Motor na Brushless DC

Pagsasalain

Ang brushless DC motor drive ay isang self-controlled variable frequency drive na gumagamit ng sinusoidal Permanent Magnet Alternating Current (PMAC) motor. Ang uri ng drive na ito ay nagbibigay ng maraming napakabuting mga pakinabang. Halos walang kailanganin pang pagmamaneho, ito ay may matagal na buhay, kaya ito ay isang mapagkakatiwalaang pagpipilian para sa iba't ibang aplikasyon. Bukod dito, ito ay may mababang rotational inertia, kaunti ang friction, at gumagana nang may mababang frequency characteristics. Sa kabila nito, hindi ito perpekto; ang pangunahing limitasyon ay ang relatibong mataas na gastos at mababang starting torque.

Mga Aplikasyon

Ang brushless DC motor drives ay malawakang ginagamit sa iba't ibang industriya at aparato. Sa larangan ng consumer electronics, ginagamit ito sa record players, tape drives para sa recorders, at spindle drives sa computer hard disks. Ginagamit din ito bilang low-power drives sa computer peripheral instruments at control systems. Sa labas ng consumer electronics, ang kanilang mga aplikasyon ay umuunlad hanggang sa aerospace industry, kung saan ang reliabilidad at mababang ingay na operasyon ay mahalaga. Sa biomedical field, ang kanilang precision at malinis na operasyon ay nagbibigay-daan upang angkop sila para sa iba't ibang medical devices. Bukod dito, karaniwang ginagamit sila upang i-drive ang cooling fans, nagbibigay ng efficient at tahimik na ventilation sa maraming sistema.

Struktura ng Motor

Ang larawan sa ibaba ay nagpapakita ng cross-section ng three-phase, two-pole trapezoidal PMAC motor, na isang pangunahing komponente ng brushless DC motor drive. Ang motor ay may permanent magnet rotor na may malawak na pole arc, na nakakatulong sa kanyang efficient na operasyon. Ang stator ay may tatlong-pole windings, bawat isa ay displaced ng 120 degrees mula sa isa't isa. Ang partikular na winding configuration na ito ay nagbibigay-daan sa balanced electrical operation at smooth torque production. Bawat phase winding ay sumasaklaw ng 60 degrees sa bawat panig, na opsimiso ang magnetic field interaction sa loob ng motor at nagbibigay ng precise control sa kanyang speed at performance.

Ang voltages na ininduce sa tatlong phases ng motor ay ipinapakita sa larawan sa ibaba. Ang pagbuo ng trapezoidal waveform ay maaaring iturok sa espesipikong interaksiyon sa pagitan ng rotor at stator. Kapag ang rotor ay umiikot sa counter-clockwise direction, sa unang 120-degree rotation mula sa reference position, lahat ng top conductors ng phase A ay nakikipag-ugnayan sa south pole ng magnetic field, habang lahat ng bottom conductors ng phase A ay nakikipag-ugnayan sa north pole. 

Ang konsistente na magnetic coupling sa loob ng angular range na ito ay nagdudulot ng relatibong stable na induced voltage, na nagbabahagi sa flat top portion ng trapezoidal waveform. Habang patuloy ang rotor na umiikot, ang pagbabago ng magnetic field orientations ay nagdudulot ng pag-transition ng induced voltage, na sa huli ay bumubuo ng characteristic trapezoidal shape na mahalaga para sa proper na operasyon at control ng brushless DC motor drive.

Sa 120-degree rotation ng rotor, ang voltage na ininduce sa phase A ay nananatiling relatibong constant. Kapag ang rotation ay lumampas sa 120 degrees, ilang top conductors ng phase A ay nagsisimula na linkin sa north pole, habang ang iba pa ay patuloy na nakikipag-ugnayan sa south pole. Ang parehong phenomenon ay nangyayari rin sa bottom conductors. Bilang resulta, sa susunod na 60-degree rotation, ang voltage na ininduce sa phase A ay linearly reverses. Ang pattern ng pagbabago ng voltage na ito ay mirrored din sa phases B at C, na nagbubuo ng coordinated electrical behavior na mahalaga para sa operasyon ng motor.

Ang brushless DC motor drive system, tulad ng ipinapakita sa larawan sa ibaba, ay binubuo ng voltage-source inverter na paired sa trapezoidal PMAC motor. Ang stator windings ng motor ay nakonfigure sa star connection. Ang larawan din ay nagpapakita ng characteristic phase-voltage waveform ng trapezoidal PMAC motor, na nagrereflect ng unique voltage-induction dynamics na nabanggit sa itaas. Ang waveform na ito ay isang key feature na nagbibigay-daan sa efficient na control at operasyon ng brushless DC motor drive, na nagbibigay ng smooth torque production at precise speed regulation.

Ang stator windings ng brushless DC motor ay pinagbibigyan ng current pulses. Bawat pulse ay may duration ng 120 electrical degrees at precisely positioned sa rehiyon kung saan ang induced voltage ay nananatiling constant at umabot sa maximum value. Mahalaga, ang polarity ng mga current pulses ay aligned sa induced voltage, na nagse-set ng harmonious interaction sa pagitan ng electrical inputs at magnetic field na ginagawa ng motor.

Ang air-gap flux sa loob ng motor ay maintinitined sa steady level, at ang magnitude ng induced voltage ay directly proportional sa rotational speed ng rotor. Ang relasyon na ito ay fundamental sa operasyon ng motor, dahil ito ay nagbibigay-daan sa accurate na control ng motor's performance batay sa speed-dependent induced voltage, na nagbibigay-daan sa efficient power transfer at smooth operasyon sa iba't ibang operating conditions.

Sa bawat 60-degree interval ng operasyon, ang current ay umuuwi sa isang phase ng motor's stator winding at lumalabas sa isa pa. Ang alternating current flow pattern na ito ay isang key characteristic ng operasyon ng brushless DC motor. Bilang resulta, ang power na ipinagbibigay sa motor sa bawat 60-degree intervals ay maaaring ipahayag gamit ang sumusunod na formula, na kinokonsidera ang interaction sa pagitan ng voltage at current sa loob ng winding phases.

Ang torque na naililikha ng motor

Ang torque waveform ng brushless DC motor drive ay ipinapakita sa larawan sa ibaba. Ang magnitude ng torque na ginagawa ng motor ay directly proportional sa current na umuusbong sa DC power links. Ang relasyon na ito ay fundamental sa pag-unawa sa dynamic behavior at performance characteristics ng motor.

Ang regenerative braking sa drive system na ito ay natutukoy sa pamamagitan ng pagbaliktad ng phase current. Kapag ang phase current ay binabaliktad, ang direksyon ng current source Id ay nagbabago rin. Ang pagbaliktad na ito ay nag-initiate ng power flow na nagsisimula sa motor, pumupunta sa inverter, at sa huli ay bumabalik sa DC source. Sa proseso na ito, ang motor ay gumagamit bilang generator, na nagco-convert ng mechanical energy mula sa load sa electrical energy, na pagkatapos ay ibinabalik sa power supply. Ito ay tumutulong sa pag-decelerate ng motor at nagbibigay-daan para sa recovery at reuse ng energy, na nagpapataas ng overall efficiency ng sistema.

Kapag ang rotational speed ng drive system ay binabaliktad, ang polarity ng induced voltages sa loob ng motor ay nagbabago rin. Ang pagbabago sa voltage polarity na ito ay nag-trigger ng regenerative braking operation, na nagbibigay-daan para sa drive na i-convert ang mechanical energy ng moving load sa electrical energy na maaaring ibalik sa power supply.

Sapagkat naman, ang pagbaliktad ng direksyon ng current na umuusbong sa motor's windings ay nag-initiate ng motoring operation, na nagpapatakbo ng motor sa desired na direksyon. Ang current waveforms na kaukusang nagrerespond sa mga distinct operating modes—regenerative braking at motoring—ay malinaw na ipinapakita sa larawan sa ibaba, na nagbibigay ng visual representation ng electrical behavior ng drive system sa iba't ibang kondisyon.

Mga Uri ng Brushless DC Motor Drive

Ang brushless DC motor drive ay maaring pangunahing ikategorya sa dalawang distinct types: ang low-cost brushless DC motor drive at ang single-phase brushless DC motor drive. Ang bawat type ay may sarili nitong unique characteristics at operational principles, na detalyado sa ibaba.

Low-Cost Brushless DC Motor Drive

Ang low-cost brushless DC motor drive ay disenyo para sa simplicity at affordability. Ito ay may minimalistic configuration, na binubuo ng tatlong transistors at three-diode converter. Ang setup na ito ay nag-restrict sa drive na magbigay lamang ng positive current o voltage sa three-phase motor.

Sa operasyon, ang induced voltage at current ay naglalaro ng mahalagang papel sa motoring at braking functions ng motor. Kapag 120-degree positive current pulses ay ibinibigay sa motor, ito ay nagsisimula ng motoring action, na nagpapakilos ng motor sa counter-clockwise direction. Kabilang dito, kapag ang mga current pulses ay in-shift sa 60 degrees sa total na 180 degrees, ang motor ay lumilipat sa braking state. Ang pagbabago sa timing ng mga current pulses ay effectively alters ang interaction sa pagitan ng electrical input at magnetic field ng motor, na nagbibigay-daan sa shift mula sa rotational motion sa braking mechanism.

Low-Cost Brushless DC Motor Drive: Current Control Mechanism

Sa low-cost brushless DC motor drive, ang current ng phase A ay precisely regulated ng thyristor Tr1 at diode D1. Kapag ang Tr1 ay aktibo (turned on), ang source voltage Vd ay konektado sa winding A. Ang koneksyon na ito ay nagdudulot ng rate of change ng current IA na maging positive, na nangangahulugan ang current sa phase A ay nagsisimula na tumaas. Sapagkat naman, kapag ang Tr1 ay hindi aktibo (turned off), ang current iA ay nasa freewheeling state sa pamamagitan ng diode D1. Sa proseso ng freewheeling, ang rate of change ng iA ay naging negative, at ang current ay gradual na namamatay.

Sa 0-120º time period, ang Tr1 ay maaaring switch on at off sa alternating manner. Ang on-off switching strategy na ito ay ginagamit upang gawing mas malapit ang actual current IA sa rectangular reference current iA, na nagse-set na ang difference sa pagitan nila ay nananatiling within a predefined hysteresis band. Ang precise control na ito ay nagtutulong sa pag-maintain ng stable motor operation at efficient power transfer.

Single-Phase Brushless DC Motor Drive

Ang configuration ng single-phase brushless DC motor drive ay ipinapakita sa larawan sa ibaba. Para sa analisis, asumahan na ang motor ay powered ng half-bridge single-phase converter, na nagbibigay ng rectangular current waveform sa motor, tulad ng ipinapakita sa kasama na diagram. Ang specific current waveform na ito ay naglalaro ng mahalagang papel sa pagtukoy ng motor's performance characteristics at operational behavior.

Ang torque na ginagawa ng motor ay nagpapakita ng significant fluctuations, na kilala bilang torque ripple. Gayunpaman, kapag ang motor ay gumagana sa high speeds, ang inertia ng motor-load system ay gumagamit bilang natural filter. Ang inherent na inertia na ito ay nag-smooth out ng torque variations, na nagbibigay-daan sa motor na maitayo ang relatively uniform rotational speed sa kabila ng presence ng torque ripple.