Dal suo sviluppo con successo negli anni '60, i motori a corrente continua senza spazzola (BLDC) si sono dimostrati più efficienti e hanno una durata di vita più lunga rispetto ai precedenti motori a corrente continua (DC) spazzolati.Insieme allo spostamento verso motori a corrente alternata (CA) sincroni in applicazioni industriali ad alta potenza, molte altre applicazioni hanno anche iniziato a utilizzare motori BLDC.
Oggi, i motori BLDC sono penetrati in ogni aspetto della vita quotidiana dei consumatori.apparecchi domestici quali lavatrici e stampantiIn ambienti industriali, i motori BLDC sono stati utilizzati per il controllo del movimento e le applicazioni di movimentazione dei materiali.I motori BLDC forniscono anche potenza per i veicoli terrestri senza equipaggio (UGV), droni e simili veicoli aerei senza pilota (UAV), nonché robot chirurgici ed esoscheletri di assistenza.
I motori a corrente continua spazzolati si basano su spazzole di commutatore in metallo o carbonio per fornire energia elettrica alle avvolgimenti del motore, mentre i motori BLDC sono non contatti.è più efficienteLe prestazioni del BLDC sono anche migliori, con velocità più veloci, coppia maggiore e rapporto potenza/peso più elevato.Con l'aiuto di sistemi di controllo avanzati, i motori BLDC possono cambiare velocità o coppia quasi istantaneamente e fornire un posizionamento preciso per garantire la sicurezza.
Le prestazioni eccezionali dimostrate dai motori BLDC avanzati rendono questi motori e i loro sistemi di controllo molto attraenti per gli ingegneri che progettano moderne applicazioni di robot e droni,che in genere richiedono caratteristiche come la miniaturizzazione, alta velocità, alta precisione, elevata sicurezza e bassi requisiti di manutenzione.
Principio di base del motore BLDC
Il motore BLDC ha una struttura di tre parti così semplice che è semplicemente incredibile. Lo statore stazionario è dotato di due o otto serie di avvolgimenti di rame,distribuiti su una circonferenza circondata o parallela al rotore dotato di magneti permanenti (figura 1)Il regolatore del motore è collegato allo statore per ottenere dati di posizione e alimentare l'avvolgimento.
Controller per motore BLDC a tre fasi
Figura 1: Il regolatore del motore BLDC a tre fasi modifica la direzione del campo magnetico dello statore cambiando lo stato di energia e la polarità della corrente degli avvolgimenti dello statore (fase U, fase V, fase W).Il rotore (parte blu) con magneti permanenti incorporati ruota di conseguenza, mantenendo così la stessa direzione del campo magnetico dello statore. (Fonte immagine: Qorvo)
L'applicazione di elettricità a un insieme di avvolgimenti nello statore genererà un campo magnetico e il magnete permanente del rotore risponderà a questo campo magnetico.L'attrazione tra poli magnetici opposti fa ruotare il rotore. Prima di allineare il rotore con il campo magnetico dello statore, il controller commuta l'avvolgimento energizzato, cambia la direzione del campo magnetico e mantiene il rotore in rotazione continua.
Infatti, l'impulso di corrente inviato dal controller allo statore cambierà da conduttiva a disconnessa,e cambiare la polarità a una certa frequenza per rappresentare la corrente usando una certa forma d'ondaIl sistema di commutazione illustrato nella figura 1 è rappresentato da onde trapezoidali.Questo tipo di motore è strutturalmente simile a un motore BLDC, ma spinge il campo magnetico a ruotare attraverso correnti variabili, e il rotore rimane sincronizzato e bloccato con il campo magnetico.La regolazione dell'ampiezza e della fase di queste onde può cambiare la velocità del motore e la coppia disponibile.
Il regolatore può anche ricevere informazioni di feedback continuo da sensori di posizione come sensori dell'effetto Hall o codificatori fotoelettrici. the measured value of reverse electromotive force (BEMF) - the current generated by the magnetic field generated by the energized winding in the unenergized winding - can be used to determine the position of the rotor.
Sviluppo dei conducenti
Dato che il monitoraggio, l'alimentazione e il controllo dei motori BLDC richiedono strutture complesse, it is not surprising that old-fashioned BLDC motor controllers using solid-state electronic devices in industrial environments require independent cabinet space and bulky power and data cables to connect the motorsI circuiti integrati (IC) sempre più sofisticati stanno guidando la miniaturizzazione continua dei controller motori, fino a quando non potranno essere integrati su schede di circuiti stampati (PCB).Nonostante la miniaturizzazione, la funzionalità dei controllori motori di oggi continua ad espandersi.
Ad esempio, il driver del motore BLDC trifase ACT72350 di Qorvo (Figura 2) integra un front-end analogo configurabile (AFE), un modulo di gestione dell'energia adattato a varie configurazioni di potenza,e un driver di motore dedicato (ASPD) in un dispositivo di montaggio a superficie piatta senza piombo (QFN) di 9 mm x 9 mm quadrati.
Qorvo ACT72350 motore BLDC a tre fasi integrato
Figura 2: Il driver del motore BLDC trifase integrato ACT72350 integra circuiti AFE e funzionalità di gestione della potenza configurabile in un pacchetto compatto di montaggio superficiale. (Fonte immagine: Qorvo)
L'AFE configurabile dell'ACT72350 è dotato di tre amplificatori di guadagno programmabili differenziali, quattro amplificatori di guadagno programmabili a singolo estremo, due convertitori analogico-digitale a 10 bit,e dieci comparatori, che lo rende un ponte tra sensori e circuiti di controllo.Questo AFE può anche ricevere segnali di controllo di modulazione della larghezza dell'impulso (PWM) da un microcontrollore esterno (MCU) attraverso un'interfaccia periferica seriale (SPI).
il modulo di gestione della potenza configurabile consente all'ACT72350 di accettare tensioni di ingresso in corrente continua comprese tra 25 V e 160 V,compresa la capacità della batteria fino a 20 secondi (tensione nominale di 72 V o 84 V quando completamente carica)L'alimentatore di commutazione ad alta tensione di questo modulo può fornire una tensione di uscita stabile di 12 V o 15 V e può anche fornire un'alimentatore stabile di 5 V e 200 mA per moduli ACT72350 e MCU.
L'ASPD di ACT72350 può utilizzare un half-bridge, un H-bridge o un'architettura trifase per azionare il motore (figura 3).Tre portatori laterali ad alta tensione con tensione di 160 V e tre portatori laterali a bassa tensione con tensione di 20 V, ogni conducente ha una capacità di azionamento del cancello di 2 A (corrente di trazione)/2 A (corrente di riversamento), che può ottenere prestazioni di commutazione veloci per migliorare la velocità del motore.