كيف تعمل محركات DC (BLDC)

يفصل المنشور بشكل شامل مفهوم التشغيل الأساسي لمحركات التيار المستمر التي لا تحتوي على فرش والتي تسمى أيضًا محرك BLDC.

الفرق بين محرك DC المصقول وبدون فرش

في محركاتنا التقليدية المصقولة ، يتم استخدام الفرشاة من أجل تبديل الدوار المتحرك المركزي فيما يتعلق بالجزء الثابت الثابت من المغناطيس الدائم المحيط.

تصبح الفرشاة ضرورية لأن الدوار مصنوع باستخدام مغناطيس كهربائي يحتاج إلى طاقة لتشغيله ولكن نظرًا لأنه يحتاج أيضًا إلى تدوير الأشياء ، تصبح الفرشاة هي البديل الوحيد لتزويد الدوار الكهرومغناطيسي بالطاقة.

على العكس من ذلك ، في محركات DC بدون فرشات أو محركات BLDC ، لدينا جزء ثابت مركزي ودوار دائري محيط. يتكون الجزء الثابت من مجموعة من المغناطيسات الكهربائية بينما يحتوي الجزء المتحرك على مغناطيس دائم مثبت عبر محيطه في مواقع محسوبة معينة.

استخدام مجسات تأثير هول

تحتوي الآلية أيضًا على مستشعر تأثير هول يتم تثبيته لاستشعار موضع الدوار ومغناطيسه فيما يتعلق بالمغناطيس الكهربائي للجزء الثابت وإبلاغ البيانات إلى دائرة تبديل خارجية والتي تصبح بعد ذلك مسؤولة عن تنشيط / إلغاء تنشيط المغناطيسات الكهربائية في التسلسل أو التوقيت الصحيحين ، مما يؤثر على حركة الدوران على الدوار.

يمكن فهم الشرح أعلاه بمساعدة الرسم التوضيحي الأساسي التالي ثم من خلال تصميم مفصل في الصور اللاحقة.

لقد تعلمنا وعرفنا بعض الأشياء المثيرة للاهتمام حول المغناطيس وكيفية تفاعل هذه الأجهزة.

نحن نعلم أن القطب الشمالي للمغناطيس يجذب القطب الجنوبي لمغناطيس آخر بينما تتنافر مثل الأقطاب.

كيف يتم وضع المغناطيس الدائم

في الرسم البياني الموضح أعلاه ، نرى قرصًا به مغناطيس مدمج عند حافته (كما هو موضح باللون الأحمر) والذي يتم وضعه مع القطب الشمالي المواجه للخارج ، وأيضًا مغناطيس كهربائي موضوع بالقرب من الحافة الدائرية للقرص مما ينتج عنه المجال المغناطيسي الجنوبي عند تنشيطه.

الآن بافتراض وضع الترتيب كما هو موضح في الرسم التخطيطي العلوي الأول مع وجود المغناطيس الكهربائي في حالة معطلة.

في هذا الموضع بمجرد تنشيط المغناطيس الكهربائي بإدخال مناسب للتيار المستمر ، فإنه يصل ويولد مجالًا مغناطيسيًا جنوبيًا يؤثر على قوة سحب على مغناطيس القرص والذي بدوره يجبر القرص على الدوران مع بعض عزم الدوران حتى يتماشى مغناطيسه الدائم مع المغناطيسات الكهربائية خطوط معاكسة للتدفق.

يوضح الإجراء أعلاه التنسيق الأساسي الذي يعمل به مفهوم BLDC.

كيف يعمل محرك BLDC مع مستشعرات تأثير القاعة

الآن دعنا نرى كيف يتم تنفيذ المفهوم أعلاه فعليًا باستخدام مستشعرات تأثير هول من أجل الحفاظ على حركة مستمرة فوق الدوار.

يوضح الرسم البياني المثال التالي الآلية بشكل شامل:

في الرسم البياني أعلاه ، نرى أساسًا ترتيبًا مباشرًا للدوار / الجزء الثابت من BLDC ، حيث يكون العنصر الدائري الخارجي هو الدوار الدوار بينما يصبح المغناطيس الكهربائي المركزي هو الجزء الثابت الثابت.

يمكن رؤية الجزء المتحرك به زوجان من المغناطيس الدائم مثبتان على الأطراف التي لها القطب الجنوبي كخطوط مؤثرة للتدفق ، والجزء الثابت المركزي عبارة عن مغناطيس كهربائي قوي مصمم لتوليد قوة مكافئة من التدفق المغناطيسي للقطب الشمالي عند تنشيطه باستخدام DC خارجي.

يمكننا أيضًا تصور مستشعر القاعة الموجود بالقرب من أحد أركان محيط الدوار الداخلي. يستشعر تأثير القاعة المجال المغناطيسي للعضو الدوار ويغذي الإشارة إلى دائرة تحكم مسؤولة عن تغذية المغناطيس الكهربائي للجزء الثابت.

بالإشارة إلى الموضع العلوي ، نرى المنطقة الفارغة (الخالية من أي مجال مغناطيسي) للدوار على اتصال وثيق مع مستشعر القاعة مما يبقيه في حالة إيقاف التشغيل.

في هذه اللحظة ، تقوم إشارة إيقاف التشغيل من تأثير القاعة بإعلام دائرة التحكم بتشغيل المغناطيسات الكهربائية ، مما يؤدي على الفور إلى إحداث تأثير سحب على القطب الجنوبي الدوار الذي يقف حول الزاوية.

عندما يحدث هذا ، ينزل القطب الجنوبي لأسفل منتِجًا عزم الدوران المطلوب على الدوار ويحاول محاذاة نفسه وفقًا للقطب الشمالي للمغناطيس الكهربائي.

ومع ذلك ، في هذه العملية ، يسحب القطب الجنوبي للدوار نفسه أيضًا بالقرب من مستشعر القاعة (كما هو موضح في الرسم التخطيطي السفلي) والذي يكتشف ذلك على الفور ويقوم بتشغيله لإعلام دائرة التحكم بإيقاف تشغيل المغناطيسات الكهربائية.

إيقاف تشغيل وقت المغناطيس الكهربائي أمر بالغ الأهمية

إن إيقاف تشغيل المغناطيسات الكهربائية في اللحظة المناسبة كما هو موضح بواسطة مستشعر تأثير القاعة يحظر المماطلة وإعاقة حركة الدوار ، بل يسمح لها بالاستمرار في الحركة من خلال عزم الدوران المتولد حتى يبدأ الوضع السابق في التشكيل وحتى القاعة 'يشعر' المستشعر مرة أخرى بالمنطقة الفارغة من الدوار ويتم إيقاف تشغيله لتكرار الدورة.

يؤدي التبديل أعلاه لمستشعر القاعة وفقًا لمواضع الدوار المختلفة إلى إحداث حركة دورانية مستمرة مع توك التي قد تتناسب طرديًا مع التفاعلات المغناطيسية للجزء الثابت / الدوار ، وبالطبع موضع تأثير القاعة.

توضح المناقشات أعلاه أهم مغناطيسين أساسيين وآلية استشعار القاعة الواحدة.

من أجل تحقيق عزم دوران أعلى بشكل استثنائي ، يتم استخدام المزيد من المغناطيسات ومجموعات المغناطيسات الكهربائية في محركات أخرى بدون فرش ذات كفاءة أعلى حيث يمكن رؤية أكثر من مستشعر تأثير القاعة لتنفيذ استشعار متعدد لمغناطيس الدوار بحيث يمكن تبديل مجموعات مختلفة من المغناطيسات الكهربائية عند التسلسل الصحيح المفضل.

كيفية التحكم في محرك BLDC

حتى الآن فهمنا مفهوم العمل الأساسي لـ محركات BLDC وتعلمت كيفية استخدام مستشعر Hall لتنشيط المغناطيس الكهربائي للمحرك من خلال دائرة إلكترونية خارجية متصلة للحفاظ على حركة دوران مستمرة للدوار ، في القسم التالي سوف ندرس كيفية عمل دائرة سائق BLDC بالفعل للتحكم في محركات BLDC

تضمن طريقة تنفيذ مغناطيس كهربائي ثابت ودوار مغناطيسي حر دوار كفاءة معززة لمحركات BLDC مقارنة بالمحركات التقليدية المصقولة التي لها الهيكل المعاكس تمامًا وبالتالي تتطلب فرشًا لعمليات المحرك. يجعل استخدام الفرشاة الإجراءات غير فعالة نسبيًا من حيث العمر الطويل والاستهلاك والحجم.

عيوب محرك BLDC

على الرغم من أن أنواع BLDC قد تكون أكثر مفهوم المحرك كفاءة ، إلا أن لها عيبًا واحدًا مهمًا يتطلب دائرة إلكترونية خارجية لتشغيلها. ومع ذلك ، مع ظهور الدوائر المتكاملة الحديثة وأجهزة استشعار القاعة الحساسة ، تبدو هذه المشكلة الآن تافهة للغاية عند مقارنتها بدرجة الكفاءة العالية التي ينطوي عليها هذا المفهوم.

4 Magnet BLDC Driver التصميم

نناقش في هذا المقال دائرة تحكم بسيطة وأساسية لمحرك BLDC من نوع مستشعر رباعي المغناطيس ، ومستشعر قاعة واحدة. يمكن فهم تشغيل المحرك من خلال الرجوع إلى مخطط آلية المحرك التالي:

تُظهر الصورة أعلاه ترتيب محرك BLDC أساسي به مجموعتان من المغناطيس الدائم عبر محيط دوار خارجي ومجموعتين من المغناطيس الكهربائي المركزي (A ، B ، C ، D) كعضو ساكن.

من أجل بدء واستدامة عزم الدوران ، يجب أن تكون المغناطيسات الكهربائية A أو B أو C أو D في حالة تنشيط (أبدًا معًا) اعتمادًا على مواضع القطبين الشمالي / الجنوبي لمغناطيس الدوار فيما يتعلق بالمغناطيسات الكهربائية المنشطة.

كيف يعمل BLDC Motor Driver

لكي نكون دقيقين ، دعنا نفترض الموضع الموضح في السيناريو أعلاه مع A و B في حالة التبديل ON بحيث يتم تنشيط الجانب A بالقطب الجنوبي بينما يتم تنشيط الجانب B بالقطب الشمالي.

هذا يعني أن الجانب أ سيكون له تأثير سحب على القطب الشمالي الأزرق الأيسر له وتأثير صد على القطب الجنوبي الأيمن من الجزء الثابت ، وبالمثل فإن الجانب B سوف يسحب القطب الجنوبي الأحمر السفلي ويصد الشمال العلوي قطب الدوار .... يمكن بعد ذلك افتراض أن العملية برمتها تمارس حركة رائعة في اتجاه عقارب الساعة فوق آلية الدوار.
لنفترض أيضًا أنه في الحالة المذكورة أعلاه ، يكون مستشعر القاعة في حالة معطلة لأنه قد يكون جهاز استشعار هول 'مفعل بالقطب الجنوبي'.

سيحاول التأثير أعلاه محاذاة وإجبار الدوار بحيث يقفل الجنوب وجهاً لوجه مع الجانب B بينما القطب الشمالي مع الجانب A ، ولكن قبل أن يكون هذا الموقف قادرًا على العرض ، يتم إحضار مستشعر Hall بالقرب من تحويل القطب الجنوبي العلوي للدوار ، وعندما ينتقل هذا فقط عبر مستشعر القاعة ، يتم إجباره على التبديل إلى وضع التشغيل ، وإرسال إشارة موجبة إلى دائرة التحكم المتصلة التي تستجيب على الفور وتطفئ المغناطيس الكهربائي A / B ، وتبديل المغناطيس الكهربائي C / D ، التأكد من أن عزم الدوران في اتجاه عقارب الساعة يتم فرضه مرة أخرى للحفاظ على عزم دوران ثابت على الدوار.

حلبة سائق BLDC الأساسية

يمكن تنفيذ التبديل الموضح أعلاه للمغناطيسات الكهربائية استجابةً لإشارة تشغيل مستشعر القاعة ببساطة شديدة باستخدام فكرة دائرة التحكم المباشرة التالية BLDC.

لا تحتاج الدائرة إلى الكثير من التفسير نظرًا لأنها أساسية للغاية ، أثناء التبديل في حالات مستشعر القاعة ، يتم تشغيل BC547 و TIP122 المقترن في المقابل والذي بدوره يقوم بتشغيل المجموعات المقابلة من المغناطيسات الكهربائية المرفقة عبر مجمعها والإيجابي ، أثناء فترات إيقاف تشغيل مستشعر Hall ، يتم إيقاف تشغيل زوج BC547 / TIP122 ، ولكن يتم تشغيل الترانزستور TIP122 أقصى اليسار لتنشيط المجموعات المعاكسة للمغناطيس الكهربائي.

يتم تبديل الوضع بالتناوب ، بشكل مستمر طالما بقيت الطاقة مطبقة مع الحفاظ على دوران BLDC مع عزم الدوران والزخم المطلوب.