ตั้งแต่การพัฒนาที่ประสบความสําเร็จในปี 1960 มอเตอร์ไฟฟ้าแบบปัจจุบันแบบตรงแบบไม่มีแปรง (BLDC) ได้พิสูจน์ว่ามีประสิทธิภาพสูงขึ้นและมีอายุการใช้งานยาวกว่ามอเตอร์ไฟฟ้าแบบปัจจุบันแบบตรงแบบแปรง (DC) ก่อนหน้านี้.พร้อมกับการเปลี่ยนไปสู่มอเตอร์กระแสอัตราแลกเปลี่ยน (AC) ที่สมองในอุตสาหกรรมพลังงานสูง การใช้งานอื่น ๆ อีกมากมายก็เริ่มใช้มอเตอร์ BLDC
ในปัจจุบัน มอเตอร์ BLDC ได้เจาะเข้าไปในทุกๆด้านของชีวิตประจําวันของผู้บริโภคเครื่องใช้ในครัวเรือน เช่น เครื่องซักผ้าและเครื่องพิมพ์ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม มอเตอร์ BLDC ได้ถูกใช้สําหรับการควบคุมการเคลื่อนไหวและการใช้งานการจัดการวัสดุเครื่องยนต์ BLDC ยังให้พลังงานสําหรับยานพาหนะบนพื้นที่ที่ไม่มีคนขับ (UGVs), เครื่องบินไร้คนขับ และเครื่องบินไร้คนขับที่คล้ายกัน (UAV) รวมถึงหุ่นยนต์ศัลยกรรมและกระดูกนอกที่ช่วย
มอเตอร์แบบ brushed DC ใช้แปรงสลับโลหะหรือคาร์บอนในการส่งพลังงานไฟฟ้าไปยังวงจรของมอเตอร์ ในขณะที่มอเตอร์ BLDC ไม่ติดต่อมันมีประสิทธิภาพมากกว่า, ต้องการการบํารุงรักษาน้อยลงและมีอายุการใช้งานยาวนานสําหรับมอเตอร์. ผลงานของ BLDC ยังดีกว่าด้วย ความเร็วที่เร็วขึ้น, ทอร์คที่ใหญ่ขึ้น, และอัตราการประสานกําลังกับน้ําหนักที่สูงขึ้น.ด้วยความช่วยเหลือของระบบควบคุมที่ทันสมัย, มอเตอร์ BLDC สามารถเปลี่ยนความเร็วหรือทอร์คได้ทันทีและให้การตั้งตําแหน่งที่แม่นยําเพื่อรับประกันความปลอดภัย
ผลงานที่โดดเด่นที่แสดงให้เห็นโดยผู้ขับเคลื่อนมอเตอร์ BLDC ที่มีความก้าวหน้า ทําให้มอเตอร์เหล่านี้และระบบควบคุมของพวกเขาน่าสนใจมากสําหรับวิศวกรที่ออกแบบซึ่งมักต้องมีลักษณะ เช่น การลดขนาดเล็กความเร็วสูง ความแม่นยําสูง ความปลอดภัยสูง และความต้องการในการบํารุงรักษาที่ต่ํา
หลักการพื้นฐานของ BLDC มอเตอร์
มอเตอร์ BLDC มีโครงสร้างสามส่วนที่เรียบง่ายที่มันไม่น่าเชื่อแบ่งกระจายบนวงกลมที่ล้อมรอบโดยหรือขนานกับโรเตอร์ที่ติดตั้งแม่เหล็กดาว (รูป 1)เครื่องควบคุมมอเตอร์เชื่อมต่อกับสเตตอร์ เพื่อรับข้อมูลตําแหน่งและให้พลังงานกับลม
เครื่องควบคุมสําหรับมอเตอร์ BLDC สามเฟส
รูปที่ 1: เครื่องควบคุมมอเตอร์ BLDC สามเฟสเปลี่ยนทิศทางของสนามแม่เหล็กของสเตตอร์โดยเปลี่ยนสภาพพลังงานและขั้วขั้วของกระแสของสเตตอร์ (U, V, W phases)รอเตอร์ (ส่วนสีฟ้า) กับการสร้างในแม่เหล็กดันหมุนตาม, ทําให้รักษาทิศทางเดียวกันกับสนามแม่เหล็กของสแตตอร์ (แหล่งภาพ: Qorvo)
การใช้ไฟฟ้ากับชุดของลวดในสแตเตอร์จะสร้างสนามแม่เหล็ก และแม่เหล็กถาวรของโรเตอร์จะตอบสนองกับสนามแม่เหล็กนี้การดึงดูดระหว่างขั้วแม่เหล็กที่ตรงกันข้าม ทําให้โรเตอร์หมุน. ก่อนที่จะปรับตัวหมุนกับสนามแม่เหล็กของสเตตอร์, เครื่องควบคุมจะเปลี่ยนการลมแรง, เปลี่ยนทิศทางของสนามแม่เหล็ก, และรักษาหมุนหมุนอย่างต่อเนื่อง
จริงๆแล้ว อัมพวาสของกระแสที่ส่งจากตัวควบคุมไปยังสเตตอร์ จะเปลี่ยนจากการนําไปสู่การตัดต่อและเปลี่ยนขั้วขั้วในความถี่ที่แน่นอน เพื่อแสดงกระแสโดยใช้รูปคลื่นที่แน่นอนโครงการสลับที่แสดงในรูปที่ 1 แสดงด้วยคลื่น trapezoidal ประเภทอื่น ๆ ของมอเตอร์, รวมถึงมักเนตถาวรมอเตอร์ร่วม (PMSM), มีคลื่น sinusมอเตอร์ประเภทนี้มีโครงสร้างคล้ายกับมอเตอร์ BLDC, แต่ขับเคลื่อนสนามแม่เหล็กให้หมุนผ่านกระแสไฟที่แตกต่างกัน, และหมุนยังคงสอดคล้องและล็อคกับสนามแม่เหล็กการ ปรับ อัมพลิทูดและเฟส ของคลื่นเหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงความเร็วของมอเตอร์และทอร์คที่มี.
เครื่องควบคุมยังสามารถรับข้อมูลการตอบสนองต่อเนื่องจากเซ็นเซอร์ตําแหน่ง เช่นเซ็นเซอร์อัตราฮอลล์หรือโคเดอร์ไฟฟ้าแสง the measured value of reverse electromotive force (BEMF) - the current generated by the magnetic field generated by the energized winding in the unenergized winding - can be used to determine the position of the rotor.
การพัฒนาคนขับรถยนต์
เนื่องจากการติดตาม การให้พลังงาน และการควบคุมของมอเตอร์ BLDC ต้องการโครงสร้างที่ซับซ้อน it is not surprising that old-fashioned BLDC motor controllers using solid-state electronic devices in industrial environments require independent cabinet space and bulky power and data cables to connect the motorsวงจรบูรณาการ (ICs) ที่มีความซับซ้อนมากขึ้น กําลังขับเคลื่อนการลดขนาดของเครื่องควบคุมมอเตอร์ต่อเนื่องจนกว่ามันจะสามารถบูรณาการในแผ่นวงจรพิมพ์ (PCBs)ถึงแม้ว่าจะมีการลดขนาดเล็ก, ความสามารถในการทํางานของผู้ควบคุมมอเตอร์ในปัจจุบันยังคงขยาย
ตัวอย่างเช่น เครื่องขับเคลื่อนมอเตอร์ BLDC สามเฟส ACT72350 ของ Qorvo (รูป 2) เครื่องขับเคลื่อนนี้รวมระบบหน้าแบบแอนาล็อกที่สามารถตั้งค่าได้ (AFE) โมดูลการจัดการพลังงานที่ปรับปรุงให้กับการตั้งค่าพลังงานต่างๆ,และตัวขับมอเตอร์ (ASPD) ในอุปกรณ์การติดตั้งบนพื้นผิวที่เรียบไม่มี鉛 (QFN) ขนาด 9 มม x 9 มม
Qorvo ACT72350 เครื่องขับมอเตอร์ BLDC สามเฟสบูรณาการ
รูปที่ 2: เครื่องขับเคลื่อนมอเตอร์ BLDC สามเฟสที่บูรณาการ ACT72350 รวมวงจร AFE และฟังก์ชันการจัดการพลังงานที่สามารถตั้งค่าได้ในแพคเกจที่ติดอยู่บนพื้นผิวที่คอมพัคคต์ (แหล่งภาพ: Qorvo)
AFE ที่สามารถปรับแต่งได้ของ ACT72350 มีเครื่องปรับอัตราการเติบโตแบบโปรแกรมได้ 3 เครื่อง ปรับอัตราการเติบโตแบบโปรแกรมได้ 4 เครื่อง ปรับอัตราการเติบโตแบบโปรแกรมได้ 4 เครื่อง ปรับอัตราการเติบโตแบบโปรแกรมได้ 2 เครื่องปรับอัตราการแอนาล็อกเป็นดิจิตอล 10 บิตและผู้เปรียบเทียบสิบทําให้มันเป็นสะพานเชื่อมต่อเซ็นเซอร์และวงจรควบคุมAFE นี้ยังสามารถรับสัญญาณควบคุมปรับความกว้างกระแทก (PWM) จากไมโครคอนโทรลเลอร์ภายนอก (MCU) ผ่านอินเตอร์เฟซ periferical ซีเรียล (SPI).
โมดูลการจัดการพลังงานที่สามารถตั้งค่าได้ ทําให้ ACT72350 สามารถรับความกระชับไฟเข้าแบบ DC ระหว่าง 25 V ถึง 160 Vรวมถึงความจุของแบตเตอรี่สูงสุด 20 วินาที (แรงดันนามิติ 72 V หรือ 84 V เมื่อชาร์จเต็ม)พลังงานไฟฟ้าสวิตชิ่งความดันสูงของโมดูลนี้สามารถให้ความดันผลิตที่มั่นคง 12V หรือ 15V และยังสามารถให้ความมั่นคง 5V, พลังงานไฟฟ้า 200mA สําหรับโมดูล ACT72350 และ MCU.
ASPD ของ ACT72350 สามารถใช้ครึ่งสะพาน, H-bridge, หรือสถาปัตยกรรมสามเฟสเพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ (รูป 3)เครื่องขับประตูข้างแรงสูง 3 เครื่องแรง 160 V และ เครื่องขับประตูข้างแรงต่ํา 3 เครื่องแรง 20 V, คนขับทุกคนมีความสามารถในการขับขี่ประตู 2 A (กระแสดึง) / 2 A (กระแสหลั่ง), ซึ่งสามารถบรรลุผลการสลับเร็วเพื่อปรับปรุงความเร็วของมอเตอร์