چگونه BLDC را کنترل کنیم

ساختار موتورهای براشلس
ابتدا، بیایید چند مفهوم را معرفی کنیم. تعداد شیارها N و تعداد قطب‌ها P در یک موتور بدون جاروبک. تعداد شیارها N به تعداد قطب‌های آهنربای الکتریکی روی استاتور و تعداد قطب‌ها P به تعداد قطب‌های مغناطیسی روی روتور اشاره دارد. ساده‌ترین موتور با ساختار 3N2P یک موتور بدون جاروبک با سه قطب سیم‌پیچ روی استاتور و دو قطب مغناطیسی روی روتور است. نمودار شماتیک ساختار استاتور یک موتور بدون جاروبک 3N2P به شرح زیر است:

استاتور سه مجموعه سیم‌پیچ دارد: A، B و C. یک سر این سه سیم‌پیچ به یک نقطه مشترک متصل است و سر دیگر آن سه سیم a، b و c را به بیرون هدایت می‌کند. یک آهنربا را به عنوان روتور در مرکز قرار دهید و ساده‌ترین ساختار موتور بدون جاروبک، همانطور که در زیر نشان داده شده است، شکل می‌گیرد:
البته، این فقط ساده‌ترین موتور ۲ قطبی ۳ شیاره است. موتورهای رایج، تعداد شیارها و قطب‌ها را افزایش می‌دهند تا چرخش نرم‌تر و گشتاور بزرگتر شود. حالت اتصال سیم‌پیچ‌ها می‌تواند اتصال ستاره یا مثلث باشد. در عین حال، با توجه به ساختار مکانیکی، چه روتور داخل موتور باشد و چه خارج آن، می‌توان آن را به موتورهای روتور خارجی و موتورهای روتور داخلی تقسیم کرد.

اصول رانندگی موتورهای بدون جاروبک
پس از درک ساختار موتور بدون جاروبک، نحوه چرخش آن چگونه است؟ ما همچنان ساده‌ترین موتور بدون جاروبک 3N2P را به عنوان مثال در نظر می‌گیریم. فرض کنید در ابتدا، منبع تغذیه مثبت را به ترمینال a، منبع تغذیه منفی را به ترمینال b وصل می‌کنیم و ترمینال c را به حالت تعلیق می‌گذاریم. سپس میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ A به سمت چپ بالا، میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ B به سمت بالا و مجموع برداری میدان‌های مغناطیسی به سمت چپ بالا هدایت می‌شود. تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی سیم‌پیچ‌های A و B، آهنربای روتور در جهت نشان داده شده در شکل می‌چرخد:
در لحظه بعد، منبع تغذیه مثبت را به ترمینال c و منبع تغذیه منفی را به ترمینال b وصل می‌کنیم و ترمینال a را به صورت معلق می‌گذاریم. سپس مجموع برداری میدان‌های مغناطیسی به سمت بالا و راست هدایت می‌شود و آهنربای روتور از موقعیت ۱ در شکل زیر به موقعیت ۲ خواهد چرخید:
به طور مشابه، در توالی بعدی c+a-، a-b+، b+c-، c-a+، a+b-، b-c+ برای منبع تغذیه، آهنربای روتور می‌تواند به صورت دایره‌ای بچرخد. پس از هر 6 سوئیچ جریان، روتور یک دایره می‌چرخد. از آنجایی که سه سیم‌پیچ 120 درجه از هم فاصله دارند، نتیجه‌گیری اینکه وقتی دو سیم‌پیچ به طور همزمان هدایت می‌کنند، گشتاور √3 برابر یک سیم‌پیچ واحد است، دشوار نیست.
در روش راه اندازی فوق، هر بار دو سیم پیچ هدایت می‌شوند، بنابراین به آن حالت راه اندازی "هدایت دو-دو" می‌گویند. به طور نسبی، حالتی نیز وجود دارد که در آن سه سیم پیچ به طور همزمان هدایت می‌شوند که به آن حالت راه اندازی "هدایت سه-سه" می‌گویند. به عنوان مثال، هنگامی که ولتاژ اعمال شده در حالت a+bc- باشد، از آنجایی که هر سه سیم پیچ میدان مغناطیسی تولید می‌کنند، آهنربای استاتور به موقعیت شکل زیر می‌چرخد (قطب N مستقیماً روبروی سیم پیچ A است):
علاوه بر این، از آنجایی که جریان در سیم‌پیچ A برابر با مجموع جریان‌ها در سیم‌پیچ‌های B و C است، گشتاور کل ۱.۵ برابر گشتاور سیم‌پیچ A است. تجزیه و تحلیل این موضوع که حالت رانندگی "هدایت سه-سه" نیز برای تکمیل یک چرخش به ۶ مرحله نیاز دارد، دشوار نیست. اگر ولتاژ سیم‌پیچ را به ترتیب طبق a+bc-، a+b-c+، ab-c+، a-b+c+، a-b+c-، a+b+c- کنترل کنیم، استاتور نیز می‌تواند بچرخد.

مدار راه اندازی موتورهای بدون جاروبک
در بالا، ما نحوه چرخاندن یک موتور سه فاز بدون جاروبک را بررسی کردیم. در اصل، این کار نیاز به اعمال ولتاژهای مثبت و منفی به ترتیب به نقاط خروجی سه سیم‌پیچ دارد. به طور کلی، یک مدار تمام پل شش بازویی سه فاز به شرح زیر می‌تواند برای دستیابی به این هدف استفاده شود:
برای مثال، در شکل بالا، اگر Q1 و Q4 روشن باشند و بقیه روشن نباشند، جریان از Q1 از طریق سیم‌پیچ فاز U و سپس از سیم‌پیچ فاز V به Q4 جاری می‌شود. به این ترتیب، یک سیم‌پیچ انرژی‌دار می‌شود. به طور مشابه، با روشن کردن متوالی Q5Q4، Q5Q2، Q3Q2، Q3Q6 و Q1Q6، حالت کاری ۶ مرحله‌ای "هدایت دو-دو" تکمیل می‌شود. به طور مشابه، پل کامل سه فاز نیز می‌تواند به حالت کنترل "هدایت سه-سه" دست یابد.
مدار تمام پل فوق فقط یک مقدمه نظری است. در کاربردهای عملی، در حین کنترل، ترانزیستورهای MOS بالایی و پایینی یک بازوی پل نباید همزمان روشن شوند، در غیر این صورت دستگاه‌ها می‌سوزند. می‌توانیم ابتدا ترانزیستور MOS بازوی پل بالایی را خاموش کنیم و سپس ترانزیستور MOS بازوی پل پایینی را روشن کنیم (یا برعکس)، که از زمان هدایت همزمان ترانزیستورهای MOS بالایی و پایینی جلوگیری می‌کند. این اختلاف زمانی معمولاً زمان مرده نامیده می‌شود. بسیاری از امواج PWM خروجی توسط MCUها می‌توانند اندازه زمان مرده را کنترل کنند، که برای طراحی ما مناسب است.