Nozioni di base sui motori BLDC

Comprensione del principio e dell’applicazione dei motori CC senza spazzole ad alta efficienza

Un motore converte l’energia elettrica fornita in energia meccanica. I motori CC senza spazzole (BLDC) offrono alta efficienza ed eccellente controllabilità e sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni.

Il tipo più semplice di motore è il motore DC spazzolato. In questo tipo di motore, la corrente elettrica passa attraverso bobine disposte all’interno di un campo magnetico fisso. La corrente genera campi magnetici nelle bobine; ciò fa ruotare il gruppo bobina, poiché ogni bobina viene spinta via dal polo simile e tirata verso il polo dissimile del campo fisso. Per mantenere la rotazione, è necessario invertire continuamente la corrente, in modo che le polarità della bobina si ribaltino continuamente, facendo sì che le bobine continuino a “rincorrere” i poli opposti. L’alimentazione alle bobine viene fornita tramite spazzole conduttive fisse che entrano in contatto con un commutatore rotante; è la rotazione del commutatore che provoca l’inversione della corrente attraverso le bobine. Il commutatore e le spazzole sono i componenti chiave che distinguono il motore a corrente continua spazzolato da altri tipi di motore. La figura 1 illustra il principio generale del motore spazzolato.Figura 1: Funzionamento del motore CC spazzolato.

Le spazzole fisse forniscono energia elettrica al commutatore rotante. Quando il commutatore ruota, capovolge continuamente la direzione della corrente nelle bobine, invertendo le polarità della bobina in modo che le bobine mantengano la rotazione verso destra. Il commutatore ruota perché è collegato al rotore su cui sono montate le bobine.

Tipi di motore comuni

I motori differiscono in base al tipo di alimentazione (CA o CC) e al loro metodo di generazione della rotazione (Figura 2). Di seguito, esaminiamo brevemente le caratteristiche e gli usi di ciascun tipo.Figura 2: diversi tipi di motori

I motori DC spazzolati, caratterizzati da un design semplice e un controllo semplice, sono ampiamente utilizzati per aprire e chiudere i vassoi dei dischi CD/DVD/BLURAY. Nelle auto, vengono spesso utilizzate per retrarre, estendere e posizionare gli specchietti laterali ad alimentazione elettrica. Il basso costo di questi motori li rende adatti a molti usi. Un inconveniente, tuttavia, è che le spazzole e i commutatori tendono a consumarsi relativamente rapidamente come risultato del loro continuo contatto, richiedendo frequenti sostituzioni e manutenzione periodica.

Un motore passo-passo è azionato da impulsi; ruota attraverso un angolo specifico (passo) con ciascun impulso. Poiché la rotazione è controllata in modo preciso dal numero di impulsi ricevuti, questi motori sono ampiamente utilizzati per implementare le regolazioni posizionali. Sono spesso utilizzati, ad esempio, per controllare l’alimentazione della carta nelle stampanti, poiché questi dispositivi alimentano la carta in passaggi fissi, che sono facilmente correlati al conteggio degli impulsi. La pausa può anche essere facilmente controllata, poiché la rotazione del motore si interrompe istantaneamente quando il segnale di impulso viene interrotto.

Con i motori sincroni, la rotazione è sincrona con la frequenza della corrente di alimentazione. Questi motori sono spesso utilizzati per guidare i vassoi rotanti nei forni a microonde; gli ingranaggi di riduzione nel gruppo motore possono essere utilizzati per ottenere le velocità di rotazione appropriate. Anche con motori a induzione, la velocità di rotazione varia con la frequenza; ma il movimento non è sincrono. In passato, questi motori venivano spesso utilizzati nei ventilatori elettrici e nelle lavatrici.

Perché i motori BLDC girano?

Come suggerisce il loro nome, i motori DC brushless non usano spazzole. Con i motori spazzolati, le spazzole forniscono corrente attraverso il commutatore nelle bobine sul rotore. Quindi, come fa un motore brushless a passare corrente alle bobine del rotore? Non lo fa, perché le bobine non si trovano sul rotore. Invece, il rotore è un magnete permanente; e bobine non ruotano, ma sono invece fissate in posizione sullo statore. Poiché le bobine non si muovono, non c’è bisogno di spazzole e di un commutatore. (Vedi figura 3.)

Figura 3: un motore BLDC.

Poiché il rotore è un magnete permanente, non ha bisogno di corrente, eliminando la necessità di spazzole e commutatore. La corrente alle bobine fisse è controllata dall’esterno.

Con il motore spazzolato, la rotazione si ottiene controllando i campi magnetici generati dalle bobine sul rotore, mentre il campo magnetico generato dai magneti stazionari rimane fisso. Per cambiare la velocità di rotazione, si modifica la tensione per le bobine. Con un motore BLDC, è il magnete permanente che ruota; la rotazione si ottiene cambiando la direzione dei campi magnetici generati dalle bobine stazionarie circostanti. Per controllare la rotazione, si regola la grandezza e la direzione della corrente in queste bobine.

Vantaggi dei motori BLDC

Un motore BLDC con tre bobine sullo statore avrà sei fili elettrici (due per ogni bobina) che si estendono da queste bobine. Nella maggior parte delle implementazioni tre di questi fili saranno collegati internamente, con i tre fili rimanenti che si estendono dal corpo del motore (in contrasto con i due fili che si estendono dal motore a spazzole descritto in precedenza). Il cablaggio nel case del motore BLDC è più complicato del semplice collegamento dei terminali positivo e negativo alla alimentazione; esaminerò più da vicino come funzionano questi motori più avanti. Ora mi occupo dei vantaggi dei motori BLDC.

Un grande vantaggio è l’efficienza, in questi motori vanno continuamente alla massima forza di rotazione (coppia). I motori spazzolati, al contrario, raggiungono la coppia massima solo in certi punti della rotazione. Affinché un motore a spazzole produca la stessa coppia di un modello brushless, è necessario utilizzare magneti più grandi. Questo è il motivo per cui anche i piccoli motori BLDC possono fornire una notevole potenza.

Il secondo grande vantaggio, legato al primo, è la controllabilità. I motori BLDC possono essere controllati, utilizzando meccanismi di retroazione, per erogare con precisione la coppia e la velocità di rotazione desiderate. Il controllo di precisione a sua volta riduce il consumo di energia e la generazione di calore e, nei casi in cui i motori sono alimentati a batteria, allunga la durata della batteria.

I motori BLDC offrono anche un’alta durata e una bassa generazione di rumore elettrico, grazie alla mancanza di spazzole. Con i motori a spazzole, le spazzole e il commutatore si logorano a causa del contatto continuo in movimento e producono anche scintille in caso di contatto. Il rumore elettrico, in particolare, è il risultato delle forti scintille che tendono a verificarsi nelle aree in cui i pennelli passano sopra gli spazi vuoti del commutatore. Questo è il motivo per cui i motori BLDC sono spesso considerati preferibili in applicazioni in cui è importante evitare il rumore elettrico.

Applicazioni ideali per motori BLDC

Abbiamo visto che i motori BLDC offrono alta efficienza e controllabilità e che hanno una lunga vita operativa. Quindi a cosa servono? A causa della loro efficienza e longevità, sono ampiamente utilizzati in dispositivi che funzionano continuamente. Sono stati a lungo utilizzati in lavatrici, condizionatori d’aria e altri dispositivi elettronici di consumo; e più recentemente, stanno comparendo nei ventilatori, dove la loro alta efficienza ha contribuito a una significativa riduzione del consumo di energia.

Sono anche utilizzati per guidare le macchine per il vuoto.

I motori BLDC vengono utilizzati anche per ruotare le unità disco rigido, dove la loro durata mantiene gli azionamenti operativi in modo affidabile a lungo termine, mentre la loro efficienza energetica contribuisce alla riduzione dell’energia in un’area in cui questo diventa sempre più importante.

Verso un utilizzo più ampio in futuro

Possiamo aspettarci di vedere i motori BLDC utilizzati in una gamma più ampia di applicazioni in futuro. Ad esempio, saranno probabilmente ampiamente utilizzati per guidare i robot di servizio: piccoli robot che forniscono servizi in settori diversi dalla produzione. Si potrebbe pensare che i motori passo-passo sarebbero più adatti in questo tipo di applicazione, dove gli impulsi potrebbero essere utilizzati per controllare con precisione il posizionamento. Ma i motori BLDC sono più adatti al controllo della forza. E con un motore passo-passo, mantenere la posizione di una struttura come un braccio robotico richiederebbe una corrente relativamente ampia e continua. Con un motore BLDC, tutto ciò che sarebbe necessario è una corrente proporzionale alla forza esterna, consentendo un controllo più efficiente dal punto di vista energetico. Oltre alla loro migliore efficienza, I motori BLDC sono ideali anche per i droni. La loro capacità di fornire un controllo di precisione li rende particolarmente adatti per i droni multirotore, in cui l’assetto del drone è controllato controllando con precisione la velocità di rotazione di ciascun rotore.

Abbiamo visto come i motori BLDC offrono eccellente efficienza, controllabilità e longevità. Ma un controllo attento e corretto è essenziale per sfruttare appieno il potenziale di questi motori.

Le connessioni sono più complicate

La figura sottostante mostra l’aspetto e la struttura interna di un tipico tipo di motore BLDC. Si noti che il magnete permanente di questo motore è collegato al suo rotore e le bobine sono posizionate all’intermo. Poiché il rotore del motore BLDC non utilizza bobine, non necessita alimentazione.

Ma i motori BLDC sono più difficili da guidare rispetto ai motori spazzolati. Con un motore spazzolato, tutto ciò che devi fare è collegare la sorgente di alimentazione ai cavi positivo e negativo del motore. Il motore BLDC ha un diverso numero di cavi, e la connessione è più complicata.

Testina video di un vecchio videoregistratore si notino le espansioni polari e la saldatura sulla basetta dei quattro poli Comune più U-V-W, nell’angolo in alto un sensore Hall usato per controllo della effettiva rotazione. Col tempo e con la evoluzione della tecnologia l’uso del terminale comune si è perso a favore di un più complesso ed efficiente sistema di pilotaggio.

Controllo del campo magnetico

Per ruotare un motore BLDC, è necessario controllare la direzione e i tempi della corrente nelle bobine. La Figura 4 (a) illustra uno statore (bobine) del motore BLDC e un rotore (magneti permanenti). Uso questa illustrazione per vedere come viene fatto girare il rotore. In questo esempio uso tre bobine, mentre in pratica è più comune usarne sei o più. Ma qui per semplicità di spiegazione del principio di funzionamento uso solo tre bobine, distanziate a 120 °. Quindi come fa il motore nella nostra illustrazione a ruotare? Diamo un’occhiata a cosa succede dentro.

Figura 4 (a): Principio di rotazione del motore BLDC.

Etichettiamo le bobine U, V e W. Ricorda che il passaggio di una corrente attraverso una bobina genera un campo magnetico. Poiché ci sono tre bobine, ci sono tre percorsi attraverso i quali possiamo passare corrente; possiamo chiamare queste fasi U (corrente nella bobina U), fase V (nella bobina V) e fase W. Diamo prima un’occhiata alla fase U. Se la corrente si muove solo attraverso U, il flusso magnetico viene generato come mostrato dalla freccia in Fig. 4 . In realtà, tutte e tre le bobine sono interconnesse, attraverso un unico filo conduttore da ciascuna, e non è possibile generare la fase U in isolamento. La Figura 4 (c) mostra cosa succede quando la corrente si muove attraverso le bobine U e W (fase “UW”), con le frecce che mostrano nuovamente il flusso generato ad ogni bobina. La freccia larga nella Figura 4 (d) è il flusso risultante, il risultato dei campi magnetici combinati di U e W.

Figura 4 (c): Principio di rotazione del motore BLDC. La corrente scorre attraverso U e W. Le due frecce mostrano il flusso generato dalle bobine U e W, rispettivamente.

Figura 4 (d): Principio di rotazione del motore BLDC. L’ampia freccia mostra il flusso risultante, la somma del flusso prodotto da U e W.

La rotazione viene mantenuta passando continuamente il flusso in modo che il magnete permanente insegua costantemente il campo magnetico rotante indotto dalle bobine. In altre parole, l’energizzazione di U, V e W deve essere continuamente commutata in modo che il flusso risultante continui a muoversi, producendo un campo rotante che influisce continuamente sul magnete del rotore.

La figura 5 mostra la relazione tra fasi energizzate e flusso. Come potete vedere, il passaggio sequenziale attraverso varie combinazioni di alimentazione farà ruotare il rotore in senso orario. La velocità di rotazione può essere controllata controllando la velocità con cui le fasi cambiano. Usiamo il nome “controllo di conduzione a 120 gradi” per il metodo di controllo qui descritto.

Figura 5: Il cambiamento del flusso risultante sposta continuamente il magnete del rotore, provocando la rotazione.

Il controllo sinusoidale consente una rotazione uniforme

Con il controllo di conduzione a 120 gradi, ci sono solo sei direzioni di flusso risultanti per il comando del motore. Ad esempio, passando dalla Modalità 1 alla 2 (vedi Fig. 5) si sposta la direzione del flusso risultante di 60 °, tirando il rotore di conseguenza. Passando dalla modalità 2 alla 3 si sposta la direzione del flusso di altri 60 °, tirando nuovamente il rotore. La ripetizione di questo processo genera una rotazione continua, ma è una rotazione un po ‘a scatti. In alcuni casi, questo scatto crea vibrazioni indesiderate e rumore meccanico.

Come alternativa al controllo di conduzione a 120 gradi, possiamo utilizzare il controllo sinusoidale per ottenere un funzionamento più fluido e silenzioso. Con un controllo conduttivo a 120 gradi, il motore viene controllato passando continuamente attraverso sei flussi risultanti fissi. E come potete vedere nella Figura 4 (c), U e V generano entrambi flussi di uguale magnitudine. Tuttavia, controllando più attentamente la corrente in U, V e W, possiamo generare diverse grandezze di flusso su ciascuna bobina, permettendoci di variare più precisamente il flusso risultante. (Vedi Fig. 6.)

Regolando attentamente il flusso di corrente in ciascuna delle tre fasi, quindi, possiamo ottenere un cambiamento più continuo nel flusso risultante, con conseguente rotazione del motore più uniforme.

Figura 6: controllo sinusoidale.

Controllando la corrente in tutte e tre le fasi, la magnitudine e la direzione del flusso risultante possono essere controllate in modo più preciso con un controllo conduttivo a 120 gradi, in modo da ottenere una rotazione più regolare. Il flusso risultante non è più limitato a sei direzioni discrete.

Controllo tramite inverter

Vediamo di nuovo la natura della corrente in U, V e W. Per semplicità, vediamo come funziona con il controllo di conduzione a 120 gradi. Guardando indietro alla Figura 5, vediamo che nella Modalità 1 la corrente scorre da U a W; in Modalità 2, da U a V. Come mostrano le frecce nella figura, ogni cambiamento nella combinazione di bobine energizzate provoca una variazione corrispondente nella direzione del flusso.

Ora guarda la modalità 4. Qui abbiamo corrente che si sposta da W a V; questo è l’inverso della modalità 1. Con un motore a cc spazzolato, questo tipo di inversione di corrente si otterrebbe utilizzando spazzole e commutatore. I motori BLCD non possono per definizione utilizzare spazzole o altri contatti meccanici per ottenere questo inversione.

Usando il circuito inverter per regolare anche la tensione in ogni bobina, possiamo anche controllare l’ampiezza della corrente. Un modo tipico per regolare la tensione è con la modulazione della larghezza di impulso (PWM). In questo approccio, modifichiamo la tensione allungando o riducendo il tempo di ON degli impulsi (noto anche come “duty cycle”: il tempo ON espresso come rapporto dell’intervallo di commutazione ON + OFF). Aumentare il ciclo di lavoro ha lo stesso effetto dell’innalzamento della tensione; ridurre il ciclo di lavoro ha lo stesso effetto di abbassare la corrente. (Vedi Fig. 7.)

PWM può essere implementato usando MPU dotate di hardware PWM dedicato. Mentre il controllo di conduzione a 120 gradi richiede solo il controllo della tensione a due fasi e può essere implementato in modo relativamente semplice nel software, il controllo sinusoidale utilizza il controllo della tensione trifase ed è notevolmente più complicato. L’appropriata circuiteria dell’inverter è quindi essenziale per azionare i motori BLDC. Si noti che gli inverter possono essere utilizzati anche con motori CA. Ma quando un termine come “tipo di inverter” viene utilizzato con riferimento all’elettronica di consumo, di solito si riferisce a un motore BLDC.

Figura 7: Uscita PWM vs. Tensione di uscita. La variazione del ciclo di lavoro (il tempo di attivazione entro ciascun periodo di commutazione) modifica la tensione effettiva.

Motori BLDC e sensori di posizione

Come abbiamo visto, guidiamo i motori BLDC cambiando continuamente la direzionalità del flusso prodotto dalle bobine. I magneti permanenti sul rotore inseguono continuamente il campo magnetico rotante, facendo ruotare il rotore.

Finora, tuttavia, non abbiamo esaminato un’altra importante caratteristica di questi motori: i loro sensori posizionali. Poiché il controllo del motore BLDC deve essere coordinato con la posizione del rotore (magnete), in genere questi motori includono anche sensori per rilevare questa posizione. L’applicazione della corrente quando la posizione del rotore è sconosciuta può causare la rotazione nella direzione sbagliata. L’uso di sensori previene questo problema.

La Tabella 1 elenca i tipi tipici di sensori utilizzati in questi motori. Diversi tipi di sensori vengono utilizzati per diversi metodi di controllo. Gli elementi Hall, con ingressi di segnale distanziati di 60 °, sono i migliori per i motori che usano un controllo di conduzione a 120 gradi, dove tutto ciò che è necessario è determinare quale fase eccitare. Sensori più precisi, come resolver e encoder ottici, sono più appropriati con i motori che usano il controllo vettoriale (vedi sotto), dove il flusso è controllato più finemente.

Anche se i sensori offrono vantaggi evidenti, presentano anche degli svantaggi. Alcuni sensori hanno una bassa tolleranza alla polvere e richiedono una manutenzione regolare. Altri funzionano correttamente solo su un intervallo limitato di temperature. L’uso di sensori e l’implementazione di tutti i circuiti associati aumentano i costi di produzione; e i sensori ad alta precisione sono ovviamente i più costosi. I “motori sensorless BLDC” attualmente sul mercato eliminano completamente l’uso del sensore, in modo da ridurre i costi di parti e manutenzione.

Tabella 1: tipi e caratteristiche del sensore di posizione

Il controllo vettoriale mantiene alta l’efficienza

Come abbiamo visto, il controllo sinusoidale eroga una rotazione uniforme utilizzando la corrente trifase per controllare dolcemente il flusso. Quando il controllo conduttivo a 120 gradi eccita solo due delle tre fasi (U, V e W) in qualsiasi momento, il controllo sinusoidale è considerevolmente più complicato, poiché deve distribuire esattamente quantità diverse di corrente a tutte e tre le fasi.

Un modo per ridurre questa complicazione è con il controllo vettoriale , in cui i calcoli vengono utilizzati per convertire lo spazio delle coordinate, consentendo di gestire i valori CA trifase come valori CC a 2 fasi. Questo approccio può funzionare, tuttavia, solo se sono disponibili informazioni posizionali ad alta risoluzione per questi calcoli. Un modo per ottenere queste informazioni è attraverso l’uso di sensori ad alta precisione (encoder ottici, resolver, ecc.). Un altro modo “sensorless” è la stima della posizione basata sulla grandezza della corrente in ciascuna fase. In entrambi i casi, la conversione dello spazio delle coordinate consente il controllo diretto della corrente elettrica correlata alla coppia, consentendo un funzionamento altamente efficiente con poca corrente sprecata.

L’implementazione del controllo vettoriale richiede un’elaborazione matematica intensiva, inclusa la capacità di risolvere rapidamente le funzioni trigonometriche necessarie per convertire lo spazio delle coordinate. L’MCU utilizzato per controllare questi motori includerà generalmente una FPU (unità a virgola mobile) e deve essere in grado di fornire una notevole potenza di elaborazione.

Con questo penso di aver fornito una ampia panoramica sui motori BLDC, certamente non è stato detto tutto e non sarà stato completamente esaustivo ma, ora chiunque vi parlerà di questi motori non vi troverà completamente impreparati.

Amilcare