С момента успешной разработки в 1960-х годах двигатели с постоянным током без щетки (BLDC) оказались более эффективными и имеют более длительный срок службы, чем предыдущие двигатели с постоянным током (DC) с щеткой.Наряду с переходом к синхронным двигателям переменного тока (ВТО) в высокомощных промышленных приложениях многие другие приложения также начали использовать двигатели BLDC.
В настоящее время двигатели BLDC проникли во все аспекты повседневной жизни потребителей.бытовые приборы, такие как стиральные машины и принтерыВ промышленной среде двигатели BLDC использовались для управления движением и обработки материалов.Двигатели BLDC также обеспечивают питание беспилотных наземных транспортных средств (UGV), беспилотные летательные аппараты и аналогичные беспилотные летательные аппараты (БПЛА), а также хирургические роботы и вспомогательные экзоскелеты.
Двигатели постоянного тока с щеткой используют металлические или углеродные коммутаторные щетки для доставки электрической энергии на обмотки двигателя, в то время как двигатели BLDC не контактируют.это более эффективноУстройство BLDC также лучше, с более высокой скоростью, большим крутящим моментом и более высоким соотношением мощности и веса.С помощью передовых систем управления, двигатели BLDC могут почти мгновенно изменять скорость или крутящий момент и обеспечивать точное расположение для обеспечения безопасности.
Высокая производительность, продемонстрированная усовершенствованными двигателями BLDC, делает эти двигатели и их системы управления очень привлекательными для инженеров, разрабатывающих современные роботы и беспилотные летательные аппараты.которые обычно требуют таких функций, как миниатюризация, высокая скорость, высокая точность, высокая безопасность и низкие требования к обслуживанию.
Основной принцип двигателя BLDC
Двигатель BLDC имеет такую простую трехчасовую структуру, что просто невероятно.распределены по окружности, окруженной или параллельной ротору, оборудованному постоянными магнитами (рисунок 1)Контроллер двигателя подключен к статору для получения данных о положении и питания обмотки.
Контроллер для трехфазного BLDC-мотора
Рисунок 1: Трехфазный контроллер BLDC-мотора изменяет направление магнитного поля статора, переключая состояние напряжения и полярность тока обмотки статора (фазы U, V, W).Ротор (синяя часть) с встроенными постоянными магнитами вращается соответственно, таким образом, сохраняя то же направление, что и магнитное поле статора. (Изображение: Qorvo)
Приложение электричества к набору обмоток в статоре создаст магнитное поле, а постоянный магнит ротора будет реагировать на это магнитное поле.Притяжение противоположных магнитных полюсов заставляет ротор вращатьсяПеред выровнением ротора с магнитным полем статора, контроллер переключает натянутую обмотку, меняет направление магнитного поля и держит ротор в непрерывном вращении.
Фактически, импульс тока, отправляемый контроллером на статор, изменится от проводящего к отключающему.и переключить полярность на определенной частоте, чтобы представить ток с использованием определенной формы волныСхема переключения, показанная на рисунке 1, представлена трапецидообразными волнами.Этот тип двигателя по структуре похож на BLDC-мотор, но приводит магнитное поле к вращению через различные токи, и ротор остается синхронизированным и запертым с магнитным полем.Настройка амплитуды и фазы этих волн может изменить скорость двигателя и доступный крутящий момент.
Контроллер также может получать информацию о постоянной обратной связи от датчиков положения, таких как датчики эффекта Холла или фотоэлектрические кодеры. 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.
Развитие водителей
Учитывая, что мониторинг, питание и управление двигателями BLDC требуют сложных структур, 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 motorsВсе более сложные интегральные схемы (IC) приводят к постоянной миниатюризации двигательных контроллеров, пока они не смогут быть интегрированы в печатные платы (PCB).Несмотря на достижение миниатюризации, функциональность современных двигателей продолжает расширяться.
Например, трехфазный драйвер двигателя BLDC ACT72350 от Qorvo (рисунок 2). Этот драйвер интегрирует конфигурируемый аналоговый фронт-энд (AFE), модуль управления питанием, адаптированный к различным конфигурациям питания,и специальный драйвер двигателя (ASPD) в 9 мм х 9 мм квадратное плоское устройство без свинца (QFN).
Qorvo ACT72350 Интегрированный трехфазный драйвер двигателя BLDC
Рисунок 2: Интегрированный трехфазный драйвер двигателя BLDC ACT72350 интегрирует схемы AFE и функциональность управления мощностью в компактный пакет для поверхностной установки. (Изображение: Qorvo)
Конфигурируемый AFE ACT72350 оснащен тремя дифференциальными программируемыми усилителями усиления, четырьмя одноконтурными программируемыми усилителями усиления, двумя 10-битными аналоговыми-цифровыми преобразователями,и десять сравнителей, что делает его мостом, соединяющим датчики и схемы управления.Этот AFE также может принимать сигналы управления модуляцией ширины импульса (PWM) от внешнего микроконтроллера (MCU) через серийный периферийный интерфейс (SPI).
Конфигурируемый модуль управления мощностью позволяет ACT72350 принимать входные напряжения постоянного тока от 25 до 160 В,включая до 20 секунд емкости батареи (номинальное напряжение 72 В или 84 В при полной зарядке)Высоковольтное переключающее питание этого модуля может обеспечивать стабильное выходное напряжение 12V или 15V, а также может обеспечивать стабильное питание 5V, 200mA для модулей ACT72350 и MCU.
ASPD ACT72350 может использовать полумост, H-мост или трехфазную архитектуру для привода двигателя (рисунок 3).Три высоковольтных боковых шлюзовых привода напряжением 160 В и три низковольтных боковых шлюзовых привода напряжением 20 В, каждый драйвер имеет способность привода шлюза 2 A (тягательный ток) / 2 A (поточный ток), который может достичь быстрой производительности переключения для улучшения скорости двигателя.