اصول عملکرد موتور BLDC

هما‌ن‌طور که از نام این موتورها مشخص است، برای عملکرد به جاروبک نیاز ندارند. در موتورهای جریان مستقیم معمولی، جاروبک‌ها وظیفه رساندن جریان الکتریکی از طریق کموتاتورها به سیم‌پیچ‌های روتور را برعهده دارند. پس چگونه موتور بدون جاروبک جریان را منتقل می‌کند؟
در واقع، در این نوع موتورها عمل انتقال جریان به سیم‌پیچ‌های روتور انجام نمی‌شود؛ زیرا سیم‌پیچها روی روتور قرار ندارند. روتور از جنس مغناطیس دائم ساخته شده و سیم‌پیچ‌ها روی استاتور ثابت هستند و نمی‌چرخند، به همین دلیل نیاز به جاروبک برای عمل کموتاسیون وجود ندارد.

ساختمان و نحوه چرخش موتور BLDC

در موتورهای دارای جاروبک، عمل چرخش از طریق کنترل میدان مغناطیسی تولیدی به وسیله سیم‌پیچ روتور انجام می‌شود، در حالی که میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهنرباهای دائم ساکن، ثابت باقی می‌ماند. برای تغییر سرعت چرخش، ولتاژ سیم‌پیچ‌ها باید تغییر کنند. در موتور BLDC، مغناطیس دائم موتور است که می‌چرخد و دوران به وسیله تغییر در جهت میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ‌های ثابت اطراف، انجام می‌گیرد. برای کنترل چرخش باید دامنه و جهت جریان در این سیم‌پیچ‌ها تنظیم شوند.
یک موتور BLDC با سه سیم‌پیچ – که هر کدام دو سر دارند –  در کل شش سیم دارد. در اکثر کاربردهای عملی سه سر از این سیم‌ها به صورت داخلی (اتصال ستاره)  به هم دیگر متصل و سه سیم دیگر از موتور خارج شده‌اند (در موتور جریان مستقیم دو سیم از موتور خارج می‌شود).

مزایای موتور BLDC

یکی از بزرگترین مزایای موتور  BLDC، راندمان بالای آن است؛ زیرا این موتور می‌تواند به طور پیوسته در ماکزیمم گشتاور کار کند، اما موتور دارای جاروبک فقط در نقاط خاصی در چرخش می‌تواند به حداکثر گشتاور برسد. یک موتور دارای جاروبک برای اینکه به گشتاوری برابر با موتور بدون جاروبک برسد، باید از مغناطیس‌های بزرگتری استفاده کند و به همین دلیل است که حتی موتورهای خیلی کوچک بدون جاروبک نیز می‌توانند توان قابل ملاحظه‌ای داشته باشند.
مزیت بزرگ دوم، قابلیت کنترل‌پذیری بالای این موتورها با استفاده از مکانیزم‌های فیدبک، برای رسیدن دقیق به گشتاور و سرعت چرخش مطلوب است. این دقت کنترل منجر به کاهش مصرف انرژی و تولید گرما در موتور می‌شود و در مواردی که موتور به باطری متصل است، طول عمر آن افزایش می‌یابد.
موتورهای BLDC همچنین به دلیل عدم وجود جاروبک، طول عمر بالایی دارند و نویز آن‌ها بسیار کم است. در موتورهای دارای جاروبک، جاروبک و کموتاتور در اثر تماس مداوم در طول چرخش ساییده می‌شوند و در محل تماس تولید جرقه می‌کنند. نویز الکتریکی نتیجه جرقه‌های شدیدی است که هنگام عبور تیغه‌های کموتاتور از جاروبک‌ها رخ می‌دهد. به همین دلیل است که موتورهای بدون جاروبک در کاربردهایی که حتما باید از نویز و جرقه الکتریکی اجتناب شود، بسیار مورد توجه قرار می‌گیرند.

کاربردهای موتور BLDC

همان‌طور که گفتیم، موتورهای BLDC راندمان و کنترل‌پذیری بالایی در اختیار کاربر قرار می‌دهند و طول عمر کاری بالایی هم دارند. در این بخش با کاربردهای این موتورها آشنا می‌شویم. به دلیل راندمان و طول عمر بالا، این موتورها به طور گسترده در کاربردهایی که نیاز به کارکرد مداوم یک وسیله است، مورد استفاده قرار می گیرند. تاکنون موتورهای بدون جاروبک در ماشین‌های لباس‌شویی، تهویه هوا و سایر لوازم الکتریکی مورد استفاه قرار گرفته‌اند. این موتورها همچنین در جاروبرقی به کار می‌روند. در این موارد، یک تغییر در برنامه کنترل منجر به جهش بزرگی در سرعت موتور می‌شود که مثالی از مزیت کنترل‌پذیری این موتورها است.
موتورهای BLDC همچنین در چرخش درایو هارد دیسک کامپیوترها مورد استفاده قرار می‌گیرند و ماندگاری آن‌ها قابلیت اطمینان عملکرد درایو را در طولانی مدت تضمین می‌کند و همچنین راندمان توان آن‌ها منجر به کاهش مصرف انرژی در این قسمت کامپیوتر می‌شود که مزیت بسیار مهمی است.

کاربردهای موتور BLDC در آینده بسیار نزدیک کاربرد موتورهای BLDC بسیار گسترده‌تر خواهد شد. به عنوان مثال، این موتورها در درایو ربات‌های کوچک با کاربردهای غیر صنعتی بسیار مورد استفاده قرار خواهند گرفت. ممکن است این گونه تصور شود که موتورهای پله‌ای برای چنین کاربردهایی که پالس‌ها می‌توانند برای کنترل دقیق موقعیت موتور مورد استفاده قرار گیرند مناسب‌تر است. اما موتورهای بدون جاروبک برای کنترل نیرو بسیار مناسبت‌تر هستند و نگه داشتن موقعیت یک سازه مانند بازوی ربات توسط موتور پله‌ای به جریان نسبتا بالایی احتیاج خواهد داشت. اما در یک موتور بدون جاروبک تمام آنچه مورد نیاز است یک جریان متناسب با نیروی خارجی است که اجازه کنترل با توان مناسب را خواهد داد.

کنترل موتور BLDC

همان‌طور که دیدیم تفاوت عمده موتورهای بدون جاروبک نسبت به موتورهای دارای جاروبک عدم وجود کموتاسیون مکانیکی در این موتورهاست. اما تفاوت دیگر این است که کنترل این موتورها به مراتب پیچیده‌تر از موتور دارای جاروبک است.
کنترل موتور  BLDC نیازمند آگاهی از موقعیت روتور است. برای کنترل حلقه‌بسته سرعت موتور به دو مورد دیگر نیز نیاز داریم:
⦁ اندازه‌گیری سرعت و اندازه‌گیری جریان موتور
⦁ سیگنال ⦁ مدولاسیون پهنای باند یا PWM برای کنترل توان و سرعت موتور

کنترل سنسوری موتور BLDC

در حالت کلی، کنترل موتور BLDC به دو دسته سنسوری و بدون سنسور (Sensorless) تقسیم می‌شوند. در کنترل سنسوری برای اندازه‌گیری موقعیت روتور از سنسورهای اثر هال تعبیه شده در استاتور استفاده می‌شود که موقعیت نسبی را اندازه می‌گیرند. سنسورهای اثر هال در بازه‌های برابری (معمولا 60 یا 120 درجه الکتریکی) چیده شده‌اند. در کنترل سنسوری، از ترکیب سنسور اثر هال با ترانزیستورهای قدرت استفاده می‌شود که به عنوان کلید الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. سنسور اثر هال یک سیگنال منطقی صفر یا یک تولید می‌کند (زمانی که قطب شمال مغناطیسی در برابر آن قرار گیرد، سطح یک منطقی را نشان می‌دهد). توالی کموتاسیون توسط ترکیب سیگنال‌های منطقی سنسور اثر هال و کلیدهای ترانزیستوری تولید می‌شود.
در شکل زیر توالی کموتاسیون در یک موتور BLDC سه فاز به تصویر کشیده شده است. سنسورهای اثر هال در موقعیت b ،a و c نصب شده‌اند. برای هر گام در توالی کموتاسیون، یکی از سیم‌پیچ ها (U یا V یا W) توسط پل ترانزیستوری ماسفت (MOSFET) یا به منبع ولتاژ  (high) یا به زمین (low) متصل می‌شود و یا اتصالی ندارد (float). برای مثال در شکل سمت چپ در ردیف اول V ،U و W به ترتیب float ،low ،high هستند. نیروی مغناطیسی حاصل باعث چرخش موتور در جهت پادساعتگرد خواهد شد. ادامه این توالی سبب چرخش موتور و کامل شدن چرخش آن به اندازه نیم دور مکانیکی خواهد شد.

توالی کموتاسیون الکتریکی موتور BLDC سه‌فاز

در تصویر زیر وضعیت سیم‌پیچ‌های هر فاز متناظر با سیگنال‌های سنسورهای اثر هال نشان داده شده است. به این نکته توجه کنید که چگونه هر 60 درجه الکتریکی حداقل یک کلید منطقی و سیم‌پیچ تغییر وضعیت می‌دهند.

وضعیت سیگنال‌های خروجی کلیدهای منطقی سنسور اثر هال و سیم‌پیچ‌های هر فاز در توالی کموتاسیون

کنترل بدون سنسور موتور BLDC

در کنترل بدون سنسور موتور BLDC سنسور اثر هال حذف شده و به جای آن از نیروی ضد محرکه (Back-EMF) برای تخمین موقعیت استفاده می‌شود. کنترل بدون سنسور برای کاربردهای سرعت متغیر و کم‌هزینه مانند کولر، پمپ‌، یخچال و تهویه هوا ضروری است. نیروی ضد محرکه منجر به جریانی در هر سیم‌پیچ موتور و در نتیجه یک میدان مغناطیسی با شار مخالف با میدان اصلی خواهد شد که توسط قانون لنز توصیف می‌شود. نیروی ضد محرکه تمایل دارد تا در برابر چرخش موتور مقاومت کند و به همین دلیل از نام Back برای آن استفاده می‌شود. برای یک موتور با شار مغناطیسی ثابت، نیروی ضد محرکه با سرعت زاویه‌ای موتور متناسب است.
با نظارت بر نیروی ضد محرکه موتور، یک برنامه مناسب میکروکنترلری می‌تواند موقعیت نسبی روتور و استاتور را بدون نیاز به سنسور اثر هال تعیین کند. این موضوع منجر به ساده‌سازی ساختار موتور، کاهش هزینه و حذف اتصالات اضافی مورد نیاز برای اتصال به سنسورهای اثر هال می‌شود که به نوبه خود قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد.
عیب عمده این روش این است که موتور در حالت ساکن نیروی ضد محرکه تولید نمی‌کند؛ در نتیجه میکروکنترلر قادر نخواهد بود موقعیت نسبی روتور را از ابتدا تعیین کند. راه حل این مشکل راه‌اندازی موتور به صورت حلقه باز است تا نیروی ضد محرکه القایی کافی برای میکروکنترلر تولید شود و در نتیجه موقعیت روتور و استاتور را تخمین بزند و سپس کنترل را آغاز کند.
نقاط گذر از صفر
نیروی ضد محرکه تولید شده به وسیله هر سیم‌پیچ موتور BLDC در شکل پایین نشان داده و با خروجی کلید منطقی سنسور اثر هال مقایسه شده است. همان‌طور که در این شکل نیز می‌توان دید نقاط گذر از صفر (Zero-Crossing Points) برای نیروی ضد محرکه در سیم‌پیچ‌ها همزمان با تغییرات حالت کلیدهای منطقی است. همین نقاط گذر از صفر است که به میکروکنترلر کمک می‌کند تا هر مرحله از چرخه کموتاسیون در کنترل بدون سنسور موتور BLDC را انجام دهد.

وضعیت سیگنال‌های خروجی کلیدهای منطقی سنسور اثر هال و نیروی ضد محرکه سیم‌پیچ‌ها در توالی کموتاسیون