مزايا محركات التيار المستمر بدون فرشات (BLDC) في مجال الروبوتات والأتمتة
توفر محركات DC بدون فرشات (BLDC) مزايا عديدة مقارنة بالمحركات المصقولة ، مما يجعلها الخيار المفضل في تطبيقات الروبوتات والأتمتة. بينما تتطلب محركات BLDC نظام تحكم لتنظيم السرعة وعزم الدوران بدقة ، فإن فوائدها تفوق التعقيد الإضافي. تشمل المزايا الرئيسية لمحركات BLDC ما يلي:
- الكفاءة المحسّنة: توفر محركات BLDC كفاءة أعلى في استخدام الطاقة ، وهو عامل حاسم بالنظر إلى الاستهلاك العالمي الكبير للكهرباء المنسوب إلى المحركات الكهربائية.
- التحكم الدقيق: تتيح محركات BLDC التحكم الدقيق في السرعة وعزم الدوران ، مما يسمح بتحسين الأداء في ظل ظروف التحميل المختلفة. هذا المستوى من التحكم ضروري في الروبوتات والأتمتة ، حيث تتطلب حركات واستجابات دقيقة.
- متانة محسنة: على عكس المحركات المصقولة التي تتعرض لتدهور الأداء بسبب تآكل الفرشاة والانحناء ، تحافظ محركات BLDC على أدائها بمرور الوقت. يساهم طول العمر هذا في الموثوقية الشاملة وعمر الأنظمة الآلية.
- تشغيل منخفض الضوضاء: تعمل محركات BLDC بهدوء ، مما يقلل من توليد الضوضاء في التطبيقات الآلية. هذه الخاصية مهمة بشكل خاص في البيئات التي تتطلب مستويات ضوضاء منخفضة لتحسين تجربة المستخدم أو لتلبية المعايير التنظيمية.
- انخفاض التداخل الكهرومغناطيسي (EMI): تنتج محركات BLDC مستويات أقل من التداخل الكهرومغناطيسي ، مما يضمن الحد الأدنى من التعطيل للمكونات الإلكترونية الأخرى أو أنظمة الاتصال داخل الأنظمة الآلية.
- تصميم مدمج وخفيف الوزن: تم تصميم محركات BLDC لتكون مدمجة وخفيفة الوزن ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات المساحة المحدودة أو قيود الوزن. تسهل هذه الميزة تكامل محركات BLDC في أنظمة روبوتية مختلفة ، من الأجهزة صغيرة الحجم إلى إعدادات الأتمتة الصناعية الكبيرة.
بفضل الكفاءة الفائقة والتحكم الدقيق والمتانة والتشغيل المنخفض الضوضاء وتقليل EMI والتصميم المدمج ، أصبحت محركات BLDC لا غنى عنها في مجموعة واسعة من التطبيقات. من محركات الأقراص الصلبة للكمبيوتر إلى المركبات الكهربائية ومن الروبوتات الصغيرة إلى الأتمتة الصناعية الكبيرة ، تواصل محركات BLDC دفع التقدم في الكفاءة والأداء عبر صناعة الروبوتات والأتمتة.
عيب واحد لمحركات BLDC هو التحكم المعقد الدارة الكهربائية والزيادة اللاحقة في المصاريف. تعد الإشارات الكهربائية ذات التوقيت الدقيق ضرورية لتقنية التبديل الإلكتروني ، مما يستلزم وجود دوائر السائق التي يمكن أن تولدها.
ومع ذلك ، يتمتع المصممون الحديثون الآن بميزة التوافر التجاري الواسع لأجهزة الطاقة المصممة خصيصًا لسائقي محركات BLDC. تأتي هذه الأجهزة في شكل مستقل أو مدمجة مع متحكم دقيق (وحدة التحكم) ، مما يجعل عملية التصميم أبسط ويقلل التكلفة الإجمالية للحل.
وحدات التحكم
بصرف النظر عن تنظيم السرعة وعزم الدوران ، يلعب دورًا مهمًا في بدء ووقف وعكس دوران المحرك. يمكنه الحصول على معلومات موضع الدوار من خلال طريقتين: مدخل بطاقة الذاكرة : نعم - نوع التحكم ، حيث تتلقى وحدة التحكم هذه البيانات مباشرة ، أو التحكم بدون استشعار ، حيث تستنتج وحدة التحكم الموضع باستخدام الخوارزميات المناسبة المطبقة على مستوى البرامج الثابتة أو الأجهزة. يتم تحديد الإشارات الكهربائية المطبقة على وحدات MOSFET للطاقة ، من حيث السعة والمدة ، بناءً على موضع الدوار.
تُستخدم محركات BLDC المستشعرة بشكل شائع في التطبيقات التي يكون فيها بدء تشغيل المحرك تحت الحمل مطلوبًا نظرًا لأن الموضع الدقيق للمحرك معروف على الفور. هناك عدة طرق لتحديد الوظيفة:
- المستشعرات المغناطيسية بتأثير القاعة: تتميز هذه المستشعرات بالمرونة العالية ويمكنها العمل بفعالية حتى في الظروف القاسية ، مثل تطبيقات السيارات.
- أجهزة التشفير الدوارة: تقوم هذه الأجهزة بتحويل الحركة الميكانيكية إلى نبضات كهربائية وتوفر بيانات مهمة مثل الموقع والسرعة والاتجاه. يعتمد على التكنلوجيا عند استخدامها، يمكن أن تكون أجهزة التشفير بصرية أو سعوية أو مغناطيسية.
- مستشعرات التردد المتغير: تولد هذه المستشعرات إشارة كهربائية تتوافق مع إزاحة جسم موصل أو منفذ مغناطيسيًا فيما يتعلق بملف.
تستخدم وحدة التحكم غير المستشعرة تقنية لتقدير القوة الدافعة الكهربائية الخلفية (EMF) المتولدة في لفات الجزء الثابت بواسطة المحرك الدوار لاكتشاف الوضع الحالي للدوار. من خلال قياس EMF الخلفي ، يمكن لوحدة التحكم تحديد موضع الدوار ، حيث يشير EMF الخلفي الأعلى إلى مغناطيس أقرب.
يعد تصميم أو اختيار وحدة التحكم مهمة حاسمة تتطلب دقة بالغة. الوظائف الأساسية التي يؤديها جهاز التحكم في المحرك هي كما يلي:
- تنظيم السرعة والاتجاه: ينظم جهاز التحكم سرعة المحرك ويتحكم في اتجاه دورانه.
- تنظيم عزم الدوران: من خلال مراقبة الحمل المطبق ، تحدد وحدة التحكم قيمة عزم الدوران المناسبة لتحقيق الأداء الأمثل للمحرك.
- إدارة مرحلتي البدء والإيقاف: تبدأ وحدة التحكم المحرك تدريجياً وتوقفه ، باتباع ملفات تعريف التسارع والتباطؤ الدقيقة.
- الحماية ضد الجهد الزائد أو التيار الزائد: تحمي وحدة التحكم المحرك عن طريق الكشف عن الزائدة والاستجابة لها الجهد االكهربى أو المستويات الحالية.
- تحسين كفاءة المحرك: تدير وحدة التحكم معلمات المحرك المختلفة لزيادة الكفاءة الإجمالية إلى أقصى حد.
في الماضي ، تم بناء وحدات التحكم باستخدام مكونات منفصلة جنبًا إلى جنب مع متحكم دقيق ينفذ البرامج الثابتة باستخدام خوارزميات التحكم. ومع ذلك ، فإن الاتجاه الحالي يفضل الحلول المتكاملة للغاية التي تجمع بين وظائف الطاقة والتحكم في شريحة واحدة.
تجد محركات BLDC (DC بدون فرشات) تطبيقات واسعة النطاق
تجد محركات BLDC (DC بدون فرشات) تطبيقًا واسعًا في مختلف الصناعات والأنظمة نظرًا لخصائصها الإنشائية المفيدة. تساهم الفوائد المستمدة من التبديل الإلكتروني ، مثل الإدارة الحالية المعززة ، وزيادة عزم الدوران ، والتحكم الدقيق في السرعة ، وتحسين أداء المحرك بشكل عام ، في استخدامها على نطاق واسع. تتضمن بعض التطبيقات البارزة لمحركات BLDC ما يلي:
- التطبيقات الصناعية: تُستخدم محركات BLDC في الآلات والمعدات الصناعية ، مثل المضخات والضواغط والناقلات والأدوات الآلية ، لتوفير تشغيل فعال وموثوق.
- المركبات الكهربائية (EVs) والتنقل الإلكتروني: تعد محركات BLDC جزءًا لا يتجزأ من المركبات الكهربائية ، بما في ذلك السيارات والدراجات النارية والدراجات البخارية والدراجات ، نظرًا لكفاءتها العالية وكثافة طاقتها ومداها المحسن.
- المركبات الجوية بدون طيار (UAVs) والطائرات بدون طيار: تستخدم محركات BLDC بشكل شائع في الطائرات بدون طيار والطائرات بدون طيار لتصميمها خفيف الوزن وكفاءتها العالية وتحكمها الدقيق ، مما يتيح طيرانًا مستقرًا وقدرة على المناورة.
- محركات الأقراص الصلبة: تُستخدم محركات BLDC في محركات الأقراص الثابتة لتحقيق تحكم دقيق وموثوق في محرك المغزل ، مما يضمن عمليات قراءة / كتابة دقيقة للبيانات.
- الإلكترونيات الاستهلاكية: توجد محركات BLDC في العديد من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية مثل المراوح ومكيفات الهواء والثلاجات والغسالات ، مما يوفر كفاءة في استخدام الطاقة وتشغيلًا هادئًا وعمرًا ممتدًا.
- الروبوتات والأتمتة الصناعية: تُستخدم محركات BLDC على نطاق واسع في الأنظمة الآلية ومعدات التشغيل الآلي للتحكم الدقيق في الحركة وعزم الدوران العالي والمتانة. إنها تتيح عمليات أكثر أمانًا وكفاءة ، وتعزز الإنتاجية في الصناعات.
تُحدث الأذرع الروبوتية الصناعية ، على وجه الخصوص ، ثورة في عمليات التصنيع من خلال تحسين سلامة العمال ، وتسريع الإنتاج ، وزيادة الإنتاجية. تُستخدم هذه الأذرع الآلية متعددة الاستخدامات والقابلة للبرمجة في المصانع والمستودعات وحتى البيئات الزراعية. تلعب محركات BLDC دورًا حيويًا في الأذرع الروبوتية من خلال توفير تنظيم دقيق للسرعة وعزم الدوران ، جنبًا إلى جنب مع الموثوقية والمتانة والمناعة من الإشعاع الكهرومغناطيسي.
باختصار ، فإن قدرة محركات BLDC على توفير تحكم دقيق في السرعة وعزم دوران عالٍ ومتانة ومناعة ضد التداخل الكهرومغناطيسي يجعلها مناسبة تمامًا لمختلف التطبيقات ، بدءًا من الآلات الصناعية إلى السيارات الكهربائية والروبوتات.
تصميم
يتطلب تصميم وحدة تحكم BLDC خبرة في كل من جوانب الأجهزة والبرامج. في حين أن الحلول المتكاملة المتاحة تجاريًا يمكن أن تفي بمتطلبات معظم التطبيقات ، إلا أن هناك حالات قد يكون فيها الحل المخصص ضروريًا.
سائق: لتسهيل التبديل الإلكتروني، تُستخدم عادةً ترانزستورات قدرة قادرة على تحمل الفولتية العالية والتيارات. تتضمن أمثلة هذه الترانزستورات دوائر MOSFET السيليكونية (Si)، IGBTالصورة، كربيد السيليكون (SiC) الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة، ونيتريد الغاليوم (GaN) HEMTs.
يتضمن النهج التقليدي لوحدة التحكم BLDC طوبولوجيا نصف جسر. يستخدم هذا الهيكل مفتاحين ، مع مفتاح واحد الترانزستور على الجانب العلوي والآخر على الجانب المنخفض ، بدلاً من حل جسر H الكامل. منذ ثلاث مراحل تُستخدم محركات BLDC بشكل شائع في الروبوتات وتطبيقات الأتمتة الصناعية نظرًا لأدائها الفائق وكفاءتها مقارنة بمتغيرات أحادية الطور أو ثنائية الطور ، ويتكون مخطط التحكم النموذجي من ثلاثة جسور نصف. يوضح الشكل 3 مخطط أ ثلاث مراحل سائق يستخدم سائق بوابة متكامل للغاية.
السيطرة على ثلاث مراحل يشتمل محرك BLDC على ست خطوات ، والتي تشكل دورة تبديل كاملة ، لتنشيط جميع لفات الجزء الثابت الثلاثة. يتم تحقيق ذلك عن طريق التبديل المتسلسل للترانزستورات عالية ومنخفضة الجانب بين التشغيل والإيقاف.
عادةً ما يتم التحكم في المفاتيح عالية الجانب باستخدام تعديل عرض النبضة (PWM) تقنية. PWM يحول مدخلات التيار المستمر الجهد االكهربى في جهد محرك معدل ، مما يسمح بإدارة أكثر كفاءة ، لا سيما أثناء بدء تشغيل المحرك ، وتمكين التحكم الدقيق في السرعة وعزم الدوران.
اختيار تردد PWM هو اعتبار حاسم. غالبًا ما يهدف المصممون إلى تحقيق التوازن بين تبديل الخسائر ، والتي تكون أكثر وضوحًا عند الترددات العالية ، والتيارات المتموجة ، والتي يتم إنشاؤها بشكل أساسي عند الترددات المنخفضة. يمكن أن يؤدي استخدام أجهزة GaN (نيتريد الغاليوم) إلى تقليل خسائر التبديل بشكل كبير ، حتى عند الترددات العالية.
من خلال تحسين تردد PWM بعناية والاستفادة من تقنية GaN ، يمكن للمصممين تحقيق كفاءة وأداء محسنين في التحكم في محرك BLDC ثلاثي الأطوار.