Pamumuhun ng Brushless DC Motor

Pagsasalaysay

Ang brushless DC motor drive ay inilalarawan bilang 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 napakabiling mga abala. Sa praktikal, ito ay halos walang pangangailangan sa pagmamanntain, may mahabang buhay, at 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. Bukod dito, ito ay lumilikha ng kaunti lamang na radio frequency interference at ingay, na nagpapahintulot sa malinis at tahimik na operasyon. Gayunpaman, hindi ito walang mga hadlang; 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. Ito rin ay ginagamit bilang low-power drives sa computer peripheral instruments at control systems. Bukod sa consumer electronics, ang kanilang mga aplikasyon ay umuunlad patungo sa aerospace industry, kung saan ang reliabilidad at mababang noise operation ay mahalaga. Sa biomedical field, ang kanilang precision at malinis na operasyon ay nagpapahiwatig na angkop sila para sa iba't ibang medical devices. Bukod dito, karaniwang ginagamit ito 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 naka-displace ng 120 degrees mula sa isa't isa. Ang partikular na winding configuration na ito ay nag-aasikaso ng balanced electrical operation at smooth torque production. Bawat phase winding ay sumasaklaw ng 60 degrees sa bawat panig, na optima ang magnetic field interaction sa loob ng motor at nagbibigay ng precise na kontrol sa kanyang speed at performance.

Ang voltages na induksyon sa tatlong phases ng motor ay ipinapakita sa larawan sa ibaba. Ang paglikha ng trapezoidal waveform ay maaaring maipaglaban sa partikular na 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 nag-interact sa south pole ng magnetic field, habang lahat ng bottom conductors ng phase A ay nakikipag-ugnayan sa north pole. 

Ang consistent na magnetic coupling sa loob ng angular range na ito ay nagdudulot ng relatively stable na induced voltage, na nagbabahagi sa flat top portion ng trapezoidal waveform. Habang patuloy na umiikot ang rotor, ang pagbabago ng magnetic field orientations ay nagdudulot ng paglipat ng induced voltage, na sa huli ay bumubuo ng characteristic na trapezoidal shape na essential para sa proper operation at kontrol ng brushless DC motor drive.

Sa 120-degree rotation ng rotor, ang voltage na induksyon sa phase A ay nananatili na relatively constant. Kapag ang rotation ay lumampas sa 120 degrees, ilang top conductors ng phase A ay nagsisimula na mag-link sa north pole, habang iba pa ay patuloy na nag-interact sa south pole. Ang parehong phenomenon ay nangyayari sa bottom conductors. Bilang resulta, sa susunod na 60-degree rotation, ang voltage na induksyon sa phase A ay linearly reverses. Ang pattern ng pagbabago ng voltage na ito ay pinagmulan din sa phases B at C, na nagbibigay ng coordinated electrical behavior na essential para sa operasyon ng motor.

Ang brushless DC motor drive system, tulad ng ipinapakita sa larawan sa ibaba, ay binubuo ng isang voltage-source inverter na paired sa isang 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 nagpapahayag ng unique voltage-induction dynamics na nabanggit sa itaas. Ang waveform na ito ay isang key feature na nagbibigay ng efficient na kontrol at operasyon ng brushless DC motor drive, na nagpapahintulot ng smooth torque production at precise speed regulation.

Ang stator windings ng brushless DC motor ay inilalapat ng current pulses. Bawat pulse ay may duration ng 120 electrical degrees at naka-position nang maayos sa rehiyon kung saan ang induced voltage ay nananatili na constant at umabot sa maximum value. Mahalaga, ang polarity ng mga current pulses ay naka-align sa polarity ng induced voltage, na nagpapahintulot ng harmonious na interaksiyon sa pagitan ng electrical inputs at magnetic field na nilikha ng motor.

Ang air-gap flux sa loob ng motor ay nai-maintain sa steady level, at ang magnitude ng induced voltage ay directly proportional sa rotational speed ng rotor. Ang relasyong ito ay fundamental sa operasyon ng motor, sapagkat ito ay nagbibigay ng accurate na kontrol sa performance ng motor batay sa speed-dependent induced voltage, na nagpapahintulot ng efficient power transfer at smooth operation sa iba't ibang operating conditions.

Sa bawat 60-degree interval ng operasyon, ang current ay nag-flow sa isang phase ng stator winding ng motor 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 inilalapat sa motor sa bawat 60-degree intervals ay maaaring ipahayag gamit ang sumusunod na formula, na kinokonsidera ang interaksiyon sa pagitan ng voltage at current sa loob ng winding phases.

Ang torque na nai-develop ng motor

Ang torque waveform ng brushless DC motor drive ay ipinapakita sa larawan sa ibaba. Ang magnitude ng torque na nai-generate ng motor ay directly proportional sa current na nag-flow sa DC power links. Ang relasyong ito ay fundamental sa pag-unawa sa dynamic behavior at performance characteristics ng motor.

Ang regenerative braking sa drive system na ito ay nakuha sa pamamagitan ng pag-reverse ng phase current. Kapag ang phase current ay inireverse, ang direksyon ng current source Id ay nagbabago rin nang apropriadong paraan. Ang pagbaliktad na ito ay nagsisimula ng power flow na nagsisimula sa motor, pumapasok sa inverter, at sa huli ay bumabalik sa DC source. Sa prosesong ito, ang motor ay gumagana bilang generator, na nagco-convert ng mechanical energy mula sa load sa electrical energy, na pagkatapos ay inilalagay muli sa power supply. Ito ay hindi lamang tumutulong sa pag-decelerate ng motor kundi nagbibigay rin ng recovery at reuse ng energy, na nagpapahusay sa overall efficiency ng sistema.

Kapag ang rotational speed ng drive system ay inireverse, ang polarity ng induced voltages sa loob ng motor ay flip din. Ang pagbabago sa voltage polarity na ito ay nag-trigger ng regenerative braking operation, na nagbibigay ng kakayahan 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 nag-flow sa mga windings ng motor ay nagsisimula ng motoring operation, na nagpapahintulot sa motor na umikot sa desired direction. Ang current waveforms na kumakatawan 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.

Uri ng Brushless DC Motor Drive

Ang brushless DC motor drive ay maaaring 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 sariling unique characteristics at operational principles, na detalyado sa ibaba.

Low-Cost Brushless DC Motor Drive

Ang low-cost brushless DC motor drive ay disenyo na may simplisidad at affordability sa isip. Ito ay may minimalistic configuration, na binubuo ng tatlong transistors at isang three-diode converter. Ang setup na ito ay naka-limit sa pag-supply ng positive current o voltage sa three-phase motor.

Sa panahon ng operasyon, ang induced voltage at current ay naglalaro ng mahalagang papel sa parehong motoring at braking functions ng motor. Kapag 120-degree positive current pulses ay inilapat sa motor, ito ay nagsisimula ng motoring action, na nagdudulot sa motor na umikot sa counter-clockwise direction. Kabilang-kabilang, kapag ang mga current pulses ay inilipat ng 60 degrees sa total na 180 degrees, ang motor ay lumilipat sa isang braking state. Ang pagbabago sa timing ng mga current pulses ay effectively nag-altera sa interaksiyon sa pagitan ng electrical input at magnetic field ng motor, na nagbibigay ng shift mula sa rotational motion sa isang braking mechanism.

Low-Cost Brushless DC Motor Drive: Current Control Mechanism

Sa low-cost brushless DC motor drive, ang current ng phase A ay naka-regulate ng maayos ng thyristor Tr1 at diode D1. Kapag ang Tr1 ay aktibado (turned on), ang source voltage Vd ay konektado sa winding A. Ang koneksiyong ito ay nagdudulot ng rate of change ng current IA na maging positive, na nangangahulugan na ang current sa phase A ay nagsisimula na tumaas. Kabilang-kabilang, kapag ang Tr1 ay de-aktibado (turned off), ang current iA ay pumapasok sa freewheeling state sa pamamagitan ng diode D1. Sa panahon ng freewheeling process, ang rate of change ng iA ay naging negative, at ang current ay gradual na nag-decay.

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 malapit ang actual current IA sa rectangular reference current iA, na siguradong ang difference sa pagitan ng kanila ay nasa predefined hysteresis band. Ang precise na kontrol 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, asumihin na ang motor ay powered ng half-bridge single-phase converter, na nag-supply ng rectangular current waveform sa motor, tulad ng ipinapakita sa kasama na diagram. Ang specific na current waveform na ito ay naglalaro ng mahalagang papel sa pag-determine ng motor's performance characteristics at operational behavior.

Ang torque na nai-generate ng motor ay nagpapakita ng significant na fluctuations, na kilala bilang torque ripple. Ngunit, kapag ang motor ay gumagana sa mataas na bilis, ang inertia ng motor-load system ay gumagana bilang natural na filter. Ang inherent na inertia na ito ay nag-smooth out ng torque variations, na nagpapahintulot sa motor na maitayo ang relatively uniform na rotational speed maliban sa presence ng torque ripple.