Borstelös DC-motorförare

Definition

En børstlös DC-motorstyrning definieras som en självstyrd variabelfrekvensstyrning som använder en sinusformad permanentmagnetisk värmsströmsmotor (PMAC). Denna typ av styrning erbjuder flera framträdande fördelar. Den är praktiskt taget underhållsfri, har en utökad livslängd, vilket gör den till ett pålitligt val för olika tillämpningar. Dessutom har den låg roterande tröghet, minimal friktion och fungerar med lågfrekvenskarakteristika. Dessutom genererar den minimal radiofrekvensstörning och brus, vilket säkerställer smidig och tyst drift. Men den har inte heller några nackdelar; de primära begränsningarna är dess relativt höga kostnad och låg startmoment.

Applications

Børstlösa DC-motorstyrningar används omfattande inom en mängd olika industrier och enheter. Inom konsumentelektronik används de i skivspelare, banddriv för inspelningsapparater och spindeldriv i datorhårddiskar. De används också som lågeffektstyrningar i datorperiferala instrument och styrsystem. Utöver konsumentelektronik sträcker deras tillämpningar sig till flyg- och rymdindustrin, där tillförlitlighet och lågbrusig drift är avgörande. Inom biomedicinska fält är deras precision och ren drift lämplig för olika medicinsk utrustning. Dessutom används de ofta för att driva kylningsfläktar, vilket ger effektiv och tyst ventilation i många system.

Motor Structure

Figuren nedan illustrerar tvärsnittet av en trefas, tvåpolig trapetsformad PMAC-motor, som är en viktig komponent i børstlös DC-motorstyrning. Motorn har en permanentmagnetrotor med en bred polbåge, vilket bidrar till dess effektiva drift. Statorn är utrustad med trefaspolwindningar, varje förskjuten 120 grader från varandra. Denna specifika vindningskonfiguration säkerställer balanserad elektrisk drift och jämn momentproduktion. Varje fasvinding täcker 60 grader på respektive sida, vilket optimerar magnetfältets interaktion inuti motorn och möjliggör precisionskontroll över dess hastighet och prestanda.

Spänningarna som induceras i motorns tre faser visas i figuren nedan. Genereringen av en trapetsformad vågform kan tillskrivas den specifika interaktionen mellan rotorn och statorn. När rotorn roterar moturs under den initiala 120-gradersrotationen från en referensposition interagerar alla övre ledare i fas A med sydpolen av det magnetiska fältet, medan alla undre ledare i fas A interagerar med nordpolen.

Denna konsekventa magnetiska koppling inom detta vinkelområde leder till en relativt stabil inducerad spänning, vilket bidrar till den platta toppdelen av den trapetsformade vågformen. När rotorn fortsätter rotera orsakar de ändrade magnetfältorienteringarna att den inducerade spänningen övergår, vilket slutligen formar den karakteristiska trapetsformade formen som är nödvändig för den korrekta drift och kontroll av børstlös DC-motorstyrning.

Under en 120-gradersrotation av rotorn återstår den inducerade spänningen i fas A relativt konstant. När rotationen överstiger 120 grader börjar vissa av de övre ledarna i fas A länkas till nordpolen, medan andra fortsätter att interagera med sydpolen. Samma fenomen inträffar med de undre ledarna. Som ett resultat av den efterföljande 60-gradersrotationen vänder den inducerade spänningen i fas A linjärt. Detta mönster av spänningsförändring speglas också i faser B och C, vilket skapar en samordnad elektrisk beteende som är nödvändigt för motoroperationen.

Systemet för børstlös DC-motorstyrning, som illustreras i figuren nedan, består av en spänningskälla-inverter parats med en trapetsformad PMAC-motor. Motorstatorns vindningar är konfigurerade i en stjärnanslutning. Figuren visar också den karaktäristiska fasspänningsvågformen för den trapetsformade PMAC-motorn, vilken återspeglar den unika spännings-induktiondynamiken beskriven ovan. Denna vågform är en nyckelfunktion som möjliggör effektiv kontroll och drift av børstlös DC-motorstyrning, vilket främjar jämn momentproduktion och precis hastighetsreglering.

Statorvindningarna för børstlös DC-motor matas med strömpulser. Varje puls har en varaktighet av 120 elektriska grader och är exakt placerad inom det område där den inducerade spänningen förblir konstant och når sitt maximala värde. Viktigt är att polariteten hos dessa strömpulser stämmer överens med den inducerade spänningspolariteten, vilket säkerställer en harmonisk interaktion mellan de elektriska ingångarna och det magnetfält som genereras av motorn.

Luftgapet flux inom motorn hålls vid en stadig nivå, och magnituden av den inducerade spänningen är direkt proportionell mot rotorns rotationshastighet. Detta förhållande är grundläggande för motorns drift, eftersom det möjliggör korrekt kontroll av motorns prestanda baserat på den hastighetsberoende inducerade spänningen, vilket möjliggör effektiv energiöverföring och smidig drift under olika driftförhållanden.

Under varje 60-gradersintervall av drift flyter ström in i en fas av motorns statorvindning och ut ur en annan. Detta alternerande strömflyttsmönster är en nyckelkarakteristik för børstlös DC-motors drift. Som ett resultat kan den effekt som levereras till motorn inom var och en av dessa 60-gradersintervall uttryckas genom följande formel, vilken tar hänsyn till interaktionen mellan spänningen och strömmen inom vindningsfaserna.

Momentet som utvecklas av motorn

Vågformen för momentet i børstlös DC-motorstyrning illustreras i figuren nedan. Magnituden av det moment som genereras av motorn är direkt proportionell mot strömmen som flyter genom de direktspänningskopplingarna. Detta förhållande är grundläggande för att förstå motorernas dynamiska beteende och prestandaegenskaper.

Regenerativ bromsning i detta drivsystem uppnås genom att vända fasströmmen. När fasströmmen vänds ändras också riktningen för strömkällan Id enligt. Denna vändning initierar en effektflyt som börjar från motorn, går genom inverteraren och slutligen återvänder till den direktspänningskällan. Under denna process fungerar motorn som en generator, konverterar mekanisk energi från belastningen till elektrisk energi, som sedan matas tillbaka till elnätet. Detta hjälper inte bara till att bromsa motorn utan möjliggör också återvinning och återanvändning av energi, vilket ökar systemets totala effektivitet.

När rotationshastigheten för drivsystemet vänds vänds också polariteten för de inducerade spänningarna inom motorn. Denna förändring i spänningspolaritet utlöser regenerativ bromsning, vilket möjliggör för drivningen att konvertera den mekaniska energin av den rörliga belastningen till elektrisk energi som kan matas tillbaka till elnätet.

Omvänt, om riktningen för strömmen som flyter genom motorvindningarna vänds initieras motortillståndet, vilket driver motorn i den önskade riktningen. Strömvågformerna som motsvarar dessa distinkta driftlägen—regenerativ bromsning och motortillstånd—är tydligt illustrerade i figuren nedan, vilket ger en visuell representation av drivsystemets elektriska beteende under olika förhållanden.

Types of Brushless DC Motor Drive

Børstlös DC-motorstyrning kan huvudsakligen indelas i två distinkta typer: den lågkostnadsbørstlösa DC-motorstyrningen och den enfasebørstlösa DC-motorstyrningen. Varje typ har sina egna unika egenskaper och driftprinciper, vilka detaljerats nedan.

Lågkostnadsbørstlös DC-motorstyrning

Den lågkostnadsbørstlösa DC-motorstyrningen är utformad med enkelhet och prisvärdhet i åtanke. Den har en minimalistisk konfiguration, bestående av endast tre transistorer och en tre-diodekonverter. Denna uppsättning begränsar drivningen till att endast kunna leverera positiv ström eller spänning till den trefasige motorn.

Under drift spelar den inducerade spänningen och strömmen en viktig roll i både motortillstånd och bromstillstånd för motorn. När 120-graders positiva strömpulser levereras till motorn initieras ett motortillstånd, vilket får motorn att rotera moturs. Omvänt, när dessa strömpulser flyttas 60 grader till en total av 180 grader, övergår motorn till ett bromstillstånd. Denna förändring i timingen av strömpulserna ändrar effektivt interaktionen mellan den elektriska ingången och motorns magnetfält, vilket möjliggör övergången från rotationsrörelse till ett bromsmekanism.

Lågkostnadsbørstlös DC-motorstyrning: Strömkontrollmekanism

I den lågkostnadsbørstlösa DC-motorstyrningen regleras strömmen i fas A exakt av thyristorn Tr1 och dioden D1. När Tr1 aktiveras (slås på) ansluts källspänningen Vd till vindning A. Denna anslutning gör att förändringshastigheten av strömmen IA blir positiv, vilket innebär att strömmen i fas A börjar öka. Omvänt, när Tr1 deaktiveras (slås av), går strömmen iA in i en frihjulsläge genom dioden D1. Under denna frihjulsläge vänds förändringshastigheten av iA negativ, och strömmen minskar gradvis.

Inom perioden 0-120º kan Tr1 slås på och av i alternerande ordning. Denna på-av-switching-strategi används för att göra den faktiska strömmen IA nära att följa en rektangulär referensström iA, vilket säkerställer att skillnaden mellan dem hålls inom en fördefinierad hystereseband. Denna exakta kontroll hjälper till att bibehålla stabilt motorbeteende och effektiv energiöverföring.

Enfasebørstlös DC-motorstyrning

Konfigurationen av den enfasebørstlösa DC-motorstyrningen illustreras i figuren nedan. För analysens skull antas att motorn drivs av en halvbro-enfasekonverterare, som levererar en rektangulär strömvågform till motorn, som visas i det bifogade diagrammet. Denna specifika strömvågform spelar en avgörande roll för att bestämma motorernas prestandaegenskaper och driftbeteende.

Momentet som genereras av motorn visar betydande variationer, vanligtvis kallade momentfluktuationer. Men när motorn opererar vid höga hastigheter verkar motorns lastsystems tröghet som en naturlig filter. Denna inre tröghet jämnar ut momentsvariationerna, vilket möjliggör att motorn bibehåller en relativt uniform rotationshastighet trots momentfluktuationer.