Les bases des moteurs BLDC

La compréhension et l'application du principe des moteurs DC sans balais haut rendement

Un moteur convertit l'énergie électrique en énergie mécanique fournie. Les moteurs à courant continu sans balais (BLDC) Ils offrent une efficacité élevée et une excellente contrôlabilité et sont largement utilisés dans de nombreuses applications.

Le type de moteur est plus simple la moteur brossé DC. Dans ce type de moteur, le courant électrique passant à travers les bobines disposées dans un champ magnétique fixe. Le courant génère des champs magnétiques dans les enroulements; Ceci fait tourner l'ensemble de bobine, étant donné que chaque bobine est repoussée loin du pôle similaire et tiré vers le pôle à la différence du champ fixe. Pour maintenir la rotation, vous devez constamment tourner la marée, de sorte que la polarité de la bobine est constamment au-dessus de basculement, entraînant les bobines continuent à “courir après” les pôles opposés. L'alimentation électrique des bobines est assurée par brosses conducteur fixe qui entrent en contact avec un interrupteur rotatif; Il est la rotation de l'interrupteur qui provoque l'inversion du courant à travers les bobines. Les brosses et sont collecteur les éléments clés qui distinguent le moteur à courant continu brossé par d'autres types de moteur. le chiffre 1 Il illustre le principe général du moteur brossé.figure 1: le fonctionnement du moteur à courant continu brossé.

Les balais fixes fournissent l'énergie électrique au commutateur rotatif. Lorsque la roue de commutation, inverse continuellement la direction du courant dans les bobines, inverser la polarité de la bobine de sorte que les bobines maintiennent la rotation vers la droite. Le commutateur tourne parce qu'il est relié au rotor sur lequel les bobines sont montées.

Types de moteur commun

Les moteurs diffèrent en fonction du type de source d'alimentation (CA o CC) et leur procédé de génération de la rotation (figure 2). dessous, examiner brièvement les caractéristiques et les utilisations de chaque type.figure 2: divers composants de moteurs

Les moteurs à courant continu brossé, caractérisé par un design simple et simple contrôle, Ils sont largement utilisés pour ouvrir et fermer le tiroir de CD / DVD / BLU-RAY. dans les voitures, Ils sont souvent utilisés pour se rétracter, étendre et positionner les miroirs latéraux au bloc d'alimentation. Le faible coût de ces moteurs les rend appropriés pour de nombreuses utilisations. un inconvénient, Toutefois, Il est que les brosses et les commutateurs ont tendance à s'user relativement rapidement en raison de leur contact permanent, nécessitant un remplacement fréquent et l'entretien périodique.

Un moteur pas à pas est entraîné par des impulsions; tourne à travers un angle spécifique (étape) à chaque impulsion. Etant donné que la rotation est contrôlée avec précision par le nombre d'impulsions reçues, Ces moteurs sont largement utilisés pour la mise en œuvre des ajustements de position. Ils sont souvent utilisés, par exemple, pour commander l'alimentation en papier dans les imprimantes, étant donné que ces dispositifs avancer le papier par pas fixes, qui sont facilement liés au comptage d'impulsions. Une pause peut également être facilement contrôlé, étant donné que la rotation du moteur est interrompue à l'instant où le signal d'impulsion est interrompu.

Avec des moteurs synchrones, la rotation est synchrone avec la fréquence du courant d'alimentation. Ces moteurs sont souvent utilisés pour conduire les plateaux rotatifs dans des fours à micro-ondes; engrenages de réduction de l'unité de moteur peut être utilisé pour obtenir la vitesse de rotation approprié. Même avec des moteurs à induction, la vitesse de rotation varie avec la fréquence; mais le mouvement n'est pas synchrone. Autrefois, ces moteurs étaient souvent utilisés dans les ventilateurs électriques et des machines à laver.

Parce que courir des moteurs BLDC?

Comme leur nom l'indique, Moteurs DC sans balais ne pas utiliser des brosses. Avec les moteurs à balais, brosses fournissent du courant à travers le commutateur dans les bobines sur le rotor. Donc, comment un moteur sans balais à courant passe dans les bobines de rotor? Ne pas le faire, parce que les bobines ne se trouvent pas sur le rotor. plutôt, le rotor est un aimant permanent; et les bobines ne tournent pas, mais au contraire, ils sont fixés en position sur le stator. Étant donné que les bobines ne se déplacent pas, il n'y a pas besoin de brosses et un collecteur. (voir la figure 3.)

figure 3: un moteur BLDC.

Etant donné que le rotor est un aimant permanent, il n'a pas besoin de puissance, éliminant ainsi le besoin de balais et le collecteur. Le courant des bobines fixes est commandé à partir de l'extérieur.

Avec le moteur brossé, la rotation est obtenu en contrôlant les champs magnétiques générés par les bobines sur le rotor, tandis que le champ magnétique généré par les aimants fixes reste fixe. Pour modifier la vitesse de rotation, Il modifie la tension aux bobines. Avec un moteur BLDC, Il est l'aimant permanent qui tourne; la rotation est obtenue en modifiant la direction des champs magnétiques générés par les bobines fixes qui entourent. Pour contrôler la rotation, Il ajuste l'amplitude et la direction du courant dans ces bobines.

Avantages des moteurs BLDC

Un moteur BLDC avec trois bobines du stator aura six fils électriques (deux pour chaque bobine) qui étendent à partir de ces bobines. Dans la plupart des trois implémentations de ces fils seront connectés en interne, avec les trois fils restants qui se prolongent à partir du corps du moteur (en contraste avec les deux fils qui se prolongent à partir du moteur précédemment décrit brosses). Le câblage dans les maisons du moteur BLDC est plus complexe que la simple connexion des bornes positive et négative à la puissance; Je vais examiner de plus près comment ces moteurs plus tard. Maintenant, je prends soin des avantages des moteurs BLDC.

Un grand avantage est la’efficacité, dans ces moteurs, ils doivent être en permanence à la force de rotation maximale (couple). Je frôlé les moteurs, au contraire, atteindre le couple maximum seulement à certains points de la rotation. Pour un moteur brossé produit le même couple d'un modèle sans balai, vous devez utiliser des aimants plus grands. Ceci est la raison pour laquelle peut fournir une puissance remarquable, même les petits moteurs BLDC.

Le deuxième grand avantage, liée à la première, est le contrôlabilité. Les moteurs BLDC peuvent être contrôlés, en utilisant des mécanismes de rétroaction, pour délivrer avec précision le couple et la vitesse de rotation souhaitée. Le contrôle de la précision à son tour réduit la consommation d'énergie et la production de chaleur et, dans les cas où les moteurs sont alimentés batterie, de la batterie prolonge la vie.

Les moteurs BLDC offrent également une grande durabilité et une faible génération de bruit électrique, grâce à l'absence de brosses. Avec les moteurs à balais, les balais et le collecteur usure due au contact continu en mouvement et produisent également des étincelles en cas de contact. Le bruit électrique, en particulier, Il est le résultat d'étincelles fortes qui ont tendance à se produire dans les zones où les brosses passent au-dessus des blancs du commutateur. Voilà pourquoi les moteurs BLDC sont souvent considérés comme préférables dans les applications où il est important d'éviter le bruit électrique.

Applications idéales pour moteurs BLDC

Nous avons vu que les moteurs BLDC offrent un rendement élevé et contrôlabilité, et ils ont une longue durée de vie. Alors, quelles sont? En raison de leur efficacité et la longévité, Ils sont largement utilisés dans les appareils qui fonctionnent en continu. Ils ont longtemps été utilisés dans les machines à laver, climatiseurs et autres appareils électroniques grand public; et plus récemment, Ils apparaissent dans les ventilateurs, où leur rendement élevé a contribué à une réduction significative de la consommation d'énergie.

Ils sont également utilisés pour guider les machines à vide.

Les moteurs BLDC sont également utilisés pour faire tourner l'unité de disque dur, lorsque leur durée maintient les disques opérationnels à long terme, de façon fiable, alors que leur efficacité énergétique contribue à réduire l'énergie dans une zone où cela devient de plus en plus importante.

Vers l'utilisation plus large à l'avenir

Nous pouvons nous attendre à voir les moteurs BLDC utilisés dans une gamme d'applications plus large à l'avenir. par exemple, Ils sont susceptibles d'être largement utilisé pour guider les robots de service: de petits robots qui fournissent des services dans des domaines autres que la fabrication. Vous pourriez penser que les moteurs pas à pas seraient plus appropriés pour ce type d'application, où les impulsions pourraient être utilisées pour commander le positionnement avec précision. Mais les moteurs BLDC sont mieux adaptés au contrôle de la force. Et avec un moteur pas à pas, maintenir la position d'une structure telle qu'un bras de robot, il faudrait un courant relativement importante et continue. Avec un moteur BLDC, tout ce qui serait nécessaire est un courant proportionnel à la force extérieure, permettant un contrôle plus efficace du point de vue énergétique. En plus de leur efficacité améliorée, Les moteurs BLDC sont également idéales pour les drones. Leur capacité à fournir un contrôle précis qui les rend particulièrement adapté pour les drones multicopter, dans lequel la garniture du drone est commandé contrôlant avec précision la vitesse de rotation de chaque rotor.

Nous avons vu comment les moteurs BLDC offrent une excellente efficacité, contrôlabilité et la longévité. Mais un contrôle minutieux et approprié est essentiel d'exploiter pleinement le potentiel de ces moteurs.

Les connexions sont plus compliquées

La figure ci-dessous montre l'apparence et la structure interne d'un type typique de moteur BLDC. Il convient de noter que l'aimant permanent de ce moteur est relié à son rotor et les bobines sont positionnées all'intermo. Etant donné que le rotor du moteur BLDC ne pas utiliser des bobines, Il n'a pas besoin d'alimentation électrique.

Mais les moteurs BLDC sont plus difficiles à conduire que les moteurs à balais. Avec un moteur brossé, tout ce que vous avez à faire est de connecter la source d'alimentation aux fils du moteur positif et négatif. Le moteur BLDC a un nombre différent de câbles, et la connexion est plus compliquée.

Tête vidéo d'un vieux magnétoscope noter les pièces polaires et le soudage sur la base des quatre pôles et la ville U-V-W, dans la partie supérieure d'un capteur à effet Hall utilisé pour la commande de rotation réelle. Avec le temps et l'évolution de la technologie, l'utilisation de la borne commune est perdu en faveur d'un système de direction plus complexe et efficace.

la commande de champ magnétique

Pour faire tourner un moteur BLDC, il est nécessaire de contrôler la direction et la synchronisation du courant dans les bobines. figure 4 (une) illustre un stator (bobine) et un rotor du moteur BLDC (aimants permanents). En utilisant cette illustration pour voir comment il va tourner le rotor. Dans cet exemple, j'utilise trois bobines, tandis que dans la pratique, il est plus fréquent Dispense selon six ou plus. Mais ici pour simplifier l'explication du principe de fonctionnement en utilisant seulement trois bobines, espacées à 120 °. Alors, comment tourner le moteur dans notre illustration? Regardons ce qui se passe à l'intérieur.

figure 4 (une): de la rotation du moteur BLDC Principe.

Nous marquons les bobines U, V e W. Rappelons que le passage d'un courant à travers une bobine génère un champ magnétique. Comme il y a trois bobines, Il y a trois voies par lesquelles nous pouvons passer le courant; Nous pouvons appeler ces phases U (Le courant dans la bobine), en fase (dans la bobine V) W e fase. Regardons d'abord à la phase U. Si les mouvements actuels que par U, le flux magnétique est généré comme indiqué par la flèche sur la figure. 4 . en réalité,, les trois bobines sont reliés entre eux, par un seul fil conducteur de chaque, et vous ne pouvez pas générer la phase U en vase clos. figure 4 (c) montre ce qui se passe lorsque le courant se déplace à travers les bobines U et W (phase “UW”), avec des flèches montrant le flux généré à nouveau chaque bobine. La grande flèche sur la figure 4 (ré) Il est le flux résultant, le résultat des champs magnétiques combinés de U et W.

figure 4 (c): de la rotation du moteur BLDC Principe. Le courant circulant à travers U et W. Les deux flèches indiquent l'écoulement généré par les bobines U et W, respectivement.

figure 4 (ré): de la rotation du moteur BLDC Principe. La grande flèche indique le flux résultant, l'écoulement de la somme des produits de U et W.

La rotation est maintenue passer en continu le flux de sorte que l'aimant permanent constamment chasser le champ magnétique tournant induite par les bobines. En d'autres termes, l'excitation de U, V et W doivent être allumés en permanence de telle sorte que le flux résultant continue à se déplacer, la production d'un champ tournant qui affecte de façon continue sur l'aimant de rotor.

le chiffre 5 montre la relation entre les phases sous tension et le flux. Comme vous pouvez le voir, le passage séquentiel à travers différentes combinaisons d'entrée tourne dans le sens horaire du rotor. La vitesse de rotation peut être contrôlée en contrôlant la vitesse à laquelle les phases changent. Nous utilisons le nom “contrôle de la conduction de 120 degrés” Procédé pour la commande décrite ici.

figure 5: La variation de l'écoulement résultant se déplacer en continu l'aimant de rotor, provoquant la rotation.

La commande sinusoïdale permet une rotation uniforme

Avec le contrôle de conduction 120 degrés, Il n'y a que six directions d'écoulement résultant pour le contrôle du moteur. par exemple, passage du mode 1 un 2 (voir fig. 5) Il se déplace la direction de l'écoulement résultant de 60 °, en tirant le rotor en conséquence. En passant du mode 2 un 3 déplace la direction de l'autre flux 60 °, en tirant à nouveau le rotor. La répétition de ce processus produit une rotation continue, mais il est une rotation un peu saccadé. Dans certains cas,, ce plan crée les vibrations indésirables et bruits mécaniques.

Comme alternative au contrôle de conduction 120 degrés, nous pouvons utiliser la commande d'onde sinusoïdale pour réaliser une opération en douceur, calme. Avec une commande conductrice 120 degrés, le moteur est commandé en faisant passer en continu à travers six flux résultant fixes. Et comme vous pouvez le voir dans la figure 4 (c), U et V génèrent à la fois des flux de grandeur égale. Toutefois, contrôler le courant dans le plus près U, V e W, nous pouvons générer différentes grandeurs de flux de chaque bobine, nous permettant de plus varier précisément le flux résultant. (voir Figure. 6.)

En régulant soigneusement le flux de courant dans chacune des trois phases, donc, nous pouvons obtenir un changement continu dans le flux résultant, résultant en rotation plus uniforme du moteur.

figure 6: contrôle sinusoïdale.

En contrôlant le courant dans les trois phases, l'amplitude et la direction de l'écoulement résultant peuvent être contrôlées avec plus de précision avec un contrôle conducteur 120 degrés, de manière à obtenir une rotation plus régulière. Le flux résultant ne se limite plus à six directions discrètes.

Commande par inverseur

Nous voyons à nouveau la nature du courant dans le U, V e W. Par souci de simplicité, nous allons voir comment cela fonctionne avec le contrôle de conduction 120 degrés. Revenant sur la figure 5, nous voyons que dans le mode 1 le courant circule à partir de U à W; mode 2, da U a V. Comme le montrent les flèches sur la figure, chaque changement de la combinaison de bobines sous tension entraîne une variation correspondante dans la direction d'écoulement.

voir maintenant le mode 4. Ici, nous avons le courant qui passe de W V; ceci est l'inverse du mode 1. Avec un moteur à courant continu brossé, ce type d'inversion du courant serait obtenue en utilisant des brosses et le collecteur. Les moteurs de BLCD ne peuvent pas, par définition, utiliser des brosses ou d'autres contacts mécaniques pour réaliser ce renversement.

Utilisation du circuit inverseur pour ajuster également la tension dans chaque bobine, nous pouvons également contrôler l'amplitude du courant. Un moyen typique pour régler la tension à la modulation de la largeur d'impulsion (PWM). Dans cette approche, On modifie la tension en étendant ou en réduisant la durée de l'état des impulsions (également connu sous le nom “cycle de service”: le temps ON exprimée comme un rapport de commutation de gamme ON + DE). L'augmentation du cycle de service a le même effet de la tension de collecte; réduire le cycle de travail a le même effet d'abaisser le courant. (voir Figure. 7.)

PWM peut être implémentée en utilisant MPU avec PWM matériel dédié. Alors que le contrôle de la conduction 120 degrés exige que le contrôle de tension en deux étapes et peuvent être mises en œuvre de manière relativement simple dans le logiciel, la commande sinusoïdale utilise le contrôle de la tension à trois phases et est considérablement plus compliquée. Le circuit de l'onduleur approprié est donc essentiel de faire fonctionner les moteurs BLDC. Notez que les onduleurs peuvent également être utilisés avec des moteurs à courant alternatif. Mais quand un terme comme “type d'onduleur” Il est utilisé en référence à l'électronique grand public, En général, il se réfère à un moteur BLDC.

figure 7: Uscita PWM vs. Tension de sortie. La variation du cycle de travail (le temps d'activation dans chaque période de commutation) modifier la tension efficace.

moteurs BLDC et des capteurs de position

Comme nous l'avons vu, Nous conduisons les moteurs BLDC en constante évolution de la directionnalité du flux produit par les bobines. Les aimants permanents sur le rotor à courir en continu le champ magnétique tournant, en faisant tourner le rotor.

jusqu'ici, Toutefois, nous n'avons pas examiné une autre caractéristique importante de ces moteurs: leurs capteurs de position. Etant donné que la commande du moteur BLDC doit être coordonnée avec la position du rotor (aimants), En général, ces moteurs comprennent également des capteurs pour détecter cette position. L'application de la peut provoquer la rotation dans la mauvaise direction en cours lorsque la position du rotor est inconnue. L'utilisation de capteurs empêche ce problème.

table 1 énumère les types typiques des moteurs utilisés dans ces capteurs. Plusieurs types de capteurs sont utilisés pour différentes méthodes de contrôle. Les éléments Hall, avec des entrées de signaux espacés 60 °, Ils sont les meilleurs pour les moteurs qui utilisent une commande de conduction 120 degrés, où tout ce qui est nécessaire est de déterminer dans quelle phase excitent. capteurs plus précis, en tant que résolveur et codeur optique, Ils sont plus appropriés avec des moteurs qui utilisent le contrôle vectoriel (voir ci-dessous), où l'écoulement est contrôlé plus finement.

Bien que ces capteurs offrent des avantages évidents, présente également des inconvénients. Certains capteurs ont une faible tolérance à la poussière et nécessitent un entretien régulier. D'autres fonctionnent correctement que sur une gamme limitée de températures. L'utilisation de capteurs et la mise en œuvre de tous les circuits associés augmentent les coûts de production; et les capteurs de haute précision sont évidemment plus cher. je “Motori BLDC sensorless” actuellement sur le marché éliminer complètement l'utilisation du capteur, de manière à réduire les coûts des pièces et de l'entretien.

table 1: les types et les caractéristiques du capteur de position

Le contrôle vectoriel maintient un rendement élevé

Comme nous l'avons vu, la commande sinusoïdale délivre une rotation uniforme en utilisant la douceur de courant triphasé pour commander l'écoulement. Lorsque le conducteur commande 120 degrés excitent seulement deux des trois phases (la, V e W) à tout moment, la commande sinusoïdale est considérablement plus compliquée, exactement parce qu'il doit distribuer différentes quantités de courant dans les trois phases.

Une façon de réduire cette complication est avec contrôle vectoriel , dans lequel les calculs sont utilisés pour convertir l'espace de coordonnées, vous permettant de gérer les valeurs AC DC triphasé en tant que valeurs 2 phases. Cette approche peut fonctionner, Toutefois, si des informations de position haute résolution est disponible pour ces calculs. Une façon d'obtenir cette information grâce à l'utilisation de capteurs de haute précision (codeurs optiques, résoudre, etc.). une autre façon “sensorless” Il est l'estimation de la position en fonction de l'intensité du courant dans chaque phase. Dans les deux cas, la conversion de l'espace de coordonnées permet le contrôle direct du courant électrique en corrélation avec le couple, permettant une opération très efficace avec peu d'énergie gaspillée.

La mise en œuvre de la lutte antivectorielle exige des mathématiques de traitement intensif, y compris la capacité de résoudre rapidement les fonctions trigonométriques nécessaires pour convertir l'espace de coordonnées. Le MCU utilisé pour contrôler ces moteurs comprennent généralement un FPU (unité à virgule flottante) et doit être en mesure de fournir une puissance de traitement importante.

Avec cela, je pense que j'ai fourni un large aperçu des moteurs BLDC, certainement pas tout a été dit et ne sera pas complètement exhaustive, mais, maintenant tout le monde vous dira au sujet de ces moteurs vous trouverez absolument pas préparés.

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