BLDC motorda altı adım komütasyon: Hall sensörleri, inverter ve zıt EMK

BLDC motor neden elektronik komütasyona ihtiyaç duyar?

Fırçalı motorda kolektör, armatür alanını mıknatısların alanının yaklaşık 90° önünde tutar. BLDC motorda roller yer değiştirir: kalıcı mıknatıslar rotordadır, sargılar ise statora sabitlenmiştir. Akımı aktaracak fırça olmadığından, her an hangi sargının akım alacağına başka bir şeyin karar vermesi gerekir.

Bu "başka bir şey", denetleyici ve güç katıdır. Rotorun nerede olduğunu bilmesi gerekir; çünkü tork ancak stator alanı rotor alanına kabaca dik olduğunda yüksektir. Stator alanı sabit olsaydı rotor yalnızca onunla hizalanır ve dururdu. Bu nedenle denetleyici stator alanını motorun etrafında, mıknatısların hemen önünde ayrık sıçramalarla ilerletir ve rotor onu izler.

Aynı fikir tek cümleyle özetlenebilir: BLDC motor, içi dışına çevrilmiş bir fırçalı DC motordur ve komütasyon elektronikte yapılır.

Üç fazlı inverter ve altı adım

Üç fazlı bir köprüde altı anahtar vardır: U, V ve W fazlarının her biri için bir üst, bir alt anahtar. Altı adımlı çalışmada herhangi bir anda yalnızca iki anahtar iletimdedir: bir üst anahtar bir fazı pozitif DC baraya, bir alt anahtar ikinci bir fazı negatif baraya bağlar. Üçüncü faz açık bırakılır, yani boşta (floating) kalır.

Bu nedenle akım seri bağlı iki sargıdan geçer ve bu iki sargının bileşke manyetik alanı sabit tek bir yönü gösterir. Rotor 60 elektriksel derece döndüğünde denetleyici bir sonraki çifte geçer. Altı adımın sonunda alan 360 elektriksel derece, yani bir elektriksel devir döner. Pozitif akım alan faz önce yazılmak üzere dizi şöyledir:

• Adım 1: U pozitif, V negatif, W açık
• Adım 2: U pozitif, W negatif, V açık
• Adım 3: V pozitif, W negatif, U açık
• Adım 4: V pozitif, U negatif, W açık
• Adım 5: W pozitif, U negatif, V açık
• Adım 6: W pozitif, V negatif, U açık

Her adım altı Hall kodundan biriyle seçilir. 000 ve 111 kodları sağlıklı bir motorda hiç oluşmaz; bu yüzden bir kablolama ya da sensör arızasını algılamakta kullanılabilir. Hall kodundan adıma tam eşleme, sensörlerin sargılara göre nereye monte edildiğine bağlıdır; bu yüzden motorun katalog verisinden alınır. Yönü ters çevirmek ayna diziyi kullanmak demektir ve hız, iletimdeki anahtarların PWM ile kıyılmasıyla kontrol edilir; bu, ortalama gerilimi belirler.

Hall sensörleri ve sensörsüz komütasyon

Genellikle 120 elektriksel derece aralıklı üç Hall etkili sensör, rotor mıknatıslarının yanında ya da mil üzerindeki küçük bir mıknatıs halkasının yanında durur. Her biri, önünden kuzey ya da güney kutbu geçmesine bağlı olarak mantıksal 1 ya da 0 verir; birlikte her 60 elektriksel derecede değişen 3 bitlik bir kod oluştururlar. Bu, altı adımlı kontrolün tam olarak ihtiyaç duyduğu çözünürlüktür.

Hall sensörleri durağan halde bile güvenilir konum bilgisi verir; bu da yük altında kalkışı kolaylaştırır. Dezavantajları maliyet, ek kablolar (sensörler için beş, fazlar için üç), sıcaklığa ve yerleştirme hatalarına duyarlılık ve arızalanabilecek bir bileşen daha olmasıdır.

Trapezoidal zıt EMK ve tork dalgalanması

Motor, her fazdaki zıt EMK trapezoidal olacak biçimde sarılır ve mıknatısları şekillendirilir: yükselir, yaklaşık 120 elektriksel derece düz kalır, düşer ve yine 120 derece boyunca düz negatif kalır. Her altı adımlı aralıkta iletimdeki iki fazın ikisi de zıt EMK'larının düz bölümünde bulunur; bu yüzden sabit akım neredeyse sabit tork verir:

T = Kt × I

Burada Kt tork sabitidir. Ancak her komütasyon akımı bir fazdan diğerine aniden taşır. Sargı endüktansı akım değişimini yavaşlattığından tork her adımda kısa süreliğine çöker. Elektriksel frekansın altı katındaki bu komütasyon dalgalanması, yöntemin başlıca dezavantajıdır ve düzgün, sessiz sürücülerin neden sinüsoidal kontrol kullandığını açıklar.

Hız, elektriksel frekansla f_e = dev/dak × p / 60 bağıntısıyla ilişkilidir; burada p kutup çifti sayısıdır. 4000 dev/dak'da 4 kutup çiftli bir motorun elektriksel frekansı yaklaşık 267 Hz'dir ve saniyede 1600 komütasyon adımından geçer.

Sensörsüz komütasyon. Hall sensörleri, boştaki faz izlenerek bırakılabilir. Diğer iki faz iletimdeyken açık fazdaki gerilim kendi zıt EMK'sına eşittir ve bu, rotor mıknatısı geçerken sıfırdan geçer. Denetleyici bu sıfır geçişini motorun nötr noktasına (ya da dirençlerle kurulmuş sanal bir nötre) göre algılar, yaklaşık 30 elektriksel derece bekler ve ardından komütasyon yapar.

Bu yöntem orta hızdan yukarıda iyi çalışır ve fanlarda, pompalarda ve drone motorlarında yaygındır. Çok düşük hızlarda başarısız olur, çünkü zıt EMK hızla orantılıdır ve ölçülemeyecek kadar küçüktür; bu nedenle motor açık çevrim başlatılmalıdır: bilinen bir konumda hizalanmaya zorlanır ve ardından zıt EMK devralacak kadar büyüyene kadar hızı yükseltilir. Bu yüzden sensörsüz sürücüler yüksek kalkış torkuyla ve sıfır hızda tutmayla zorlanır.

BLDC ile fırçalı DC motorun karşılaştırması

• Bakım: BLDC'de aşınacak fırça yoktur, dolayısıyla ömrü rulmanlarla sınırlıdır; fırçalı motor fırça bakımı ister.
• Verim ve ısı: BLDC'de fırça sürtünmesi ve fırça gerilim düşümü yoktur; sargılar statordadır ve ısı doğrudan gövdeye akar.
• Hız aralığı: kolektör sınırı olmadığından BLDC motorlar çok daha yüksek hıza ulaşır.
• Gürültü: fırça arkı ya da kıvılcımdan kaynaklanan elektriksel gürültü yoktur.
• Maliyet ve karmaşıklık: BLDC üç fazlı bir inverter ve konum algılama gerektirir; fırçalı motor ise bir akü ya da tek bir transistörle çalışabilir.
• Tork davranışı: ikisi de akımla neredeyse orantılı tork ve gerilimle neredeyse orantılı hız verir; dolayısıyla karakteristik çizgi aynı görünür.

Çözümlü örnek. Kt = Ke = 0,05 N·m/A ve sargı direnci 0,28 Ω olan 24 V'luk bir motor alalım. %50 PWM görev oranında ortalama gerilim 12 V'tur. 5 A gerektiren bir yükte zıt EMK 12 − 5 × 0,28 = 10,6 V olur; hız 10,6 / 0,05 = 212 rad/s, yani yaklaşık 2020 dev/dak'dır. Görev oranını %100'e katlamak aynı akım için 24 − 1,4 = 22,6 V ve yaklaşık 4300 dev/dak verir.

Simülatör BLDC motoru nasıl modeller?

Curvo Studio'nun fırçasız DC motor simülatörü kompakt bir eğitim modelidir. PWM, DC bara geriliminin görev oranıyla çarpımı olan ortalama uygulanan gerilimle temsil edilir. Kt ve Ke SI birimlerinde sayısal olarak eşit kabul edilir. Simülatör yükten, tork için gereken faz akımını (artı küçük bir boşta akımı) bulur, omik düşümü uygulanan gerilimden çıkararak zıt EMK'yı elde eder ve hızı bulmak için Kt'ye böler. Akım, anma akımının 4,5 katı ile kalkış akımından küçük olanla sınırlanır ve yük bundan fazlasını gerektirdiğinde motor kilitlenmiş olarak işaretlenir.

3B modelin varsayılan olarak sekiz kutuplu (dört kutup çiftli) kalıcı mıknatıslı rotoru, sabit U, V ve W stator sargıları ve üç Hall sensörlü bir kartı vardır. 3B modelin üzerindeki canlı bir satır, mevcut Hall kodunu ve hangi fazların iletimde, hangisinin açık olduğunu gösterir; rotor döndükçe fazlar sırayla vurgulanır. Simülatör, sensörsüz zıt EMK yöntemini, komütasyon tork dalgalanmasını ya da inverter anahtarlamasını ayrıntılı olarak modellemez.

BLDC motor simülatöründe deneyin

Fırçasız DC motor simülatörünü açın ve şu deneyleri yapın.

• 3B modelin üzerindeki canlı satırı izleyin: Hall kodu her 60 elektriksel derecede değişir ve iletimdeki çift onunla birlikte ilerler; bir faz hep açıktır.
• PWM görev oranını %100'e, sonra %50'ye ayarlayın ve Rotor hızını okuyun. Ortalama gerilimle ölçeklenir.
• Aynı etkiyi öbür yönden görmek için DC bara gerilimini değiştirin.
• Faz akımı ve Tork değerlerinin arttığını ve hızın biraz azaldığını görmek için Mekanik yük kaydırıcısını yükseltin. Motor kilitlenene kadar aşırı yükleyin.
• Komütasyon sırasını ABC ile ACB arasında değiştirin; rotor yön değiştirir.
• Elektriksel frekans değerini kontrol edin ve hız × kutup çifti / 60 ile karşılaştırın. Etiketteki Kutup çiftini değiştirin ve 3B rotorun değiştiğini görün.
• Stator alanının rotor mıknatıslarının önüne sıçradığını görmek için kesit görünümünde Manyetik alan katmanını açın.

Simülatörde deneyin