בואו נדבר תחילה על העיקרון הבסיסי של המנוע. ניתן לדלג ישירות על היסודות.
כולם שיחקו עם מגנטים כשהיו צעירים. קטבים שונים מושכים זה את זה, ושני המגנטים התנגשו ברגע שהתקרבו.
עכשיו נניח שהידיים שלך מהירות מספיק כדי לפתות מולך עם מגנט אחד, והמגנט השני עוקב אחריך כל הזמן.
אתה מחזיק את המגנט ביד ומצייר עיגולים, והמגנט השני עוקב אחריך במעגלים.
האמור לעיל הוא העיקרון הבסיסי של סיבוב מנוע. רק שה"מגנט" המשמש לפתות אינו מגנט אמיתי, אלא שדה מגנטי שנוצר מהסליל המופעל.
1. הקדמה של מנוע DC ללא מברשות
מנוע DC ללא מברשות, קיצור באנגלית הוא BLDC (Brushless Direct Current Motor). הסטטור (החלק הנע) של המנוע הוא הסליל, או המתפתל. הרוטור (החלק שמסתובב) הוא מגנט קבוע, שהוא מגנט. על פי מיקום הרוטור, המיקרו-מחשב בעל שבב יחיד משמש לשליטה באנרגיית כל סליל, כך שהשדה המגנטי שנוצר על ידי הסליל משתנה, כדי לפתות ללא הרף את הרוטור בחזית לגרום לרוטור להסתובב. זהו עקרון הסיבוב של מנוע DC ללא מברשות. בואו נצלול פנימה.
2. עקרון העבודה הבסיסי של מנוע DC ללא מברשות
2.1. מבנה של מנוע DC ללא מברשות
נתחיל קודם עם הסלילים הבסיסיים ביותר.
כפי שמוצג מטה. אפשר להבין סליל כמשהו שצומח כמו קפיץ. לפי כלל הספירלה הימנית שנלמד בחטיבת הביניים, כאשר הזרם זורם מלמעלה לתחתית הסליל, הקוטביות העליונה של הסליל היא N, והקוטביות התחתונה היא S.
עכשיו תעשה עוד סליל כזה. ואז להתעסק עם העמדה. כך, אם הזרם עובר דרכו, הוא יפעל כאילו יש שני אלקטרומגנטים.
קבל עוד אחד כדי ליצור את הפיתול התלת פאזי של המנוע.
יחד עם הרוטור העשוי ממגנטים קבועים, זהו מנוע DC ללא מברשות.
2.2. מעגל העברת זרם של מנוע DC ללא מברשות
הסיבה לכך שמנוע DC נטול מברשות משתמש רק בזרם ישר וללא מברשות היא בגלל שיש מעגל חיצוני לשלוט ספציפית על האנרגיה של הסלילים שלו. המרכיב העיקרי של מעגל המרת זרם זה הוא ה-FET (Tenver-Effect Transitor). ניתן לחשוב על FET כעל מתג. התרשים שלהלן מציין את ה-FETs כ-AT (A-phase Top), AB (A-phase Bottom), BT, BB, CT, CB. ה"פתיחה והסגירה" של ה-FET נשלטת על ידי המיקרו-בקר.
2.3. תהליך החזרה נוכחי של מנוע DC ללא מברשות
תזמון ה"פתיחה והסגירה" של ה-FET נשלט על ידי המיקרו-בקר. שיטת ההעברה הנוכחית הנפוצה ביותר היא שישה שלבים קוממוטציה, המתורגמת כ"התמורה בשישה שלבים". כעת צור מערכת קואורדינטות. תהליך ההעברה בן ששת השלבים הוא כדלקמן.
2.4. כיצד מסתובב הרוטור של מנוע DC ללא מברשות?
הוא מסתמך על העברת שישה שלבים כדי ליצור שדה מגנטי מסתובב שמפתה ללא הרף מול הרוטור. ממש כמו היד בתחילת הכתבה שאוחזת במגנט ומציירת עיגולים. אם אתה מסתכל על כיוון השדה המגנטי שנוצר והיכן נמצא הרוטור, זה ברור במבט חטוף.
אתה מבין, קוטב S של השדה המגנטי שנוצר חיכה מול הקוטב N של הרוטור.
כל עוד תופס התזמון של הפעלת הסליל, כיוון השדה המגנטי הסינתטי הוא תמיד לפני המיקום של הרוטור, והרוטור תמיד יבוא בעקבותיו.
3. כיצד לקבוע את עיתוי ההחלפה?
כפי שצוין לעיל, המפתח לשליטה על סיבוב הרוטור הוא העברת הזרם העובר דרך הסליל כאשר הרוטור מסתובב לזווית מתאימה, כך שכיוון השדה המגנטי שנוצר משתנה, מושך את הרוטור וגורם לסיבוב של הרוטור. .
כיצד יש לתפוס את העיתוי של המעבר הנוכחי הזה? כלומר, איך אני יודע לאן הרוטור מסתובב עכשיו? רק כשאני יודע איפה הרוטור אני יכול לדעת לאיזה חשמל דו פאזי להתחבר.
למעשה, ישנן דרכים רבות לשפוט את מיקום הרוטור, עם חיישן או בלי חיישן. בואו נדבר תחילה על החיישן, והחיישן בדרך כלל משתמש בחיישן Hall.
3.1. אשר את מיקום הרוטור באמצעות החיישן
3.1.1. חיישני אולם
חיישני הול יכולים לזהות שינויים בעוצמת השדה המגנטי באמצעות אפקט הול. על פי כלל יד שמאל שנלמד בפיזיקה בתיכון (המשמש לקביעת כיוון הכוח של מוליך טעון בשדה מגנטי), בלולאה שבה נמצא חיישן הול, השדה המגנטי מסיט את תנועת החלקיקים הטעונים, והחלקיקים הטעונים "פגעו" באולם יש הבדל פוטנציאלי בין שני הצדדים של החיישן. בשלב זה, ניתן לחבר מד מתח לשני הצדדים של חיישן הול כדי לזהות שינוי מתח זה, ובכך לזהות את השינוי בעוצמת השדה המגנטי. העיקרון מוצג באיור למטה.
3.1.2. איך חיישני הול מקבלים את מיקום הרוטור?
עם חיישן הול, ניתן לדעת בערך את מיקומו של הרוטור. חיישני הול מותקנים בדרך כלל כל 120 מעלות, או כל 60 מעלות. ההנחה הבאה היא שההתקנה היא כל 120 מעלות.
ההנחה היא שכאשר קוטב ה-N של הרוטור חוצה את אזור החישה של חיישן ההול, מתח המוצא של חיישן ההול גבוה (בדרך כלל 5V). אחרת הוא נמוך.
לפי הרמות של HA, HB ו-HC, ניתן לדעת את זווית המיקום של הרוטור. לדוגמה, אם HA גבוה, HB נמוך ו-HC נמוך, נוכל לדעת שהרוטור נמצא בזווית חשמלית בין 180 מעלות ל-240 מעלות (הקשר בין הזווית החשמלית לזווית המכנית בפועל יידון בהמשך ). בעת שימוש ב-3 חיישני Hall, הרזולוציה היא 60 מעלות של זווית חשמלית. כלומר, אני יכול רק לדעת שהמיקום הנוכחי של הרוטור הוא בטווח של 60 מעלות זווית חשמלית, אבל אנחנו לא יודעים בדיוק כמה מעלות.
3.1.3. הקשר בין זוויות חשמליות למכניות
למרות שזה קצת מוזר להכניס לכאן ידע כל כך קטן, אני עדיין מרגיש שזה נחוץ כי הרגשתי שזה לא קל להבין כשאני לומד. זה עשוי להיות קל יותר להבין עם הדוגמה של חיישן הול כאן.
הזווית המכנית היא הזווית שרוטור המנוע מסובב בפועל.
הקשר בין הזווית החשמלית לזווית המכנית קשור למספר זוגות הקטבים של הרוטור.
מכיוון שהשדה המגנטי שנוצר מהסליל מושך למעשה את הקטבים המגנטיים של הרוטור. אז עבור בקרת הסיבוב של המנוע, אכפת לנו רק מהזווית החשמלית.
זווית חשמלית=מספר זוגות מוט x זווית מכנית
3.2. שיטה להערכת מיקום הרוטור ללא חיישן
הבור הזה קצת גדול, ותחילה תדלג על התשובה הזו.
4. מהירות סיבוב וכיוון סיבוב של מנוע DC ללא מברשות
4.4. כיצד לשלוט בכיוון הסיבוב של מנוע DC ללא מברשות?
ניתן לשנות את סדר המעבר הנוכחי. תן לשדה המגנטי המסונתז על ידי הסליל להסתובב בכיוון ההפוך.
4.5. כיצד לשלוט במהירות של מנוע DC ללא מברשות?
ככל שהמתח על פני הסליל גדול יותר, כך הזרם דרך הסליל גדול יותר, השדה המגנטי שנוצר חזק יותר, והרוטור מסתובב מהר יותר.
מכיוון שהמתח המחובר הוא DC, אנו משתמשים בדרך כלל ב-PWM (Pulse Width Modulation) כדי לשלוט במתח על פני הסליל. העיקרון הפשוט של PWM הוא כדלקמן.
לכן, כאשר מנוע ה-DC ללא מברשות מופעל, ה-PWM שנוצר על ידי המיקרו-שבב הבודד משמש לשליטה מתמשכת על הפתיחה והסגירה של ה-FET, כך שניתן להפעיל את הסליל שוב ושוב ולהוציא את האנרגיה שלו. אם זמן האנרגיה ארוך (החובה גדולה), המתח המקביל בשני קצוות הסליל יהיה גדול, חוזק השדה המגנטי שנוצר יהיה חזק יותר והרוטור יסתובב במהירות; אם זמן האנרגיה קצר (החובה קטנה), המתח המקביל בשני קצוות הסליל יהיה קטן, ועוצמת השדה המגנטי הנוצר תהיה קטנה. ככל שהוא חלש יותר, הרוטור מסתובב לאט יותר.
צורת הגל PWM מחוברת לשער של ה-FET כדי לשלוט בפתיחה ובסגירה של ה-FET. נניח שכאשר המתח בשער גבוה, ה-FET סגור ומופעל; כאשר המתח בשער נמוך, ה-FET כבוי ואינו מופעל.
בנוסף, ה-FET העליון והתחתון באותו פאזה חייבים להיות נשלטים על ידי צורות גל PWM בפאזה הפוכה כדי למנוע מה-FET העליון והתחתון להיות מופעלים בו-זמנית, מה שגורם לזרם לא לעבור דרך המנוע אלא להיות אותו דבר למעלה ולמטה, וכתוצאה מכך לקצר חשמלי. צורת הגל PWM השולטת ב-FET היא כדלקמן.
