I det här inlägget undersöker vi vad som är en BLDC-motor och därefter lär vi oss om utformningen av en sensorfri BLDC-motorförare-krets.
BLDC CPU-fläktar
Sett de snabbt rörliga fläktarna i processorer, spänningsstabilisatorer, DVD-spelare och annan liknande utrustning, som fungerar med största möjliga effektivitet, förbrukar minimalt utrymme, ström och ändå kan leverera de viktiga operationerna som anges för den specifika utrustningen?
Ja, det här är alla moderna versioner av BLDC-fläktar eller borstlösa likströmsmotorer som är mycket överlägsna än de gamla traditionella borstade motorerna.
Bild med tillstånd: https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_fan#/media/File:Geh%C3%A4usel%C3%BCfter.jpg
En BLDC-motor kräver emellertid en sofistikerad drivarkrets, och ja alla dessa CPU-fläktar innehåller dessa inbyggda drivarmoduler, även om dessa verkar vara lätta att använda med en vanlig likström, internt är systemet redan utrustat med en smart krets.
BLDC Motor Driver
Här kommer vi att lära oss om en sådan smart BLDC-motorförare-krets, med ett DRV10963-chip för att köra vilken liten BLDC-motor som helst med otrolig effektivitet, och senare i en av de kommande artiklarna kommer vi att se hur denna IC-krets kan uppgraderas för att köra även de kraftfulla BLDC: erna med hög ström som de som är används i fyrhjulingar.
Men innan detta skulle det vara intressant att lära sig lite om BLDC-motorer.
Skillnaden mellan borstade och borstlösa likströmsmotorer
Skillnaden mellan en borstad motor och en borstlös motor och verkningsgraden är ganska uppenbar.
Eftersom borstade motorer har själva lindningsarmaturen rör sig mellan magneter måste de använda 'borstar' (gnuggkontakter) så att de rörliga spolens terminaler kan ta emot matningsspänningen konsekvent utan att själva behöva nå matningskällan, vilket annars skulle göra att fungerar omöjligt och äventyrar verksamheten.
I en borstlös motor rör sig spolen eller lindningen aldrig och är konstant, här bär rotorn en uppsättning permanentmagneter och roterar under påverkan av omgivande lindnings magnetiska flöden.
Eftersom magneten är fri från allt krångel och kan arbeta utan att involvera terminaler för att hantera eller ta emot ström, kan den gå utan problem, snurra i snabb hastighet och praktiskt taget på ljudlös nivå.
Men det finns en fångst här. För att få en elektromagnet att reagera på en permanentmagnets flöden måste det ske en konstant förskjutning av magnetfas eller poler, så att de två motsvarigheterna konstant kan reagera och gå igenom en motstående kraft och därigenom frigöra den erforderliga vridkraften över rotorn och kör rotationen med det resulterande vridmomentet.
I en borstad motor blir detta lättare på grund av den självjusterande ankarspolen som kan rotera och skapa en självbärande motsatt magnetisk kraft och fortsätta att rotera utan behov av externa pulser eller bearbetning.
I en BLDC blir detta emellertid ett problem eftersom magnetrotorn förblir 'clueless' och kräver ett beräknat magnetiskt kommando från lindningen för att rotera på ett meningsfullt sätt och inte på ett slumpmässigt sätt.
Det är exakt varför alla BLDC-motorer obligatoriskt kräver en motorförarkrets för att styra de tre olika uppsättningarna av lindningar inuti motorn.
Således är alla BLDC i huvudsak 3-fasmotorer och kräver obligatoriskt 3 faser för att producera rotationsmomentet på rotorn.
Vad gör sensorlösa BLDC-drivrutiner
Sensordriven BLDC-drivkrets elektrifierar helt enkelt de 3 uppsättningarna lindning på ett sekventiellt sätt så att magnetrotorn kan gå igenom en konstant motsatt kraft som gör det möjligt för motorn att åstadkomma ett ihållande vridmoment och rotationskraft.
Men den här sekventiella drivningen av BLDC-lindningen av kretsen kan inte bara ställas in slumpmässigt, den måste vara i tandem eller som svar på rotormagnetens rotationsläge, annars kan implementeringen bli haywire och vi kan bevittna motoraxeln (rotorn ) roterar slumpmässigt, det rycker mellan medurs och moturs utan förnuftig rotation.
Varför sensorer används i BLDC-motorer
Därför introducerar vi sensorer placerade i många BLDC-motorvarianter, dessa sensorer (vanligtvis Hall-effekt-sensorer) 'förstår' ändringspositionen för magnetmolema hos rotormagneten, instruerar den bifogade processorkretsen att elektrifiera motsvarande lindning och utföra en rotationsrörelse med ett optimalt vridmoment.
Halleffektsensorer används effektivt i de flesta BLDC-motorer som är relativt större i storlek, men för mindre motorer som CPU-fläktar, CPU-enheter, DVD-spelare, i små avgasfläktar, för motorer som används i fyrkoptrar, kan halleffekt-sensorer bli olämpliga och därför implementeras en alternativ sensor mindre metod.
Detta involverar utnyttjandet av lindningens inneboende bakre EMF-elektricitet som tas som referenskälla för bearbetning och elektrifiering av relevanta uppsättningar av lindning och utförande av vridmomentet.
Simulera en BLDC rotorrörelse
I ovanstående grovsimulering kan vi visualisera hur den frigjorda EMF tas som referens och används för att producera sekvenseringspulser för de efterföljande uppsättningarna av lindning, vilket inför ett roterande vridmoment på den centrala permanentmagnetrotorn. Simuleringen är kanske inte den exakta replikeringen, men ändå ger den en grov uppfattning om arbetsprincipen.
Det är intressant att notera att pulsen växlas när magnetens N / S är exakt i mitten av lindningskärnan, vilket gör att lindningen antingen aktiveras som N eller S beroende på pulspolariteten och producerar en attraherande och avstötande kraft på N / S-magneterna, vilket genererar det erforderliga vridmomentet på högsta möjliga nivå.
Och detta blir i sin tur möjligt på grund av den bakre EMF som släpptes genom bytet av den tidigare lindningen.
Ovanstående diskussion klargör arbetet hos en sensor utan BLDC-motor, låt oss nu lära oss hur en specifik krets hanterar ovanstående komplexa utförande av en 3-fasomkoppling
BLDC-drivrutin DRV10963
Efter en del googling hittade jag den här sensorlösa BLDC-drivarkretsen med ett DRV10963-chip som använder försumbar mängd delar i konfigurationen och ändå kan implementera en sofistikerad bearbetning för de avsedda åtgärderna.
DRV10963 är ett toppmodernt chip som är speciellt utformat för att driva sensormindre BLDC-motorer genom att bara förutse EMF från motorlindningen och leverera ett exakt kommando över lindningen och uppnå ett optimalt vridmoment över rotorn.
Kretsschema
Bilden ovan visar den enkla layouten för kretsen som tydligen inte innehåller annat än själva IC.
De olika pinoutsna fördelas för att utföra de angivna funktionerna såsom PWM-hastighetskontroll av motorn, riktningskontroll, etc. genom att helt enkelt mata relevanta pinouts med specificerad data från en extern källa.
Följande bild visar chipets paket, som ser ut som en 10-stifts DIL IC, de olika pinout-funktionerna kan studeras utifrån de data som tillhandahålls under diagrammet:
Med hänvisning till kretsschemat för den föreslagna sensorlösa BLDC-drivkretsen såsom presenterades i föregående artikel och även chipbilden ovan kan pinouts-detaljerna förstås på följande sätt:
IC Pinout-detaljer
FG = Det är motorhastighetsindikatorstiftet (utgång), som är riggat i ett öppet samlarläge med en intern BJT.
Öppen kollektor betyder att utgången vid denna pinout kommer att producera de negativa PWM: erna genom sjunkande logik över den öppna kollektorn och marken, så för att få en giltig avläsning kommer användaren att behöva ansluta ett uppdragsmotstånd över denna öppna kollektor och den positiva matningen (5V ) för att uppnå hastighetsindikeringen vid denna pinout.
FGS = Det är hastighetsindikatorns ingång, vilket innebär att en logik hög eller låg kan införas här för att slå PÅ / AV indikatorstiftet FG.
Vcc = Den positiva tillförseln till IC: n för att möjliggöra att den kan fungera får inte överstiga 5V.
W, U och V är 3-fasutgångarna för BLDC-motorn som ska drivas via denna IC. Detta fungerar också som ingångar för att känna av motorns EMF-pulser för den nödvändiga synkroniserade omkopplingen av motorspolarna.
GND = Hänvisar till den negativa uttagsutgången för IC med avseende på Vdd-stift.
FR = Hjälper till att välja eller styra motorns riktning och kan ändras dynamiskt när som helst när systemet är påslaget, helt enkelt genom att införa en extern logik hög eller logisk låg.
PWM = Det betyder PWM-styringången från en extern PWM-vågformgenerator.
Denna PWM-ingång kan vara variabel för implementering av önskad hastighetskontroll för den anslutna BLDC-motorn.
Det prickade utrymmet i mitten av chipet indikerar den termiska dynan, som kan klämmas fast eller pressas med en kylfläns för att sänka den möjliga värmegenereringen på chipet medan den används med en laddad BLDC-motor.
Ovanstående diskussion anger pinout eller anslutningsdetaljerna för det sensorfria BLDC-drivrutinschipet DRV10963, låt oss nu analysera chipets interna konfiguration och funktion i detalj med hjälp av följande punkter:
Enhetsbeskrivning
DRV10963 är en 3-fas sensorlös elmotoroperatör med inbyggda MOSFET-krafter (3-fas H-överbryggad). Den är skräddarsydd för högre produktivitet, minskat buller och minimala sekundära materialräknare. Det exklusiva sensorlösa fönstret 180 ° sinusformade hanteringsschema ger bullerfri motoreffektivitet.
DRV10963 består av en smart låsdetekteringsfunktion, tillsammans med kompletterande inbyggda säkerhetskretsar för att uppnå säker prestanda. DRV10963 finns i en termiskt effektiv 10-polig USON-förpackning med en otäckt termisk matta.
Hur IC fungerar
DRV10963-produkten är en 3-fas sensorlös motoroperatör med MOSFETs som är infunderade, det är det
skapad speciellt för överlägsen prestanda, minskad resonans och minimala ytliga delmotorfunktioner.
Den huvudsakliga sensorlösa fönsterlösa 180 ° sinusformade kontrollplanen visar ljudlös motorfunktion genom att upprätthålla nominellt elektriskt stimulerat vridmoment. Vid initialisering kommer DRV10963-enheten att vrida motorn i den kurs som anges genom FR-ingångsstiftet.
DRV10963-chipet kommer att fungera med en 3-fas BLDC-motor med en sinusformad kontrollplan.
Betydelsen av de använda sinusformade fasspänningarna beror på PWM-stiftets arbetscykel. Medan motorn rör sig levererar DRV10963 IC hastighetsdata vid FG-stiftet.
DRV10963-enheten består av en smart låsavkänningsfunktion. I händelse som det där motorn stuntas av ett främmande tryck kommer programmet att identifiera låsningsproblemet och kommer att vidta åtgärder för att skydda på egen hand tillsammans med motorn.
Den speciella proceduren för låsavkänningskretsen visas i detalj i Låsavkänning. DRV10963 IC innehåller dessutom flera inbyggda säkerhetskretsar, till exempel överströmsskydd, överspänningsskydd, underspänningsskydd och övertemperaturskydd.
Karakteristisk förklaring
Hastighetsinmatning och kontroll
DRV10963 presenterar 3-fas 25-kl-lz PWM-utgångar som kan ha en standardprocent av sinusformade vågformer från fas till fas. Om någon cykel bestäms med avseende på mark, är det troligt att den detekterade vågformen är en PWM-skyddad sinusformad i kombination med tredje ordningens övertoner som visas i figur 2.
Denna kodningsstrategi effektiviserar drivrutinsspecifikationerna för att det förmodligen ofta kommer att finnas en fasutgång som kan vara i nivå med noll.
Utgångsamplituden varierar beroende på matningsspänningen (VCC) och den föreskrivna PWM-arbetscykeln (PWM) som definieras i ekvation 1 och markerad i figur 3. Den optimala amplituden implementeras när den instruktionerade PWM-arbetscykeln är 100 PERCENT.
Vphpk = PWMdc>
Motorhastigheten regleras inte direkt genom användning av PWM för att reglera amplituden på fasspänningarna som råkar användas för motorn.
PWM-ingångens arbetscykel modifieras till en digital digital kvantitet på 9 bitar (från 0 till 511).
Föreskriftens upplösning är 1/512 == 0,2%. Driftscykelanalysatorn underlättar en initial orderutbytesoperation mellan ingångscykeln och den digitala siffran på 9 bitar.
Detta markeras i figur 4, där r = 80 ms.
Utbytesprestandan mellan PWM-beställd arbetscykel tillsammans med utgångens maximala amplitud är variabel i DRV10963-enheten.
Utfallets maximala amplitud diskuteras av ekvation 1 när PWM-kommando> minsta fungerande arbetscykel. Den lägsta driftscykeln fastställs ofta till möjligen 13%, 10%, 5% eller ingen begränsning med OTP-inställning (MINOP_DC1: 0).
Tabell 1 visar de rekommenderade konfigurationerna för den minimala driftscykeln.
När den PWM-instruktionerade arbetscykeln är mindre än den lägsta fungerande arbetscykeln och mer än 1,5% kommer produktionen att regleras vid den minimala driftscykeln. Varje gång inmatningscykeln är under 1,5% kommer DRV10963-enheten sannolikt inte att köra utgången och skickas till standby-läge.
Detta kan illustreras i figur 6.
Rotationskonfigurationer
DRV10963 startar motorn med hjälp av en teknik som är detaljerad i figur 7.
Motorinitieringsdiagrammet består av enhetskonfigurerbara alternativ för öppen slinga för att stänga övergångsgräns för slinga (HUR.), Justera tid (TAHQH) och accelerera hastighet (RACE).
För att rikta upp rotorn till kommuteringslogiken utför DRV10963 en x% arbetscykel på faserna V och W samtidigt som man styr fas U vid GND.
Detta scenario upprätthålls i TAIign sekunder. X% -betydelsen identifieras av VCC-spänningen (som visas i tabell 2) för att hålla tillräckligt med vridmoment över olika olika matningsspänningar.
När linjesekvensen uppnås tvingas motorn att påskyndas genom att sätta på sinusformade fasspänningar med toppnivåer som illustreras i tabell 2 och öka med hjälp av kommuteringsområdet med en expanderande hastighet representerad av RACE tills kommuteringsnivån växer till Hom ., Hz.
Så snart denna gräns har uppnåtts, omvandlar DRV‘l0963 till stängt kretsläge varigenom kommuteringsdrivprogressionen känns igen av den inbyggda styralgoritmen medan den använda spänningen identifieras av PWM-mandatens arbetscykelingång.
Den öppna slingan för att stänga övergångsgränsen (Hom), justeringstiden (TAHQH) och accelerationshastigheten (RACE) kan konfigureras genom OTP-konfigurationer.
Valet av handoff-tröskel (HOW,) godkänns vanligtvis genom test- och felbedömning. Målet skulle vara att föredra en överföringstolerans som kan vara så lite som möjligt och gör det möjligt för motorn att enkelt och troget växla mellan den öppna slingacceleration och den slutna slingacceleration.
Vanligtvis ökade hastighetsmotorer (maximal hastighet) kräver en överlägsen överföringstolerans på grund av det faktum att motorer med hög hastighet innefattar minskad Kt och därmed billigare BEMF.
Tabell 3 visar de konfigurerbara inställningarna för överlämningstoleransen. Högsta hastighet i elektrisk Hz är bevisad som en referens för att hjälpa till att välja önskad överlämningshastighet för en specifik inlämning.
Valet av inriktningstid (TAHQH) och accelerationshastighet (RACE) kan till och med vara beroende av försök och felundersökning.
Motorer med större tröghet kräver normalt en förlängd inriktningstid och en trögare hastighetshastighet i motsats till motorer med låg tröghet som ofta kräver en kortare inriktningstid tillsammans med en snabbare accelerationsprocent. Programavvägningar måste genomföras för att dra nytta av lanseringsstabilitet i motsats till rotationsperiod.
TI stöder med att börja med att besluta om de mindre intensiva konfigurationerna (långsammare RACE och betydande Tmign) för att kompromissa med vridmomentets upptid till stöd för maximal fullföljningshastighet.
Så snart utrustningen är bekräftad att utföra samvetsgrant kan de extra kraftfulla konfigurationerna (större RACC och mindre TAHQH) användas för att minska uppväxlingsmomentet och samtidigt noggrant hålla reda på fullföljningshastigheten.
Tabell 4 visar de konfigurerbara inställningarna för TA'g ,, och RACE.
Den återstående delen av förklaringen angående denna sensorlösa BLDC IC tillhandahålls i det här ursprungliga databladet
Du är välkommen att kommentera för att veta mer om ovan diskuterade sensorlösa BLDC-motorförare kretsdetaljer
Tidigare: 12V LED-ryggsäckströmförsörjningskrets Nästa: Quadcopter Remote Control Circuit utan MCU
