Børsteringsløs DC-motorstyring

Definisjon

En børsteløs DC-motorstyring defineres som en selvstyrende variabelfrekvensstyring som bruker en sinusformet permanentmagnetisk vekselstrømsmotor (PMAC). Denne typen styring tilbyr flere bemerkelsesverdige fordeler. Den er nesten vedlikeholdsfri, har en forlenget levetid og er derfor et pålitelig valg for ulike bruksområder. I tillegg har den lav rotasjonsinert, minimal friksjon og opererer med lavfrekvenskarakteristika. Dessuten genererer den minimal radiofrekvensstøy og støy, noe som sikrer en jevn og støyfri drift. Imidlertid har den også noen ulemper; de primære begrensningene er dens relativt høye kostnad og lav startmoment.

Bruksområder

Børsteløse DC-motorstyringer brukes i stor utstrekning over en rekke industri- og enheter. Innen konsumentelektronikk brukes de i platespillere, bandstyringer for opptakere og spindeldrev i datamaskinhårdiske. De fungerer også som laveffektstyringer i dataperiferiinstrumenter og kontrollsystemer. Ut over konsumentelektronikk strekker deres bruksområder seg til luftfartindustrien, hvor pålitelighet og lav støy er avgjørende. Innen biomedisinsk felt gjør deres nøyaktighet og rene drift dem egnet for ulike mediciniske enheter. I tillegg brukes de ofte for å drive kjølingventilatorer, noe som gir effektiv og støyfri ventilasjon i mange systemer.

Motorstruktur

Figuren under viser tværskjæringen av en tre-fase, to-poler trapesformet PMAC-motor, som er en nøkkelenhet i børsteløs DC-motorstyring. Motoren har en permanentmagnetrotor med en bred polebue, noe som bidrar til dens effektive drift. Stator er utstyrt med tre-fase vindinger, hver avskjøvet 120 grader fra hverandre. Denne spesifikke vindingskonfigurasjonen sikrer balansert elektrisk drift og jevn momentproduksjon. Hver fasevinding spenner 60 grader på hver side, noe som optimaliserer magnetfeltets interaksjon innen motoren og muliggjør nøyaktig kontroll over dens hastighet og ytelse.

Spenningsene indusert i de tre fasene av motoren er vist i figuren under. Genereringen av en trapesformet bølgeform kan tilskrives den spesifikke interaksjonen mellom rotor og stator. Når rotoren roterer mot urets retning, under den første 120-graders rotasjon fra en referanseposisjon, interagerer alle øverste ledere i fase A med sørlige polen av det magnetiske feltet, mens alle nederste ledere i fase A interagerer med nordpolen.

Denne konsekvente magnetiske koblingen innen dette vinkelområdet fører til en relativt stabil induert spenning, noe som bidrar til den flate toppen av den trapesformede bølgeformen. Når rotoren fortsetter å rotere, forårsaker de endrede magnetfeltorienteringene at den induerte spenningen overgår, og danner til slutt den karakteristiske trapesformede formen som er essensiell for riktig drift og kontroll av børsteløs DC-motorstyring.

Under en 120-graders rotasjon av rotoren forblir spenningen induert i fase A relativt konstant. Når rotasjonen overstiger 120 grader, begynner noen av øverste ledere i fase A å koble seg til nordpolen, mens andre fortsetter å interagere med sørpolen. Det samme fenomenet skjer med nederste ledere. Som en følge av dette reverserer spenningen induert i fase A lineært over den neste 60-graders rotasjon. Dette mønsteret av spenningendring reflekteres også i fase B og C, noe som skaper en koordinert elektrisk oppførsel som er essensiell for motorens drift.

Systemet for børsteløs DC-motorstyring, som vist i figuren under, består av en spenningskildeinverter kombinert med en trapesformet PMAC-motor. Motorens statorvindinger er konfigurert i en stjerneforbindelse. Figuren viser også den karakteristiske fase-spenningsbølgeformen for den trapesformede PMAC-motoren, som reflekterer den unike spenning-induksjonsdynamikken beskrevet ovenfor. Denne bølgeformen er en nøkkelfunksjon som muliggjør effektiv kontroll og drift av børsteløs DC-motorstyring, noe som gir jevn momentproduksjon og nøyaktig fartregulering.

Statorvindinger av børsteløs DC-motor leveres med strømpuls. Hver puls har en varighet på 120 elektriske grader og er nøyaktig plassert innen regionen der den induerte spenningen forblir konstant og når sin maksimale verdi. Kritisk er at polariteten til disse strømpulsene er i overensstemmelse med den induerte spenningen, noe som sikrer en harmonisk interaksjon mellom de elektriske inngangene og det magnetfeltet som genereres av motoren.

Luftspalteflukten innen motoren holdes på en stabil nivå, og størrelsen på den induerte spenningen er direkte proporsjonal til rotorens rotasjonshastighet. Dette forholdet er grunnleggende for motorens drift, da det tillater nøyaktig kontroll av motorprestasjoner basert på hastighetsavhengig induert spenning, noe som muliggjør effektiv strømoverføring og jevn drift over ulike driftsbetingelser.

Under hver 60-graders periode av drift, strømmer strøm inn i en fase av motorens statorvinding og ut av en annen. Dette alternerende strømflytmønsteret er en nøkkelfunksjon i børsteløs DC-motors drift. Som en følge av dette kan strømmen som leveres til motoren i hver av disse 60-graders intervaller uttrykkes ved følgende formel, som tar hensyn til interaksjonen mellom spenning og strøm i vindingsfasene.

Momentet utviklet av motoren

Momentbølgeformen for børsteløs DC-motorstyring er illustrert i figuren under. Størrelsen på momentet generert av motoren er direkte proporsjonal med strømmen som flyter gjennom DC-strømkoblingen. Dette forholdet er grunnleggende for å forstå motorens dynamiske oppførsel og prestasjonskarakteristika.

Regenerativ bremsing i dette drivsystemet oppnås ved å omvende fasesstrømmen. Når fasesstrømmen omvenes, endres også retningen til strømkilden Id. Denne omvenningen initierer en strømflyt som starter fra motoren, går gjennom inverteren, og returnerer til DC-kilden. Under denne prosessen fungerer motoren som en generator, konverterer mekanisk energi fra lasten til elektrisk energi, som så sendes tilbake til strømkilden. Dette hjelper ikke bare med å dekelerere motoren, men tillater også gjenoppretting og gjenbruk av energi, noe som forbedrer systemets totale effektivitet.

Når rotasjonshastigheten i drivsystemet blir omvendt, snus også polariteten av de induerte spenningene i motoren. Denne endringen i spenningpolaritet utløser regenerativ bremsing, noe som lar drivsystemet konvertere den mekaniske energien fra den bevegende lasten til elektrisk energi som kan sendes tilbake til strømkilden.

Tvert imot, ved å omvende retningen av strømmen som flyter gjennom motorens vindinger, initieres motorendring, som driver motoren i ønsket retning. Strømbølgeformene som tilsvarer disse forskjellige driftsmodiene—regenerativ bremsing og motorendring—er klart vist i figuren under, noe som gir en visuell representasjon av det elektriske oppførselen i drivsystemet under ulike betingelser.

Typer av børsteløs DC-motorstyring

Børsteløs DC-motorstyring kan hovedsakelig deles inn i to distinkte typer: den lavkostnads børsteløs DC-motorstyring og den enefase børsteløs DC-motorstyring. Hver type har sine egne unike egenskaper og driftsprinsipper, som er detaljert under.

Lavkostnads børsteløs DC-motorstyring

Den lavkostnads børsteløs DC-motorstyringen er designet med enkelhet og tilgjengelighet i tankene. Den har en minimal konfigurasjon, bestående av bare tre transistorer og en tre-diode konverter. Denne oppsettet begrenser drivsystemet til kun å kunne levere positiv strøm eller spenning til den tre-fase motoren.

Under drift spiller den induerte spenningen og strømmen en viktig rolle både i motorens motorendring og bremsfunksjon. Når 120-graders positive strømpuls leveres til motoren, initieres en motorendring, som får motoren til å rotere mot urets retning. Omvendt, når disse strømpulsene forskyves 60 grader til totalt 180 grader, overgår motoren til en bremsende tilstand. Denne endringen i timingen av strømpulsene effektivt endrer interaksjonen mellom den elektriske inngangen og motorens magnetfelt, noe som muliggjør overgangen fra rotasjonsbevegelse til en bremsmekanisme.

Lavkostnads børsteløs DC-motorstyring: Strømkontrollmekanisme

I den lavkostnads børsteløs DC-motorstyringen, reguleres strømmen i fase A nøyaktig av thyristoren Tr1 og dioden D1. Når Tr1 aktiveres (slås på), kobles kilde spenningen Vd over vindingen A. Denne koblingen fører til at endringshastigheten av strømmen IA blir positiv, noe som betyr at strømmen i fase A begynner å øke. Omvendt, når Tr1 deaktiveres (slås av), går strømmen iA over i en frihjulingstilstand gjennom dioden D1. Under denne frihjulingen blir endringshastigheten av iA negativ, og strømmen taper gradvis.

Innen 0-120º tidsperiode, kan Tr1 slås på og av i et alternerende mønster. Denne på-av switching strategi brukes for å få den faktiske strømmen IA til å følge en rektangulær referansestrøm iA, slik at forskjellen mellom dem forblir innenfor en forhåndsdefinert hysteresisbånd. Denne nøyaktige kontrollen bidrar til å opprettholde stabil motoroperasjon og effektiv strømoverføring.

Enefase børsteløs DC-motorstyring

Konfigurasjonen av den enefase børsteløs DC-motorstyringen er vist i figuren under. For analyseformål, anta at motoren er strømført av en halvbro enefase konverter, som leverer en rektangulær strømbølgeform til motoren, som vist i den vedlagte diagrammen. Denne spesifikke strømbølgeformen spiller en vesentlig rolle i å bestemme motorens prestandakarakteristika og driftsoppførsel.

Momentet generert av motoren viser betydelige fluktuasjoner, ofte referert til som momentrykk. Men når motoren opererer i høye hastigheter, virker inertien i motoren-lastsystemet som en naturlig filter. Denne innebygde inertien glatter ut momentvariasjonene, noe som lar motoren opprettholde en relativt uniform rotasjonshastighet til tross for tilstedeværelsen av momentrykk.