנים, אם כי אלה נראים להפעלה קלה באמצעות זרם זרם רגיל, באופן פנימי המערכת כבר מצוידת במעגל חכם.
נהג מנוע BLDC
כאן נלמד על מעגל נהג מנוע BLDC כזה חכם, באמצעות שבב יחיד DRV10963 לנהיגה בכל מנוע BLDC קטן ביעילות מדהימה, ובהמשך באחד המאמרים הקרובים נראה כיצד ניתן לשדרג מעגל IC זה לנהיגה אפילו את ה- BLDCים הנוכחיים העוצמתיים הגבוהים כמו אלה שהם משמש ב quadcopters.
אבל לפני זה יהיה מעניין ללמוד קצת על מנועי BLDC.
ההבדל בין מנועי DC מוברשים ללא מברשות
ההבדל בין מנוע מוברש למנוע ללא מברשות ושיעור היעילות הוא די ברור.
מכיוון שמנועים מוברשים בעלי אבזור הפצע עצמו נע בין מגנטים, עליהם להשתמש ב'מברשות '(מגעים משפשפים) כך שמסופי הסליל הנעים יוכלו לקבל את מתח האספקה באופן עקבי מבלי שיצטרכו להגיע למקור האספקה בעצמם, מה שאחרת יהפוך את עובד בלתי אפשרי ומסכן את הפעולות.
במנוע ללא מברשות, הסליל או הפיתול לעולם אינם נעים וקבועים, כאן הרוטור נושא סט של מגנטים קבועים ומסתובב בהשפעת השטף המגנטי המתפתל סביב.
מכיוון שהמגנט נקי מכל הטרדות, והוא מסוגל לעבוד מבלי לערב מסופים לניהול או לקבל כוח, הוא יכול להסתדר ללא מאמץ, להסתובב במהירות מהירה ולמעשה ברמה ללא רעש.
אבל יש כאן מלכוד. על מנת לגרום לאלקטרומגנט להגיב לשטף המגנט הקבוע, צריכה להיות תזוזה מתמדת של פאזה או קטבים מגנטיים, כך ששני המקבילים מסוגלים להגיב כל הזמן ולעבור דרך כוח מנוגד ובכך לשחרר את כוח הפיתול הנדרש על פני לסובב ולבצע את הסיבוב עם המומנט שהתקבל.
במנוע מוברש זה הופך להיות קל יותר בשל אופי ההתאמה העצמית של סליל האבזור אשר מסוגל להסתובב וליצור כוח מגנטי מנוגד השומר על עצמי ולהמשיך להסתובב ללא צורך בפולסים או עיבוד חיצוניים.
אולם ב- BLDC זה הופך לבעיה מכיוון שרוטור המגנטים נותר 'חסר מושג' ודורש פקודה מגנטית מחושבת מהסלילה על מנת להסתובב בצורה משמעותית ולא באופן אקראי.
זו בדיוק הסיבה שכל מנועי BLDC דורשים חובה מעגל נהג מנוע כדי לפקד על שלוש קבוצות הברגה הנפרדות בתוך המנוע.
לפיכך כל ה- BLDC הם למעשה מנועים תלת פאזיים ודורשים באופן חובה 3 שלבים לייצור המומנט הסיבובי על הרוטור.
מה עושים מנהלי BLDC ללא חיישנים
מעגל הנהג ללא BLDC של החיישן פשוט מחשמל את 3 קבוצות ההתפתלות באופן רציף כך שהרוטור המגנטי מסוגל לעבור כוח מנוגד עקבי המאפשר למנוע לבצע מומנט וכוח סיבוב מתמשך.
אך לא ניתן להגדיר באופן אקראי את ההפעלה הרציפה הזו של סלילת ה- BLDC על ידי המעגל, היא חייבת להיות במקביל או בתגובה למצב הסיבוב של מגנט הרוטור, אחרת היישום יכול להשתבש ואנחנו עשויים להיות עדים לפיר המנוע (רוטור. ) מסתובב באקראי, כלומר מטלטל בין כיוון השעון לכיוון השעון ללא סיבוב הגיוני.
מדוע משתמשים בחיישנים במנועי BLDC
לכן אנו מציגים חיישנים הממוקמים בתוך גרסאות מנוע BLDC רבות, חיישנים אלה (בדרך כלל חיישני אפקט הול) 'מבינים' את המיקום המשתנה של הקטבים המגנטיים של מגנט הרוטור, מורים למעגל המעבד המצורף לחשמל את המסלול המתאים ולבצע תנועה סיבובית. עם מומנט אופטימלי.
חיישני אפקט הול משמשים ביעילות ברוב מנועי ה- BLDC אשר גודלם גדול יחסית, אך עבור מנועים קטנים יותר כמו מאווררי מעבד, כונני מעבד, נגני DVD, במאווררי פליטה קטנים, עבור מנועים המשמשים לטרקטורונים, חיישני אפקט הול יכולים להפוך לבלתי הולמים. ועל כן מיושמת גישה פחות חיישן חלופי.
זה כרוך בניצול חשמל ה- EMF הגב המובנה של הפיתול, שנלקח כמקור הייחוס לעיבוד וחשמול הסטים הרלוונטיים של סלילה וביצוע המומנט הסיבובי.
הדמיית תנועת רוטור BLDC
בסימולציה הגולמית שלעיל אנו יכולים לדמיין כיצד נלקח ה- EMF הגב המשוחרר כנקודת התייחסות ומשמש לייצור פעימות הרצף עבור קבוצות הסיבוב הבאות, תוך הטלת מומנט מסתובב על רוטור המגנטים הקבוע המרכזי. ייתכן שהסימולציה אינה השכפול המדויק, אך עם זאת היא נותנת מושג גס על עקרון העבודה.
מעניין לציין כי הדופק מוחלף כאשר ה- N / S של המגנט נמצא בדיוק במרכז הליבה המתפתלת, מה שמאפשר להתפתלות להמריץ כמו N או S בהתאם לקוטביות הדופק וליצור משיכה ודוחה. כוח על מגנטים N / S, ובכך לייצר את המומנט הנדרש ברמה המקסימאלית האפשרית.
וזה בתורו אפשרי בגלל ה- EMF האחורי ששוחרר באמצעות החלפת המסלול הקודם.
הדיון לעיל מבהיר את עבודתו של חיישן פחות מנוע BLDC, כעת בואו נלמד כיצד מעגל מוגדר מטפל בביצוע המורכב לעיל של מיתוג תלת פאזי.
מנהל התקן BLDC DRV10963
לאחר חיפוש Google מצאתי את מעגל הנהג BLDC ללא חיישנים באמצעות שבב יחיד DRV10963 אשר מעסיק כמות זניחה של חלקים בתצורה ובכל זאת מסוגל ליישם עיבוד מתוחכם לפעולות המיועדות.
ה- DRV10963 הוא שבב חדיש ומתוכנן במיוחד להפעלת מנועי BLDC ללא חיישנים על ידי צפייה של ה- EMF האחורי מהסיבוב המנוע ומסירת פקודה מדויקת על הסיבוב והשגת מומנט סיבובי אופטימלי מעל הרוטור.
תרשים מעגל
התמונה לעיל מציגה את הפריסה הפשוטה של המעגל אשר ככל הנראה אינה כוללת דבר מלבד ה- IC עצמו.
הפיניוטים השונים מוקצים לביצוע הפונקציות שצוינו כגון בקרת מהירות PWM של המנוע, בקרת כיוון וכו 'פשוט על ידי הזנת הפינים המתאימים עם הנתונים שצוינו ממקור חיצוני.
התמונה הבאה מציגה את החבילה של השבב, שנראית כמו 10 פינים DIL IC, ניתן ללמוד על פונקציות ה- pinout השונות של אותו נתונים מהנתונים כפי שמופיעים בתרשים:
בהתייחס לתרשים המעגל של מעגל הנהג BLDC ללא חיישנים המוצע כפי שהוצג במאמר הקודם וגם בתמונת השבב שלמעלה, ניתן להבין את פרטי ה pinouts כדלקמן:
פרטי Pinout של IC
FG = זהו הסיכה (פלט) של מחוון מהירות המנוע, אשר מותקן במצב אספן פתוח עם BJT פנימי.
אספן פתוח מסמל שהפלט בתאריך זה ייצר את ה- PWM השלילי באמצעות לוגיקה שוקעת על פני האספן הפתוח והאדמה, ובכך כדי לקבל קריאה תקפה המשתמש יצטרך לחבר נגד משיכה על פני אספן פתוח זה ואת האספקה החיובית (5V ) לביצוע אינדיקציית המהירות בפינאוט זה.
FGS = זהו קלט בורר מחוון המהירות, כלומר ניתן להציג כאן היגיון גבוה או נמוך להפעלה / כיבוי של סיכת המחוון FG.
Vcc = האספקה החיובית לממשק המאפשר לו לפעול, לא תעלה על 5 וולט.
W, U ו- V הם היציאות התלת-פאזיות עבור מנוע BLDC שאמור להיות מופעל באמצעות IC זה. זה פועל כמו כניסות לחישת פעימות EMF המנועיות למיתוג מסונכרן הנדרש של סלילי המנוע.
GND = מתייחס לסיכון האספקה השלילי של ה- IC ביחס לסיכה Vdd.
FR = עוזר לבחירה או לפקודה על כיוון המנוע וניתן לשנותו באופן דינמי בכל עת לאחר הפעלת המערכת, פשוט על ידי הצגת לוגיקה חיצונית גבוהה או לוגיקה נמוכה.
PWM = זה מסמל את קלט בקרת PWM מ- מחולל צורות גל PWM חיצוני.
קלט PWM זה עשוי להיות משתנה ליישום בקרת המהירות הרצויה של מנוע ה- BLDC המחובר.
החלל המנוקד במרכז השבב מציין את הכרית התרמית, שניתן להדק אותה או ללחוץ עליה עם גוף קירור על מנת להטביע את ייצור החום האפשרי על השבב בזמן שהוא משמש עם מנוע BLDC טעון.
הדיון לעיל קובע את פינוי או פרטי החיבור של שבב נהג המנוע BLDC ללא חיישנים DRV10963, כעת בואו ננתח את התצורה הפנימית ותפקודו של השבב בפירוט בעזרת הנקודות הבאות:
תיאור המכשיר
DRV10963 הוא מפעיל חשמלי תלת-פאזי ללא חיישנים עם MOSFET כוח מובנה (תלת-פאזית מגושרת). הוא מותאם ליצרנות גבוהה יותר, להפחתת רעש ולפונקציות מינימליות של ספירת חומרים משניים. תכנית הניהול הסינוסי ללא חלונות חיישן Iess 180 ° מספקת יעילות נסיעה מוטורית ללא רעש.
ה- DRV10963 מורכב מפונקציונליות לזיהוי נעילה חכמה, יחד עם מעגלי אבטחה מובנים נוספים כדי להשיג ביצועים מאובטחים. ניתן למצוא את ה- DRV10963 באריזה USON יעילה מבחינה תרמית של 10 פינים עם שטיח תרמי לא מכוסה.
איך עובד ה- IC
המוצר DRV10963 הוא מפעיל מנועי חיישני תלת פאזי עם MOSFET כוח חדור, זהו
נוצר במיוחד עבור ביצועים מעולים, תהודה מופחתת ופונקציות מינימליות של ספירת חלקים שטחיים.
תוכנית הבקרה הסינוסואידית ללא חלון ללא חיישן 180 ° מציגה תפקוד מוטורי חסר רעש על ידי שמירה על אדוות מומנט מגורה חשמלית. עם האתחול, מכשיר ה- DRV10963 עומד לסובב את המנוע במהלך הקבוע דרך סיכת הקלט FR.
השבב DRV10963 עומד לתפקד מנוע BLDC תלת פאזי תוך שימוש בתוכנית בקרה סינוסואידית.
המשמעות של מתחי פאזה סינוסואידיים מועסקים תלויה במחזור החובה של סיכת ה- PWM. בזמן שהמנוע נע, ה- IC DRV10963 מספק את נתוני המהירות בסיכת FG.
יחידת DRV10963 מורכבת מיכולת חישה נעילה חכמה. במקרה כזה בו המנוע נרתע על ידי לחץ חיצוני, התוכנית הולכת לזהות את בעיית הנעילה ותנקוט באמצעים להגנה בפני עצמה יחד עם המנוע.
ההליך המסוים של מעגל תחושת הנעילה מתואר בפירוט בזיהוי נעילה. בנוסף, ה- DRV10963 IC כולל מעגלי בטיחות מובנים מרובים, למשל נגד הגנת זרם, הגנת מתח יתר, הגנת מתח ומתחת להגנה על טמפרטורה.
הסבר אופייני
קלט ושליטה במהירות
ה- DRV10963 מציג תפוקות PWM תלת-פאזיות 25-kl-lz אשר עשויות להיות בעלות אחוז סטנדרטי של צורות גל סינוסואידיות משלב לשלב. במקרה שכל מחזור נקבע ביחס לקרקע, צורת הגל שזוהה עשויה להיות סינוסואיד מוגן PWM בשילוב עם הרמוניות מסדר ג 'כפי שמוצג באיור 2.
אסטרטגיית קידוד זו מייעלת את מפרט הנהג מהסיבה שלעתים קרובות תהיה פלט פאזה אחד שיכול להיות שווה לאפס.
משרעת התוצאה משתנה בהתאם למתח האספקה (VCC) ולמחזור החובה של PWM (PWM) המוגדר כהגדרתה במשוואה 1 ומודגש באיור 3. המשרעת האופטימלית מיושמת ברגע שמחזור החובה של PWM המורה הוא 100 אחוז.
Vphpk = PWMdc>
מהירות המנוע מווסתת לא ישירות באמצעות סדר ה- PWM לוויסות משרעת מתחי הפאזה שמשמשים במקרה למנוע.
מחזור החובה של קלט PWM שונה לכמות דיגיטלית של 9 סיביות (בין 0 ל -511).
החלטת הרגולציה היא 1/512 == 0.2%. מנתח מחזור החובה מאפשר פעולת החלפת הזמנות ראשונית בין מחזור חובת הקלט והנתון הדיגיטלי בן 9 הביטים.
זה מודגש באיור 4, שבו r = 80 ms.
ביצועי ההחלפה בין מחזור החובה שהוזמן על ידי PWM יחד עם המשרעת המרבית של הפלט משתנים במכשיר DRV10963.
משרעת התוצאה המקסימלית נדונה על ידי משוואה 1 כאשר פקודת PWM> מחזור חובה בתפקוד מינימלי. מחזור החובה הנמוך ביותר של הפעולה נקבע לעתים עלול להיות 13%, 10%, 5% או ללא הגבלה על ידי הגדרת OTP (MINOP_DC1: 0).
טבלה 1 מדגימה את התצורות המומלצות למחזור חובה לפעולה מינימלי.
בכל פעם שמחזור החובה המורה על PWM הוא פחות ממחזור החובה הנמוך ביותר ויותר מ -1.5%, תפוקתו תפוס במחזור החובה לפעולה מינימלי. בכל פעם שמחזור חובת הקלט נמוך מ -1.5%, סביר להניח שמכשיר DRV10963 לא יפעיל את הפלט, ונשלח למצב המתנה.
ניתן להמחיש זאת באיור 6.
תצורות סיבוב
DRV10963 יניע את המנוע באמצעות טכניקה המפורטת היטב באיור 7.
גרף האתחול של המנוע מורכב מחלופות הניתנות להגדרה של לולאה פתוחה לסגירת מגבלת מעבר לולאה (HOW), יישור זמן (TAHQH), וקצב האצה (RACE).
כדי ליישר את הרוטור ללוגיקת ההחלפה, DRV10963 מבצע מחזור חובה של x% בשלבים V ו- W במקביל לשלוט על שלב U ב- GND.
תרחיש זה מתמשך למשך שניות TAIign. המשמעות x% מזוהה על ידי מתח ה- VCC (כפי שמוצג בטבלה 2) כדי לשמור על מומנט סיבוב רב על פני מתח אספקה שונה.
עם ביצוע רצף היישור, המנוע נאלץ להאיץ על ידי הצבת מתח פאזה סינוסי עם רמות שיא כפי שמודגם בטבלה 2 והגברה באמצעות טווח ההסעה בקצב הרחבה המיוצג על ידי RACE עד שרמת ההסעה תגדל ל- Hom ., הרץ.
ברגע שמגיעים למגבלה זו, ה- DRV‘l0963 ממיר למצב לולאה סגורה לפיה התקדמות כונן ההסעה מזוהה על ידי אלגוריתם הבקרה המובנה בעוד שהמתח המועסק מזוהה על ידי קלט מחזור החובה המופנה על ידי PWM.
ניתן להגדיר את הלולאה הפתוחה לסגירת מגבלת המעבר לולאה (Hom), זמן היישור (TAHQH) וקצב ההאצה (RACE) באמצעות תצורות OTP.
בחירת סף המעבר (HOW,) מאושרת בדרך כלל על ידי הערכת ניסוי וטעייה. המטרה תהיה להעדיף סובלנות לידיים שיכולה להיות מעט אפשרית ותאפשר למנוע לעבור ללא מאמץ ובנאמנות בין תאוצת הלולאה הפתוחה לתאוצה של הלולאה הסגורה.
מנועי מהירות מוגברים בדרך כלל (מהירות מרבית) מחייבים סובלנות מעולה למסירה עקב העובדה שמנועי מהירות גבוהים מהווים ירידה בכמות KT ומכאן BEMF זול יותר.
טבלה 3 מדגימה את ההעדפות הניתנות להגדרה לסובלנות למסירה. המהירות הגבוהה ביותר בהרץ החשמלי מוכחת כנקודת התייחסות המסייעת בבחירת מהירות המסירה הרצויה להגשה ספציפית.
בחירת זמן היישור (TAHQH) וקצב ההאצה (RACE) יכולה להיות תלויה אפילו בבדיקת ניסוי וטעייה.
מנועים עם אינרציה גדולה יותר דורשים בדרך כלל זמן יישור ממושך וקצב האצה איטי יותר בניגוד למנועים עם אינרציה נמוכה שלרוב דורשים זמן יישור קצר יותר יחד עם אחוז מואץ מהיר יותר. צריך ליישם פשרות של תכנית כדי לנצל את יציבות ההשקה בניגוד לתקופת הסבב.
TI תומך החל בהחלטה על התצורות הפחות אינטנסיביות (RACE איטי יותר ו- Tmign משמעותי) כדי לפגוע בזמן המומנט בתמיכה בשיעור הגשמה מרבי.
ברגע שאישור הציוד לבצע באופן מצפוני, ניתן להשתמש בתצורות כוחניות נוספות (RACC גדול יותר ו- TAHQH פחות) להפחתת רגע ההופעה ובמקביל לעקוב בזהירות אחר קצב ההגשמה.
טבלה 4 מציגה את ההגדרות הניתנות להגדרה עבור TA'g ,, ו- RACE.
החלק הנותר של ההסבר בדבר IC BLDC ללא חיישנים מסופק בגליון הנתונים המקורי הזה
אל תהסס להגיב כדי לדעת יותר אודות פרטי מעגל הנהג המנוע BLDC ללא חיישנים שנדונו לעיל
קודם: מעגל אספקת חשמל 12V לד תרמיל הבא: מעגל שלט רחוק של Quadcopter ללא MCU
