تقدم هذه المقالة ثلاث طرق يمكنها تسريع تصميم أنظمة محرك BLDC مع توفير حلول أكثر ذكاءً وأكثر إحكامًا لتوفير الطاقة.
يعمل العالم جاهداً لتقليل استهلاك الطاقة، والزخم يزداد قوة. تتطلب العديد من البلدان/المناطق الأجهزة المنزلية (كما هو موضح في الشكل 1) للوفاء بمعايير الكفاءة التي وضعتها المنظمات ذات الصلة مثل المعهد الوطني الصيني للمعايير (CNIS)، وEnergy Star الأمريكية، وBlue Angels الألمانية.
من أجل تلبية هذه المعايير، تخلى المزيد والمزيد من مصممي الأنظمة عن المحركات الحثية AC البسيطة وسهلة الاستخدام أحادية الطور في تصميماتهم، وبدلاً من ذلك استخدموا المزيد من الطاقة المنخفضة الكفاءة في استخدام الطاقة.الجهد االكهربى محركات DC بدون فرش (BLDC). من أجل تحقيق عمر خدمة أطول وضوضاء تشغيل أقل، تحول مصممو الأجهزة المنزلية الصغيرة مثل الروبوتات الكنس أيضًا إلى محركات BLDC الأكثر تقدمًا في العديد من أنظمتهم. وفي الوقت نفسه، تقدم المغناطيس الدائم التكنلوجيا تعمل باستمرار على تبسيط تصنيع محركات BLDC، مما يقلل من حجم النظام مع توفير نفس عزم الدوران (الحمل)، والذي يمكنه أيضًا تحسين الكفاءة وتقليل ضوضاء النظام.
الشكل 1: الأجهزة المنزلية الشائعة
يعد تصميم نظام باستخدام محركات BLDC أمرًا صعبًا لأن الأجهزة المعقدة وتصميم البرامج المحسّن مطلوبان عادةً لتوفير تحكم موثوق به في الوقت الفعلي. يتمثل أحد خيارات تسريع دورة التصميم في استخدام وحدات محرك BLDC التي يوفرها موردون محترفون ، ولكن هذه الوحدات غير مُحسَّنة لتلبية احتياجات نظام معين.
لذلك، من أجل بناء نظام محسّن عالي الأداء لتلبية متطلبات التطبيقات المحددة، لا يزال من الضروري أن يكون لديك فهم متعمق لتصميم المحرك والتحكم فيه، حتى عند استخدام الوحدات. في هذه المقالة، سأقدم ثلاث طرق يمكنها تسريع تصميم أنظمة محركات BLDC مع توفير حلول أكثر ذكاءً وأكثر إحكاما لتوفير الطاقة.
الطريقة الأولى: لا حاجة لبرمجة التحكم بدون مستشعر
يشتمل برنامج تشغيل المحرك بدون برمجة على خوارزمية تبديل تحكم مضمنة ، لذلك ليست هناك حاجة لتطوير برامج التحكم في المحركات وصيانتها واعتمادها. عادةً ما تحصل محركات المحركات هذه على تغذية مرتدة من المحرك (مثل إشارات Hall أو جهد طور المحرك وإشارات التيار) ، وتحسب معادلات التحكم المعقدة في الوقت الفعلي لتحديد حالة محرك المحرك التالية ، وهي محركات البوابة أو أكسيد المعدن أشباه الموصلات تأثير الترانزستور الميدان ( MOSFET) ومكونات الواجهة الأمامية التناظرية الأخرى توفر إشارات تعديل عرض النبضة (كما هو موضح في الشكل 2).
الشكل 2: نظام محرك BLDC نموذجي بدون مستشعر
عند استخدام محرك مع وظيفة تحكم متكاملة بدون مستشعرات (مثل محرك محرك MCF8316A مع وظيفة التحكم في الاتجاه الميداني (FOC)) للتحكم في الوقت الفعلي ، ليست هناك حاجة لتأثير القاعة مدخل بطاقة الذاكرة : نعم في المحرك، مما يمكن أن يحسن موثوقية النظام ويقلل التكلفة الإجمالية للنظام. يمكن لسائق المحرك بدون برمجة أيضًا إدارة الوظائف المهمة (مثل اكتشاف أخطاء المحرك) وتنفيذ آليات الحماية لجعل التصميم العام للنظام أكثر موثوقية.
يمكن أن تكون هذه الأجهزة مصحوبة بخوارزميات تحكم معتمدة مسبقًا تنفذها وكالات إصدار الشهادات مثل Underwriters Laboratories، مما يتيح لمصنعي المعدات الأصلية تقصير وقت تصميم أجهزتهم المنزلية.
الطريقة 2: استخدم وظيفة التحكم الذكي في المحرك لضبط المحرك بسهولة
يصعب حل متطلبات معلمات أداء النظام (مثل السرعة والكفاءة والضوضاء) عن طريق ضبط محرك BLDC. يمكن حل هذه المشكلة عن طريق تطوير خوارزمية تحكم شبه منحرفة بدون مستشعر، حيث يتم تحديد التخفيف بواسطة جهد EMF الخلفي للمحرك، بحيث لا تقتصر عملية الضبط على معلمات المحرك.
يمكن لبرنامج تشغيل المحرك المتكامل (مثل MCT8316A) الذي يدمج وظيفة التحكم شبه المنحرفة بدون مستشعر أن يوفر أداءً محسنًا للنظام دون الحاجة إلى استخدام واجهة معقدة للاتصال بوحدة التحكم الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، يرجى ملاحظة أنه أثناء عملية ضبط المحرك، سيوفر محرك المحرك المدمج إشارات ردود الفعل، مثل جهد طور المحرك والتيار وسرعة المحرك المعروضة على راسم الذبذبات.
في خوارزمية FOC بدون مستشعر، نظرًا لتكامل تكنولوجيا التحكم المتقدمة، يمكن تسريع ضبط المحرك بشكل كبير، على سبيل المثال، عن طريق قياس معلمات المحرك بنفسه أو إجراء ضبط حلقة التحكم تلقائيًا.
توفر واجهة المستخدم الرسومية للضبط (GUI) خيارات افتراضية لبدء تشغيل المحرك (كما هو موضح في الشكل 3)، مما يساعد على إكمال عملية الضبط بسلاسة وتدوير المحرك في أسرع وقت ممكن. تشتمل برامج تشغيل المحركات التي لا تتطلب برمجة (مثل MCF8316A لـ FOC وMCT8316A للتحكم شبه المنحرف) على خيارات متعددة قابلة للتكوين لبدء تشغيل المحرك وعمليات الحلقة المغلقة وإيقاف المحرك. باستخدام هذه الخيارات، يمكن تحسين أداء المحرك في غضون دقائق قليلة، مما يؤدي إلى تقصير دورة التصميم بشكل كبير.
الشكل 3: الضبط الموجّه لواجهة المستخدم الرسومية
الطريقة الثالثة: تصغير الحجم
بالنسبة للعديد من مصممي النظام ، فإن أعمال بناء أجهزة نظام BLDC صعبة للغاية. يتطلب النظام النموذجي سائقي البوابة ، الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومةومضخمات الإحساس الحالية ومقارنات استشعار الجهد والمحولات التناظرية إلى الرقمية. تتطلب معظم الأنظمة بنية طاقة مخصصة (بما في ذلك أجهزة مثل منظمات انخفاض التسرب أو منظمات باك DC / DC) لتشغيل جميع المكونات الموجودة على اللوحة. يجمع محرك BLDC المدمج كل هذه المكونات لتوفير حل مضغوط ولكنه سهل الاستخدام ، كما هو موضح في الشكل 4.
الشكل 4: حل محرك BLDC متكامل تمامًا
تتضمن برامج تشغيل المحركات ذات وظائف التحكم المتكاملة وظائف الحماية، مثل الحماية من التيار الزائد والجهد الزائد لدوائر MOSFET، ومراقبة درجة الحرارة، مما يسمح للمصممين بتقديم حلول قوية بسهولة.
بالنسبة لتطبيقات المحركات ذات استهلاك الطاقة الأقل من 70 وات، مثل الروبوتات الكنس، أو مراوح السقف المنزلية، أو المضخات المستخدمة في الغسالات، يمكن اختيار الأجهزة المزودة بوحدات MOSFET المدمجة لتقليل مساحة التخطيط بشكل أكبر. تدعم الأجهزة MCF8316A وMCT8316A تيارًا يصل إلى 8 أمبير في الذروة في تطبيقات 24 فولت. بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة، يمكن وضع الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) على اللوحة لدمج وظائف تشغيل البوابة والتحكم في المحرك في شريحة واحدة.
تساعد المفاهيم التي تمت مناقشتها في هذه المقالة على تسريع دورة تصميم النظام مع توفير نظام محرك BLDC أصغر حجمًا وأكثر ذكاءً. بمساعدة MCF8316A و MCT8316A ، اللذان لا يتطلبان برمجة وبرامج تشغيل محرك BLDC غير مستشعر ، يمكن تصميم نظام تحكم في الوقت الحقيقي عالي الأداء بشكل سريع. يمكن أن توفر هذه الأجهزة ما يصل إلى 70 واط من الطاقة لتطبيقات 24 فولت. بفضل تقنية التحكم الذكي المدمجة ، يسهل ضبط هذين المحركين ويمكن استخدامهما لتحقيق حلول نظام موثوقة وعالية الأداء. إنها مثالية لبناء النظام التالي لتوفير الطاقة منخفض الجهد على أساس BLDC.
تقدم هذه المقالة ثلاث طرق يمكنها تسريع تصميم أنظمة محرك BLDC مع توفير حلول أكثر ذكاءً وأكثر إحكامًا لتوفير الطاقة.
يعمل العالم جاهداً لتقليل استهلاك الطاقة، والزخم يزداد قوة. تتطلب العديد من البلدان/المناطق الأجهزة المنزلية (كما هو موضح في الشكل 1) للوفاء بمعايير الكفاءة التي وضعتها المنظمات ذات الصلة مثل المعهد الوطني الصيني للمعايير (CNIS)، وEnergy Star الأمريكية، وBlue Angels الألمانية.
من أجل تلبية هذه المعايير، تخلى المزيد والمزيد من مصممي الأنظمة عن المحركات الحثية AC البسيطة وسهلة الاستخدام أحادية الطور في تصميماتهم، وبدلاً من ذلك استخدموا محركات DC بدون فرش ذات جهد منخفض وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة (BLDC). من أجل تحقيق عمر خدمة أطول وضوضاء تشغيل أقل، تحول مصممو الأجهزة المنزلية الصغيرة مثل الروبوتات الكنس أيضًا إلى محركات BLDC أكثر تقدمًا في العديد من أنظمتهم.
وفي الوقت نفسه، يعمل التقدم في تكنولوجيا المغناطيس الدائم على تبسيط عملية تصنيع محركات BLDC بشكل مستمر، مما يقلل من حجم النظام مع توفير نفس عزم الدوران (الحمل)، والذي يمكنه أيضًا تحسين الكفاءة وتقليل ضوضاء النظام.
الشكل 1: الأجهزة المنزلية الشائعة
يعد تصميم نظام باستخدام محركات BLDC أمرًا صعبًا لأن الأجهزة المعقدة وتصميم البرامج المحسّن مطلوبان عادةً لتوفير تحكم موثوق به في الوقت الفعلي. يتمثل أحد خيارات تسريع دورة التصميم في استخدام وحدات محرك BLDC التي يوفرها موردون محترفون ، ولكن هذه الوحدات غير مُحسَّنة لتلبية احتياجات نظام معين. لذلك ، من أجل بناء نظام مُحسَّن عالي الأداء لتلبية متطلبات التطبيق المحددة ، لا يزال من الضروري أن يكون لديك فهم عميق لتصميم المحرك والتحكم فيه ، حتى مع الوحدات النمطية. في هذه المقالة ، سأقدم ثلاث طرق يمكنها تسريع تصميم أنظمة محرك BLDC مع توفير حلول أكثر ذكاءً وأكثر إحكامًا لتوفير الطاقة.
الطريقة الأولى: لا حاجة لبرمجة التحكم بدون مستشعر
يشتمل برنامج تشغيل المحرك بدون برمجة على خوارزمية تبديل تحكم مضمنة ، لذلك ليست هناك حاجة لتطوير برامج التحكم في المحركات وصيانتها واعتمادها. عادةً ما تحصل محركات المحركات هذه على تغذية مرتدة من المحرك (مثل إشارات Hall أو جهد طور المحرك وإشارات التيار) ، وتحسب معادلات التحكم المعقدة في الوقت الفعلي لتحديد حالة محرك المحرك التالية ، وهي محركات البوابة أو أكسيد المعدن أشباه الموصلات تأثير الترانزستور الميدان ( MOSFET) ومكونات الواجهة الأمامية التناظرية الأخرى توفر إشارات تعديل عرض النبضة (كما هو موضح في الشكل 2).
الشكل 2: نظام محرك BLDC نموذجي بدون مستشعر
عند استخدام محرك محرك مزود بوظيفة تحكم مدمجة بدون مستشعر (مثل محرك MCF8316A مزود بوظيفة التحكم الموجه ميدانيًا (FOC)) للتحكم في الوقت الفعلي، ليست هناك حاجة إلى مستشعر تأثير Hall في المحرك، والذي يمكنه تحسين النظام الموثوقية وتقليل التكلفة الإجمالية للنظام.
يمكن لسائق المحرك بدون برمجة أيضًا إدارة الوظائف المهمة (مثل اكتشاف أخطاء المحرك) وتنفيذ آليات الحماية لجعل التصميم العام للنظام أكثر موثوقية. يمكن أن تكون هذه الأجهزة مصحوبة بخوارزميات تحكم معتمدة مسبقًا تنفذها وكالات إصدار الشهادات مثل Underwriters Laboratories، مما يتيح لمصنعي المعدات الأصلية تقصير وقت تصميم أجهزتهم المنزلية.
الطريقة 2: استخدم وظيفة التحكم الذكي في المحرك لضبط المحرك بسهولة
يصعب حل متطلبات معلمات أداء النظام (مثل السرعة والكفاءة والضوضاء) عن طريق ضبط محرك BLDC. يمكن حل هذه المشكلة عن طريق تطوير خوارزمية تحكم شبه منحرفة بدون مستشعر، حيث يتم تحديد التخفيف بواسطة جهد EMF الخلفي للمحرك، بحيث لا تقتصر عملية الضبط على معلمات المحرك.
يمكن لبرنامج تشغيل المحرك المتكامل (مثل MCT8316A) الذي يدمج وظيفة التحكم شبه المنحرفة بدون مستشعر أن يوفر أداءً محسنًا للنظام دون الحاجة إلى استخدام واجهة معقدة للاتصال بوحدة التحكم الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، يرجى ملاحظة أنه أثناء عملية ضبط المحرك، سيوفر محرك المحرك المدمج إشارات ردود الفعل، مثل جهد طور المحرك والتيار وسرعة المحرك المعروضة على راسم الذبذبات.
في خوارزمية FOC بدون مستشعر، نظرًا لتكامل تكنولوجيا التحكم المتقدمة، يمكن تسريع ضبط المحرك بشكل كبير، على سبيل المثال، عن طريق قياس معلمات المحرك بنفسه أو إجراء ضبط حلقة التحكم تلقائيًا.
توفر واجهة المستخدم الرسومية للضبط (GUI) خيارات افتراضية لبدء تشغيل المحرك (كما هو موضح في الشكل 3)، مما يساعد على إكمال عملية الضبط بسلاسة وتدوير المحرك في أسرع وقت ممكن. تشتمل برامج تشغيل المحركات التي لا تتطلب برمجة (مثل MCF8316A لـ FOC وMCT8316A للتحكم شبه المنحرف) على خيارات متعددة قابلة للتكوين لبدء تشغيل المحرك وعمليات الحلقة المغلقة وإيقاف المحرك. باستخدام هذه الخيارات، يمكن تحسين أداء المحرك في غضون دقائق قليلة، مما يؤدي إلى تقصير دورة التصميم بشكل كبير.
الشكل 3: الضبط الموجّه لواجهة المستخدم الرسومية
الطريقة الثالثة: تصغير الحجم
بالنسبة للعديد من مصممي النظام ، فإن أعمال بناء أجهزة نظام BLDC صعبة للغاية. يتطلب النظام النموذجي محركات البوابة ، و MOSFETs ، ومكبرات الاستشعار الحالية ، ومقارنات استشعار الجهد ، والمحولات التناظرية إلى الرقمية. تتطلب معظم الأنظمة بنية طاقة مخصصة (بما في ذلك أجهزة مثل منظمات انخفاض التسرب أو منظمات باك DC / DC) لتشغيل جميع المكونات الموجودة على اللوحة. يجمع محرك BLDC المدمج كل هذه المكونات لتوفير حل مضغوط ولكنه سهل الاستخدام ، كما هو موضح في الشكل 4.
الشكل 4: حل محرك BLDC متكامل تمامًا
تتضمن برامج تشغيل المحركات المزودة بوظائف التحكم المتكاملة وظائف الحماية ، مثل حماية التيار الزائد والجهد الزائد لوحدات MOSFET ومراقبة درجة الحرارة ، مما يتيح للمصممين تقديم حلول قوية بسهولة. بالنسبة لتطبيقات المحركات التي يقل استهلاكها للطاقة عن 70 وات ، مثل الروبوتات الكاسحة أو مراوح السقف المنزلية أو المضخات المستخدمة في الغسالات ، يمكن اختيار الأجهزة المزودة بدوائر MOSFET مدمجة لتقليل مساحة التخطيط بشكل أكبر. تدعم الأجهزة MCF8316A و MCT8316A ما يصل إلى 8 أمبير في الذروة الحالية في تطبيقات 24 فولت. بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة ، يمكن وضع وحدات MOSFET للطاقة على اللوحة لدمج وظائف محرك البوابة والتحكم في المحرك في شريحة واحدة.
تساعد المفاهيم التي تمت مناقشتها في هذه المقالة على تسريع دورة تصميم النظام مع توفير نظام محرك BLDC أصغر حجمًا وأكثر ذكاءً. بمساعدة MCF8316A و MCT8316A ، اللذان لا يتطلبان برمجة وبرامج تشغيل محرك BLDC غير مستشعر ، يمكن تصميم نظام تحكم في الوقت الحقيقي عالي الأداء بشكل سريع. يمكن أن توفر هذه الأجهزة ما يصل إلى 70 واط من الطاقة لتطبيقات 24 فولت. بفضل تقنية التحكم الذكي المدمجة ، يسهل ضبط هذين المحركين ويمكن استخدامهما لتحقيق حلول نظام موثوقة وعالية الأداء. إنها مثالية لبناء النظام التالي لتوفير الطاقة منخفض الجهد على أساس BLDC.