วิธีการควบคุม BLDC

โครงสร้างของมอเตอร์แบบไม่มีแปรงถ่าน
ก่อนอื่นมาทำความรู้จักกับแนวคิดบางอย่างกันก่อน จำนวนช่อง N และจำนวนขั้ว P ในมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน จำนวนช่อง N หมายถึงจำนวนขั้วแม่เหล็กไฟฟ้าบนสเตเตอร์ และจำนวนขั้ว P หมายถึงจำนวนขั้วแม่เหล็กบนโรเตอร์ มอเตอร์ที่มีโครงสร้าง 3N2P ที่ง่ายที่สุดคือมอเตอร์ไร้แปรงถ่านที่มีขั้วขดลวดสามขั้วบนสเตเตอร์และขั้วแม่เหล็กสองขั้วบนโรเตอร์ แผนผังของโครงสร้างสเตเตอร์ของมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน 3N2P มีดังนี้:

สเตเตอร์มีขดลวดสามชุด ได้แก่ A, B และ C ปลายด้านหนึ่งของขดลวดทั้งสามเชื่อมต่อกับจุดร่วม และปลายอีกด้านหนึ่งต่อสายสามเส้น ได้แก่ a, b และ c วางแม่เหล็กไว้ตรงกลางโรเตอร์ แล้วโครงสร้างมอเตอร์ไร้แปรงถ่านแบบเรียบง่ายที่สุดก็จะถูกสร้างขึ้น ดังแสดงด้านล่าง:
แน่นอนว่านี่เป็นเพียงมอเตอร์ 3 ช่อง 2 ขั้วที่เรียบง่ายที่สุด มอเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปจะเพิ่มจำนวนช่องและขั้วเพื่อให้การหมุนราบรื่นขึ้นและแรงบิดที่มากขึ้น โหมดการเชื่อมต่อของคอยล์สามารถเป็นการเชื่อมต่อแบบดาวหรือแบบเดลต้า ในเวลาเดียวกัน ตามโครงสร้างเชิงกล ไม่ว่าโรเตอร์จะอยู่ภายในหรือภายนอกมอเตอร์ ก็สามารถแบ่งออกเป็นมอเตอร์โรเตอร์ภายนอกและมอเตอร์โรเตอร์ภายในได้

หลักการขับเคลื่อนของมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน
หลังจากทำความเข้าใจโครงสร้างของมอเตอร์ไร้แปรงถ่านแล้ว มันหมุนอย่างไร? เรายังคงใช้มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน 3N2P ที่ง่ายที่สุดเป็นตัวอย่าง สมมติว่าในตอนแรกเราเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟบวกกับขั้ว a แหล่งจ่ายไฟลบกับขั้ว b และปล่อยขั้ว c ไว้ จากนั้นสนามแม่เหล็กที่สร้างโดยขดลวด A จะมุ่งไปทางซ้ายบน สนามแม่เหล็กที่สร้างโดยขดลวด B จะมุ่งขึ้นด้านบน และผลรวมเวกเตอร์ของสนามแม่เหล็กจะมุ่งไปทางซ้ายบน ภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กของขดลวด A และ B แม่เหล็กโรเตอร์จะหมุนตามทิศทางที่แสดงในรูป:
ในช่วงเวลาถัดไป เราเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟบวกกับขั้ว c แหล่งจ่ายไฟลบกับขั้ว b และปล่อยขั้ว a ไว้ชั่วคราว จากนั้นผลรวมเวกเตอร์ของสนามแม่เหล็กจะชี้ไปทางขวาบน และแม่เหล็กโรเตอร์จะหมุนจากตำแหน่ง 1 ในรูปต่อไปนี้ไปยังตำแหน่ง 2:
ในทำนองเดียวกัน ในลำดับถัดไปของ c+a-, a-b+, b+c-, c-a+, a+b-, b-c+ สำหรับแหล่งจ่ายไฟ แม่เหล็กโรเตอร์สามารถหมุนเป็นวงกลมได้ หลังจากเปลี่ยนกระแสทุกๆ 6 ครั้ง โรเตอร์จะหมุนหนึ่งวงกลม เนื่องจากขดลวดทั้งสามมีระยะห่างกัน 120° จึงไม่ใช่เรื่องยากที่จะสรุปว่าเมื่อขดลวดสองเส้นทำงานพร้อมกัน แรงบิดจะมากกว่าขดลวดเส้นเดียว √3 เท่า
ในวิธีการขับเคลื่อนข้างต้น ขดลวดสองเส้นจะถูกนำไฟฟ้าในแต่ละครั้ง จึงเรียกว่าโหมดขับเคลื่อน "การนำไฟฟ้าสอง-สอง" โดยสัมพันธ์กัน ยังมีโหมดที่ขดลวดสามเส้นถูกนำไฟฟ้าพร้อมกัน เรียกว่าโหมดขับเคลื่อน "การนำไฟฟ้าสาม-สาม" ตัวอย่างเช่น เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้อยู่ในสถานะ a+bc- เนื่องจากขดลวดทั้งสามจะสร้างสนามแม่เหล็ก แม่เหล็กสเตเตอร์จะหมุนไปยังตำแหน่งในรูปต่อไปนี้ (ขั้ว N อยู่ตรงข้ามกับขดลวด A โดยตรง):
นอกจากนี้ เนื่องจากกระแสในขดลวด A เท่ากับผลรวมของกระแสในขดลวด B และ C แรงบิดรวมจึงเท่ากับ 1.5 เท่าของแรงบิดของขดลวด A ไม่ยากเลยที่จะวิเคราะห์ว่าโหมดขับเคลื่อน "การนำไฟฟ้าสามเฟส" ยังต้องใช้ 6 ขั้นตอนในการหมุนหนึ่งรอบ หากเราควบคุมแรงดันไฟฟ้าของขดลวดตามลำดับตาม a+bc-, a+b-c+, ab-c+, a-b+c+, a-b+c-, a+b+c- สเตเตอร์ก็สามารถหมุนได้เช่นกัน

วงจรขับเคลื่อนมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน
ด้านบนนี้ เราได้วิเคราะห์วิธีการทำให้มอเตอร์ไร้แปรงถ่านสามเฟสหมุน โดยพื้นฐานแล้ว จำเป็นต้องจ่ายแรงดันไฟฟ้าบวกและลบไปที่จุดนำออกของคอยล์ทั้งสามตามลำดับ โดยทั่วไป วงจรฟูลบริดจ์สามเฟสหกแขนดังต่อไปนี้สามารถใช้เพื่อบรรลุเป้าหมายนี้ได้:
ตัวอย่างเช่น ในรูปด้านบน หาก Q1 และ Q4 เปิดอยู่และ Q4 ตัวอื่นไม่ได้เปิดอยู่ กระแสจะไหลจาก Q1 ผ่านขดลวดเฟส U จากนั้นจึงไหลจากขดลวดเฟส V ไปยัง Q4 ด้วยวิธีนี้ ขดลวดหนึ่งตัวจะได้รับพลังงาน ในทำนองเดียวกัน เมื่อเปิด Q5Q4, Q5Q2, Q3Q2, Q3Q6 และ Q1Q6 ตามลำดับ โหมดการทำงาน 6 ขั้นตอนของ "การนำไฟฟ้าสอง-สอง" ก็จะเสร็จสมบูรณ์ ในทำนองเดียวกัน สะพานเต็มเฟสสามเฟสยังสามารถบรรลุโหมดควบคุม "การนำไฟฟ้าสาม-สาม" ได้อีกด้วย
วงจรฟูลบริดจ์ข้างต้นเป็นเพียงการแนะนำเชิงทฤษฎี ในการใช้งานจริง ในระหว่างการควบคุม ทรานซิสเตอร์ MOS บนและล่างของแขนบริดจ์เดียวกันไม่ควรเปิดพร้อมกัน มิฉะนั้น อุปกรณ์จะไหม้ เราสามารถปิดทรานซิสเตอร์ MOS ของแขนบริดจ์บนก่อน จากนั้นเปิดทรานซิสเตอร์ MOS ของแขนบริดจ์ล่าง (หรือในทางกลับกัน) ซึ่งหลีกเลี่ยงเวลาการนำไฟฟ้าพร้อมกันของทรานซิสเตอร์ MOS บนและล่าง ความแตกต่างของเวลาโดยทั่วไปเรียกว่าเวลาตาย คลื่น PWM หลายตัวที่ส่งออกโดย MCU สามารถควบคุมขนาดของเวลาตายได้ ซึ่งสะดวกสำหรับการออกแบบของเรา