Kể từ khi phát triển thành công vào những năm 1960, động cơ dòng chảy liên tục không chải (BLDC) đã được chứng minh là hiệu quả hơn và có tuổi thọ lâu hơn so với động cơ dòng chảy liên tục (DC) chải trước đó.Cùng với sự chuyển hướng sang động cơ điện xoay đồng bộ (AC) trong các ứng dụng công nghiệp công suất cao, nhiều ứng dụng khác cũng đã bắt đầu sử dụng động cơ BLDC.
Ngày nay, động cơ BLDC đã thâm nhập vào mọi khía cạnh của cuộc sống hàng ngày của người tiêu dùng.Các thiết bị gia dụng như máy giặt và máy inTrong môi trường công nghiệp, động cơ BLDC đã được sử dụng cho các ứng dụng điều khiển chuyển động và xử lý vật liệu.Động cơ BLDC cũng cung cấp năng lượng cho các phương tiện mặt đất không người lái (UGV), máy bay không người lái và các phương tiện bay không người lái tương tự (UAV), cũng như robot phẫu thuật và xương ngoài hỗ trợ.
Các động cơ DC chải dựa trên các bàn chải chuyển đổi kim loại hoặc carbon để cung cấp năng lượng điện cho các vòng cuộn động cơ, trong khi các động cơ BLDC không tiếp xúc.hiệu quả hơn, đòi hỏi ít bảo trì hơn và có tuổi thọ dài hơn cho động cơ. Hiệu suất của BLDC cũng tốt hơn, với tốc độ nhanh hơn, mô-men xoắn lớn hơn và tỷ lệ sức mạnh so với trọng lượng cao hơn.Với sự giúp đỡ của các hệ thống điều khiển tiên tiến, Động cơ BLDC có thể thay đổi tốc độ hoặc mô-men xoắn gần như ngay lập tức và cung cấp vị trí chính xác để đảm bảo an toàn.
Hiệu suất xuất sắc được chứng minh bởi các trình điều khiển động cơ BLDC tiên tiến làm cho các động cơ này và hệ thống điều khiển của chúng rất hấp dẫn đối với các kỹ sư thiết kế các ứng dụng robot và máy bay không người lái hiện đại,thường đòi hỏi các tính năng như thu nhỏ, tốc độ cao, độ chính xác cao, an toàn cao và yêu cầu bảo trì thấp.
Nguyên tắc cơ bản của động cơ BLDC
Động cơ BLDC có cấu trúc ba phần đơn giản đến mức không thể tin được.Phân bố trên đường bao quanh hoặc song song với rotor được trang bị nam châm vĩnh viễn (Hình 1)Bộ điều khiển động cơ được kết nối với stator để lấy dữ liệu vị trí và cung cấp năng lượng cho cuộn dây.
Bộ điều khiển cho động cơ BLDC ba pha
Hình 1: Bộ điều khiển động cơ BLDC ba pha thay đổi hướng từ trường stator bằng cách chuyển đổi trạng thái năng lượng và cực dòng của cuộn stator (phase U, V, W).Các rotor (phần màu xanh dương) với tích hợp trong nam châm vĩnh cửu xoay phù hợp, do đó duy trì cùng một hướng như trường từ của stator. (nguồn hình: Qorvo)
Áp dụng điện vào một bộ cuộn dây trong stator sẽ tạo ra một từ trường, và nam châm vĩnh viễn của rotor sẽ phản ứng với từ trường này.Sự hấp dẫn giữa các cực nam châm đối diện làm cho rotor quayTrước khi sắp xếp các rotor với trường từ tính stator, bộ điều khiển sẽ chuyển vòng xoắn năng lượng, thay đổi hướng của trường từ tính, và giữ cho rotor quay liên tục.
Trong thực tế, xung điện được gửi bởi bộ điều khiển đến stator sẽ thay đổi từ dẫn đến ngắt kết nối,và chuyển cực ở một tần số nhất định để đại diện cho dòng điện sử dụng một hình dạng sóng nhất địnhCác loại động cơ khác, bao gồm cả động cơ đồng bộ nam châm vĩnh viễn (PMSM), có sóng sinus.Loại động cơ này có cấu trúc tương tự như động cơ BLDC, nhưng điều khiển từ trường quay qua các dòng điện khác nhau, và rotor vẫn đồng bộ và khóa với từ trường.Điều chỉnh kích thước và giai đoạn của các sóng này có thể thay đổi tốc độ của động cơ và mô-men xoắn có sẵn.
Bộ điều khiển cũng có thể nhận thông tin phản hồi liên tục từ các cảm biến vị trí như cảm biến hiệu ứng Hall hoặc bộ mã hóa quang điện. 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.
Sự phát triển của các tài xế xe hơi
Vì việc giám sát, cung cấp năng lượng và điều khiển động cơ BLDC đòi hỏi các cấu trúc phức tạp, 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 motorsCác mạch tích hợp ngày càng tinh vi (IC) đang thúc đẩy sự thu nhỏ liên tục của bộ điều khiển động cơ, cho đến khi chúng có thể được tích hợp vào bảng mạch in (PCB).Mặc dù đạt được sự thu nhỏ, chức năng của các bộ điều khiển động cơ ngày nay tiếp tục mở rộng.
Ví dụ, trình điều khiển động cơ BLDC ba pha ACT72350 của Qorvo (Hình 2). trình điều khiển này tích hợp một đầu tiên tương tự có thể cấu hình (AFE), một mô-đun quản lý năng lượng thích nghi với các cấu hình năng lượng khác nhau,và một trình điều khiển động cơ chuyên dụng (ASPD) vào một thiết bị gắn bề mặt phẳng không chì (QFN) 9 mm x 9 mm.
Qorvo ACT72350 Bộ điều khiển động cơ BLDC ba pha tích hợp
Hình 2: Máy điều khiển động cơ BLDC ba pha tích hợp ACT72350 tích hợp mạch AFE và chức năng quản lý năng lượng có thể cấu hình trong một gói gắn bề mặt nhỏ gọn.
AFE có thể cấu hình của ACT72350 được trang bị ba bộ khuếch đại gia tăng có thể lập trình khác biệt, bốn bộ khuếch đại gia tăng có thể lập trình một đầu, hai bộ chuyển đổi 10 bit từ analog sang số,và mười người so sánh, làm cho nó trở thành một cầu nối các cảm biến và mạch điều khiển.AFE này cũng có thể nhận tín hiệu điều khiển độ rộng xung (PWM) từ một bộ điều khiển vi mô bên ngoài (MCU) thông qua một giao diện ngoại vi hàng loạt (SPI).
Mô-đun quản lý điện năng có thể cấu hình cho phép ACT72350 chấp nhận điện áp đầu vào DC từ 25V đến 160V,bao gồm dung lượng pin tối đa 20 giây (tăng điện danh nghĩa 72 V hoặc 84 V khi sạc đầy)Nguồn điện chuyển đổi điện áp cao của mô-đun này có thể cung cấp điện áp đầu ra ổn định 12V hoặc 15V, và cũng có thể cung cấp nguồn điện ổn định 5V, 200mA cho các mô-đun ACT72350 và MCU.
ASPD của ACT72350 có thể sử dụng half bridge, H-bridge hoặc kiến trúc ba pha để điều khiển động cơ (Hình 3).Ba trình điều khiển cổng bên điện áp cao với điện áp 160 V và ba trình điều khiển cổng bên điện áp thấp với điện áp 20 V, mỗi trình điều khiển có khả năng điều khiển cổng 2 A (động điện) / 2 A (đóng điện), có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi nhanh để cải thiện tốc độ động cơ.