Fırçasız DC Motor Sürücüleri

Tanım

Fırçasız DC motor sürücüsü, sinusoidal kalıcı manyetik akım (PMAC) motorunu kullanan bir kendinden kontrol edilen değişken frekanslı sürücü olarak tanımlanır. Bu tür bir sürücü, birkaç belirgin avantaja sahiptir. Neredeyse bakım gerektirmeyen bu motor, uzun ömürlüdür ve çeşitli uygulamalar için güvenilir bir seçeneğe dönüşür. Ayrıca, düşük dönme inertiyası, az sürtünme ve düşük frekansta çalışabilme özellikleri sunar. Ayrıca, minimum radyo frekansı interferansı ve gürültü ürettiği için, pürüzsüz ve sessiz bir çalışma sağlar. Ancak, bazı dezavantajları da vardır; en önemli sınırlılıkları nispeten yüksek maliyeti ve düşük başlangıç torkudur.

Uygulamalar

Fırçasız DC motor sürücüleri, geniş bir yelpazede endüstri ve cihazlarda kullanılır. Tüketici elektroniğinde, plak çarklarında, kaydedicilerdeki bant sürücülerinde ve bilgisayar sabit disklerindeki spindle sürücülerinde kullanılırlar. Ayrıca, bilgisayar çevre üniteleri ve kontrol sistemlerinde düşük güç sürücüleri olarak hizmet verirler. Tüketici elektroniklerinin ötesinde, güvenilirlik ve düşük gürültülü çalışma kritik öneme sahip olan havacılık endüstrisinde de uygulanırlar. Biyomedikal alanında, hassasiyeti ve temiz işlemesi, çeşitli tıbbi cihazlar için uygun hale getirir. Ayrıca, soğutma fanlarını sürerek, birçok sistemde etkili ve sessiz ventilasyon sağlarlar.

Motor Yapısı

Aşağıdaki şekil, fırçasız DC motor sürücüsünün ana bileşeni olan üç fazlı, iki kutuplu trapez şeklinde PMAC motorunun kesitini göstermektedir. Motor, geniş kutup yayına sahip kalıcı manyetik bir rotor ile donatılmıştır, bu da etkin çalışmasına katkıda bulunur. Stator, her biri birbirinden 120 derece uzakta yer alan üç pol bobinli olup, bu spesifik sarım yapılandırması dengeli elektriksel işlemeyi ve pürüzsüz tork üretimini sağlar. Her faz bobini, motorun manyetik alanı etkileşimini optimize ederek hızını ve performansını hassas bir şekilde kontrol etmeyi mümkün kılar.

Motorda üç fazda induksiyon edilen gerilimler aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Trapez şekilli dalgaformun oluşumu, rotordan ve stator arasındaki spesifik etkileşime atfedilebilir. Rotor, referans pozisyonundan itibaren ilk 120 derece dönme sırasında karşı saat yönünde dönerken, faz A'nın tüm üst iletkenleri manyetik alanın güney kutbuyla etkileşime girerken, faz A'nın tüm alt iletkenleri kuzey kutbuyla etkileşime girer.

Bu açısal aralık içindeki sürekli manyetik eşleme, göreceli olarak istikrarlı indüklenmiş gerilime katkıda bulunur, bu da trapez şekilli dalgaformun düz üst kısmına katkıda bulunur. Rotor devam ettikçe, değişen manyetik alan yönlendirmeleri indüklenmiş gerilimin geçişine neden olur, sonunda fırçasız DC motor sürücüsünün düzgün işlemesi ve kontrolü için karakteristik trapez şekillinin oluşmasını sağlar.

Rotor 120 derece dönme sırasında, faz A'da indüklenen gerilim göreceli olarak sabit kalır. Dönmeye 120 dereceden fazla geçildiğinde, faz A'nın bazı üst iletkenleri kuzey kutbuyla bağlantılı hale gelirken, diğerleri güney kutbuyla bağlantı halinde kalır. Aynı fenomen alt iletkenlerde de gerçekleşir. Sonuç olarak, sonraki 60 derecelik dönme sırasında, faz A'da indüklenen gerilim doğrusal olarak tersine döner. Bu gerilim değişimi modeli, faz B ve C'de de tekrarlanır, motorun çalışması için koordineli bir elektriksel davranış oluşturur.

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, fırçasız DC motor sürücü sistemi, trapez şeklinde PMAC motor ile birleştirilmiş bir gerilim kaynağı inversörden oluşur. Motordanın stator bobinleri, yıldız bağlantısı şeklinde yapılandırılır. Şekil ayrıca, yukarıda açıklanan benzersiz gerilim-indüksiyon dinamiğini yansıtan trapez şeklinde PMAC motorun karakteristik faz-gerilim dalgaformunu da gösterir. Bu dalgaform, fırçasız DC motor sürücüsünün etkin kontrolü ve çalışması için, pürüzsüz tork üretimi ve hassas hız düzenleme imkanı sağlayarak, kilit bir özelliktir.

Fırçasız DC motorun stator bobinlerine akım darbeleri sağlanır. Her darbe, 120 elektrik derecesi sürer ve indüklenmiş gerilimin sabit kaldığı ve maksimum değerine ulaştığı bölge içinde hassas bir şekilde konumlandırılır. Kritik olarak, bu akım darbelerinin polaritesi, indüklenmiş gerilimin polaritesiyle uyumludur, böylece elektrik girdileri ile motordan üretilen manyetik alan arasında uyumlu bir etkileşim sağlar.

Motordaki hava boşluğu akımı, sabit bir seviyede tutulur ve indüklenmiş gerilimin büyüklüğü, rotordanın dönme hızına orantılıdır. Bu ilişki, motorun performansının hız-bağımlı indüklenmiş gerilime dayalı olarak hassas bir şekilde kontrol edilmesine olanak tanıyarak, etkin enerji aktarımını ve çeşitli işletim koşullarında pürüzsüz bir çalışma sağlar.

Her 60 derecelik işlem aralığında, motorun stator bobinlerinin bir fazına akım girer ve başka bir fazından çıkar. Bu alternatif akım akışı modeli, fırçasız DC motorunun çalışmasının kilit bir özelliğidir. Sonuç olarak, bu 60 derecelik aralıkların her birinde motora sağlanan güç, bobin fazlarındaki gerilim ve akım arasındaki etkileşimi dikkate alarak aşağıdaki formülle ifade edilebilir.

Motordan geliştirilen tork

Fırçasız DC motor sürücüsünün tork dalgaformu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Motordan üretilen tork büyüklüğü, DC güç bağlantılarına akan akıma orantılıdır. Bu ilişki, motorun dinamik davranışını ve performans özelliklerini anlamak için temel bir özelliktir.

Bu sürücü sisteminde yeniden üretebilir frenleme, faz akımının ters çevrilmesiyle elde edilir. Faz akımı ters çevrildiğinde, Id akım kaynağının yönü de uygun şekilde değişir. Bu ters çevirme, motorun, inverteerden geçerek nihayetinde DC kaynağa geri dönen bir güç akışını başlatır. Bu süreçte, motor jeneratör olarak davranır, yükten gelen mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürerek, bu enerjiyi güç kaynağına geri besler. Bu, motoru yavaşlatmanın yanı sıra, enerjinin kurtarılmasını ve yeniden kullanılmasını sağlayarak, sistemin genel verimliliğini artırır.

Sürücü sisteminin dönme hızı ters çevrildiğinde, motordaki indüklenmiş gerilimlerin kutupları da değişir. Bu gerilim kutuplarının değişmesi, yeniden üretebilir frenleme işlemini tetikler, sürücünün hareketli yükün mekanik enerjisini, güç kaynağına geri beslenebilecek elektrik enerjisine dönüştürmesini sağlar.

Tersine, motorun bobinlerinden geçen akımın yönünün ters çevrilmesi, motorun istenen yönde hareket etmesini sağlayarak motoring işlemini başlatır. Regenerative braking ve motoring gibi farklı işletim modlarına karşılık gelen akım dalgaformları, aşağıdaki şekilde açıkça gösterilmiştir, bu da sürücü sisteminin farklı koşullar altında olan elektriksel davranışının görsel bir temsilini sağlar.

Fırçasız DC Motor Sürücü Türleri

Fırçasız DC motor sürücüsü, genel olarak iki ayrı türe ayrılabilir: düşük maliyetli fırçasız DC motor sürücüsü ve tek fazlı fırçasız DC motor sürücüsü. Her tür, kendi benzersiz özelliklerine ve işletim prensiplerine sahiptir, aşağıda detaylandırılmıştır.

Düşük Maliyetli Fırçasız DC Motor Sürücüsü

Düşük maliyetli fırçasız DC motor sürücüsü, basitlik ve uygun fiyata odaklanarak tasarlanmıştır. Sadece üç transistör ve üç diyot dönüştürücü içeren minimal bir yapıya sahiptir. Bu yapı, sürücünün üç fazlı motora sadece pozitif akım veya gerilim sağlama yeteneğini sınırlar.

İşlem sırasında, indüklenmiş gerilim ve akım, motorun hem motoring hem de frenleme fonksiyonlarında kritik roller oynar. 120 derecelik pozitif akım darbeleri motora verildiğinde, motorun karşı saat yönünde döndürmesini sağlayan motoring eylemi başlar. Bunun aksine, bu akım darbeleri 60 dereceye, toplam 180 dereceye kaydırıldığında, motor frenleme durumuna geçer. Akım darbelerinin zamanlamasındaki bu değişiklik, elektrik girdisi ile motorun manyetik alanı arasındaki etkileşimi değiştirerek, dönme hareketinden frenleme mekanizmasına geçişi sağlar.

Düşük Maliyetli Fırçasız DC Motor Sürücüsü: Akım Kontrol Mekanizması

Düşük maliyetli fırçasız DC motor sürücüsünde, faz A'nın akımı tiristör Tr1 ve diyot D1 tarafından hassas bir şekilde düzenlenir. Tr1 etkinleştirildiğinde (açıldığında), kaynak gerilimi Vd, bobin A'ya bağlanır. Bu bağlantı, IA akımının değişim hızının pozitif olması nedeniyle, faz A'daki akım artmaya başlar. Tr1 devre dışı bırakıldığında (kapandığında), iA akımı, diyot D1 üzerinden serbest akış haline girer. Serbest akış sırasında, iA'nın değişim hızı negatif olur ve akım yavaş yavaş azalır.

0-120º zaman diliminde, Tr1, arka arkaya açılıp kapatabilir. Bu aç-kapa stratejisi, gerçek akım IA'nın dikdörtgen referans akımı iA'ya yakın bir şekilde takip etmesini sağlamak için kullanılır, böylece aralarındaki fark belirlenen bir histeriz bandı içinde kalır. Bu hassas kontrol, motorun istikrarlı çalışmasını ve etkin enerji aktarımını sağlar.

Tek Fazlı Fırçasız DC Motor Sürücüsü

Tek fazlı fırçasız DC motor sürücüsünün yapılandırması aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Analiz amacıyla, motorun yarı köprü tek fazlı dönüştürücü ile beslendiğini ve motora eşlik eden şemada gösterildiği gibi dikdörtgen bir akım dalgaformu sağladığını varsayalım. Bu spesifik akım dalgaformu, motorun performans özelliklerini ve işlevsellik davranışını belirlemede kritik bir rol oynar.

Motordan üretilen tork, genellikle tork titreşimleri olarak adlandırılan önemli fluktuasyonlar gösterir. Ancak, motor yüksek hızlarda çalıştığında, motor-yük sisteminin inercisi doğal bir filtre görevi görür. Bu doğal inerci, tork varyasyonlarını yumuşatır ve tork titreşimine rağmen motornun göreceli olarak düzgün bir dönme hızını korumasını sağlar.