راه اندازی موتور براشلس با اسپید کنترل

موتور براشلس و ESC چگونه کار می‌کنند

در این آموزش راه اندازی موتور براشلس با اسپید کنترل را یاد خواهیم گرفت . در این مقاله اصل کار یک موتور DC براشلس و ESC (کنترل‌کننده سرعت الکترونیک) ‏را یاد می‌گیریم، و در بخش دوم یاد می‌گیریم که چگونه موتور BLDC را با استفاده از آردوینو کنترل کنیم.

چگونه کار می‌کند

یک موتور BLDC شامل دو بخش اصلی است، یک استاتور و یک روتور. برای این شرح، روتور یک آهن ربای دائمی با دو قطب است، در حالی که استاتور شامل پیچ‌هایی است که در تصویر زیر نشان‌داده شده‌است.

همه ما می‌دانیم که اگر جریان را از طریق یک سیم‌پیچ اعمال کنیم، میدان مغناطیسی تولید خواهد کرد و خطوط میدان مغناطیسی یا قطب‌ها به جهت جریان بستگی دارند.

بنابراین اگر ما جریان مناسب را اعمال کنیم، سیم‌پیچ یک میدان مغناطیسی تولید خواهد کرد که آهن‌ربای دائمی روتور را جذب خواهد کرد. حال اگر ما هر سیم‌پیچ را یکی پس از دیگری فعال کنیم، روتور به دلیل تعامل نیرو بین آهن ربای دائمی و آهن ربای الکتریکی، به چرخش ادامه خواهد داد.

به منظور افزایش بازده موتور، می‌توانیم دو سیم‌پیچ مخالف را به عنوان یک سیم‌پیچ واحد پیچش دهیم به طوری که قطب‌های مخالف را در برابر قطب‌های روتور تولید کند، در نتیجه نیروی جاذبه دو برابر خواهیم داشت.

با این پیکربندی ما می‌توانیم شش قطب روی استاتور را تنها با سه سیم پیچ یا فاز تولید کنیم. ما می‌توانیم بازده را با انرژی دادن به دو سیم‌پیچ در یک زمان بیشتر افزایش دهیم. به این ترتیب یک سیم‌پیچ جذب خواهد شد و سیم‌پیچ دیگر روتور را دفع خواهد کرد.

برای اینکه روتور یک چرخه کامل ۳۶۰ درجه داشته باشد، به شش مرحله یا فاصله نیاز دارد.

اگر نگاهی به شکل موج جریان بیندازیم متوجه می‌شویم که در هر بازه یک فاز با جریان مثبت وجود دارد، یک فاز با جریان منفی و فاز سوم خاموش می‌شود. این به ما این ایده را می‌دهد که می‌توانیم نقاط پایانی آزاد هر یک از سه فاز را به هم متصل کنیم و بنابراین می‌توانیم جریان بین آن‌ها را به اشتراک بگذاریم یا از یک جریان واحد برای انرژی دادن همزمان دو فاز استفاده کنیم.
این یک مثال است. اگر فاز A را بالا بکشیم، یا آن را به ولتاژ مثبت DC، با نوعی از کلید، برای مثال MOSFET، متصل کنیم، و در طرف دیگر، فاز B را به ground متصل کنیم، آنگاه جریان از VCC، از طریق فاز A، نقطه خنثی و فاز B، به ground جاری خواهد شد. بنابراین، تنها با یک جریان واحد ما چهار قطب مختلف را تولید کردیم که باعث می‌شود روتور حرکت کند.

با این پیکربندی ما در واقع یک اتصال ستاره‌ای از فازهای موتور داریم، که در آن نقطه خنثی به صورت داخلی متصل است و سه انتهای دیگر فازها از موتور خارج می‌شوند و به همین دلیل موتور براشلس دارای سه سیم است که از آن خارج می‌شوند.

بنابراین، برای اینکه روتور چرخه کامل داشته باشد، تنها باید دو MOSFET صحیح را در هر ۶ بازه فعال کنیم و این همان چیزی است که ESCها در واقع در مورد آن هستند.

یک ESC چگونه کار می‌کند (‏کنترل‌کننده سرعت الکترونیکی)

یک ESC یا یک کنترل‌کننده سرعت الکترونیکی، حرکت موتور براشلس یا سرعت را با فعال‌سازی MOSFET های مناسب برای ایجاد میدان مغناطیسی چرخشی کنترل می‌کند به طوری که موتور می‌چرخد. هر چه فرکانس یا سرعت ESC بیشتر باشد، سرعت موتور بیشتر خواهد بود. ما همچنین در پروژه های آموزش رباتیک خود از اسپید کنترل استفاده خواهیم کرد.

با این حال، در اینجا یک سوال مهم مطرح می‌شود، و ما چگونه می‌دانیم که چه زمانی باید کدام فاز را فعال کنیم. پاسخ این است که ما باید موقعیت روتور را بدانیم و دو روش معمول برای تعیین موقعیت روتور وجود دارد.
اولین روش رایج با استفاده از سنسورهای Hall-effect جاسازی‌شده در استاتور است که به طور مساوی ۱۲۰ یا ۶۰ درجه از یکدیگر مرتب شده‌اند.

همانطور که آهن رباهای دائمی روتور سنسورهای Hall-effect را می‌چرخانند، میدان مغناطیسی را حس می‌کنند و منطقی “بالا” برای یک قطب مغناطیسی یا منطقی “پایین” برای قطب مخالف تولید می‌کنند. با توجه به این اطلاعات، ESC می‌داند که چه زمانی دنباله یا بازه تبدیل بعدی را فعال کند.
دومین روش رایج مورد استفاده برای تعیین موقعیت روتور، از طریق سنجش نیروی محرکه الکتریکی برگشتی یا EMF برگشتی است. EMF برگشتی در نتیجه فرآیند دقیق مخالف تولید میدان مغناطیسی رخ می‌دهد و یا هنگامی که یک میدان مغناطیسی در حال حرکت یا در حال تغییر از میان یک سیم‌پیچ عبور می‌کند، جریانی را در سیم‌پیچ القا می‌کند.

بنابراین، هنگامی که میدان مغناطیسی در حال حرکت روتور از سیم‌پیچ آزاد عبور می‌کند، یا آنچه که فعال نیست، جریان در سیم‌پیچ را القا می‌کند و در نتیجه یک افت ولتاژ در آن سیم‌پیچ رخ می‌دهد. ESC این افت ولتاژ را همانطور که رخ می‌دهد ثبت می‌کند و براساس آن‌ها زمانی که فاصله بعدی باید رخ دهد، پیش بینی یا محاسبه می کند.
بنابراین این اصل اساسی کار موتورهای DC براشلس و ESC ها است و حتی اگر ما تعداد قطب‌های روتور و استاتور را افزایش دهیم، یکسان است. ما هنوز یک موتور سه‌فاز خواهیم داشت، تنها تعداد فواصل برای تکمیل یک چرخه کامل افزایش خواهد یافت.

در اینجا همچنین می‌توانیم اشاره کنیم که موتورهای BLDC می‌توانند inrunners یا outrunners باشند. یک موتور براشلس آهن رباهای دائمی در داخل الکترو مغناطیس‌ها دارد، و برعکس، یک موتور outrunner دارای آهن رباهای دائمی خارج از الکترو مغناطیس‌ها است. دوباره، آن‌ها از یک اصل کاری یکسان استفاده می‌کنند و هر کدام از آن‌ها نقاط قوت یا ضعف خاص خود را دارند.

خب، این نظریه کافی است، پس بیایید در زندگی واقعی آنچه را که در بالا توضیح دادیم ببینیم. برای این منظور، ما سه فاز یک موتور براشلس را به یک اسیلوسکوپ متصل خواهیم کرد. من ۳ مقاومت را در یک نقطه برای ایجاد یک نقطه خنثی مجازی متصل کردم و از طرف دیگر آن‌ها را به سه فاز موتور BLDC متصل کردم.

اولین چیزی که در اینجا می‌توانیم به آن توجه کنیم، سه موج سینوسی است. این امواج سینوسی در واقع EFM برگشتی تولید شده در فازها در زمانی هستند که فعال نیستند.

می‌توانیم ببینیم که با تغییر RPM موتور، فرکانس امواج سینوسی و همچنین دامنه آن‌ها تغییر می‌کند. هر چه RPM بالاتر باشد، فرکانس و دامنه امواج سینوسی EMF برگشتی بیشتر خواهد بود. با این حال، چیزی که موتور را هدایت می‌کند در واقع این قله‌ها هستند، که فازهای فعالی هستند که میدان مغناطیسی در حال تغییر را تولید می‌کنند.

ما می‌توانیم متوجه شویم که در هر فاصله، دو فاز فعال و یک فاز غیر فعال وجود دار. برای مثال، در اینجا ما فاز A و B فعال داریم، در حالی که فاز C غیر فعال است. سپس فاز A و C فعال داریم، در حالی که فاز B غیر فعال است، و غیره.
دراینجا من قدردانی می کنم از Banggood.com که برای من اسیلوسکوپ را فراهم کرد. این یکDS1054Z ریگول است و یکی از بهترین اسیلوسکوپ های سطح ورودی برای نقطه ارزش آن است. چهار کانال ورودی دارد، پهنای باند ۵۰ مگاهرتز، که قابلیت هکرداری به ۱۰۰ مگاهرتز را دارد، دارای نرخ نمونه‌برداری 1 GSa / s و عمق حافظه نسبتا بزرگ ۲۴ مگاپیکسل است.

صفحه نمایش ۷ اینچ است و واقعاً خوب و روشن است. این ویژگی عملکردهای مختلف ریاضی، فیلترهای عبور پایین و عبور بالا، رمزگشایی SPI و I2C و بسیاری موارد دیگر را نشان می‌دهد.
با این حال، این اصل اساسی کار موتور براشلس است.

امیدوارم از این آموزش لذت برده باشید و چیز جدیدی یاد بگیرید. لطفاً در زیر بخش نظرات هر سؤالی دارید بپرسید و فراموش نکنید که مجموعه پروژه‌های آردینو من را بررسی کنید.