Schemat zastępczy

Idea zasilania silnika BLDC

Schemat zastępczy silnika BLDC

W podstawowej konstrukcji silnika, cewki stojana tworzą układ trójfazowy połączone w gwiazdę. Odpowiednie podłączanie uzwojeń tworzy pole magnetyczne w przybliżeniu prostopadłe do pola magnetycznego magnesów.

Uzwojenie każdej fazy ma indukcyjność (L), rezystancję (R), a ruch względem magnesu wytwarza w nim siłę elektromotoryczną (przeciwelektromotoryczną, U_G).

W idealnym silniku BLDC przebieg generowanej w uzwojeniu siły elektromotorycznej ma kształt trapezu, jej wartość jest proporcjonalna do prędkości obrotowej wirnika. Związek siły elektromotorycznej z obrotami silnika określa parametr silnika zwany stałą siły przeciwelektromotorycznej^[1][3]:

${\displaystyle E_{wst}=K_{N}S}$

gdzie:

• ${\displaystyle E_{wst}}$ – wsteczna siła elektromotoryczna,
• ${\displaystyle K_{N}}$ – stała siły przeciwelektromotorycznej
• ${\displaystyle S}$ – prędkość obrotowa.

Wartość momentu obrotowego jest proporcjonalna do natężenia prądu pobieranego przez silnik, jej wartość określa wzór^[1]:

${\displaystyle M=K_{t}I}$

gdzie:

• ${\displaystyle M}$ – moment obrotowy,
• ${\displaystyle K_{t}}$ – stała momentu obrotowego,
• ${\displaystyle I}$ – natężenie prądu pobieranego przez silnik.

Komutacja

Do przełączania uzwojeń (komutacji) synchronicznie z obrotem wirnika stosuje się metody czujnikowe i bezczujnikowe. W metodzie czujnikowej na wale silnika instaluje się układ magnesów trwałych odpowiadający układowi magnesów głównych. Pole magnetyczne odczytuje się, używając halotronów o liczbie równej liczbie faz (tu trzy), tylko w najprostszych konstrukcjach niewielkiej mocy tylko jeden. Stosuje się także układy optyczne rozpoznawania położenia wału. Zasilanie uzwojeń silnika realizowane jest przez układ. W układzie trójfazowym szeregowym w zależności od stanu czujników położenia (H1, H2, H3) jedna faza silnika jest podłączana do bieguna dodatniego (+), jedna do ujemnego (-), a jedna jest odłączona (z). W wyniku czego prąd płynie przez dwa uzwojenia.

Komutacja czujnikowa wymaga instalowania w silniku układu magnesów i halotronów oraz połączenie ich ze sterownikiem. Układ ten komplikuje konstrukcję i bywa zawodny, dlatego stosuje się konstrukcje nie zawierające czujników położenia wału. Taka metoda sterowania nazywana jest bezczujnikową, które dzieli się na kilka grup^[3]:

1. wykorzystujące pomiar siły elektromotorycznej uzwojeń,
2. wykorzystujące pomiar prądów i napięć oraz równania opisujące silnik,
3. wykorzystujące sterowanie rozmyte, w tym i sieci neuronowe.

Precyzyjne przełączanie uzwojeń umożliwia dokładną kontrolę prędkości obrotowej i momentu obrotowego silnika^[1].

W celu uzyskania dużego momentu obrotowego, a tym samym i mocy silnika magnesy wirnika i cewki stojana są układami wielobiegunowymi^[1].

Regulacja

Po podłączeniu uzwojenia prąd w nim narasta, szybkość wzrostu natężenia prądu ogranicza indukcyjność cewek uzwojeń i siła elektromotoryczna (przeciwelektromotoryczna) powstająca w wyniku ruchu magnesów wirnika w pobliżu cewki, oraz rezystancja uzwojeń i zasilania. Przebieg natężenia prądu jest analizowany, a po osiągnięciu wartości maksymalnej, przepływ prądu jest przerywany, by chronić tranzystory mocy i silnik. W układach o zmiennym bądź nieznanym w obciążeniu, a także w celu nadania odpowiedniej charakterystyki silnikowi układ ograniczania mocy uwzględnia prędkość obrotową silnika i jej zmiany. Ograniczenie jest realizowane przez okresowe przerywanie przepływu prądu. W tym celu stosuje się modulację o stałej częstotliwości a zmiennej szerokości impulsów oraz metodę histerezy, w której odchylenie natężenia prądu od zadanego o wartość histerezy powoduje włączenie lub wyłączenie tranzystorów mocy. W obu technikach stosuje się twarde albo miękkie przerywanie prądu. W technice twardej włączane i rozłączane są jednocześnie tranzystory fazowe i zerowe, w technice miękkiej tranzystory zerowe są załączane tylko komutacją, a fazowe komutacją i ograniczeniem prądowym^[1][4]. Stosowanie do ograniczania natężenia prądu układu impulsowego, w porównaniu do sterowania liniowego, poprawia sprawność silnika i umożliwia lepsze jego sterowanie.