Ưu điểm của Động cơ DC không chổi than (BLDC) trong Robotics và Tự động hóa
Động cơ DC không chổi than (BLDC) mang lại nhiều lợi thế so với động cơ có chổi than, khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên trong các ứng dụng tự động hóa và rô-bốt. Mặc dù động cơ BLDC yêu cầu một hệ thống điều khiển để điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn chính xác, nhưng lợi ích của chúng vượt xa sự phức tạp bổ sung. Những ưu điểm chính của động cơ BLDC bao gồm:
- Hiệu suất nâng cao: Động cơ BLDC mang lại hiệu suất năng lượng cao hơn, một yếu tố quan trọng khi xem xét mức tiêu thụ điện toàn cầu đáng kể do động cơ điện.
- Điều khiển chính xác: Động cơ BLDC cho phép điều khiển tốc độ và mô-men xoắn chính xác, cho phép tối ưu hóa hiệu suất trong các điều kiện tải khác nhau. Mức độ kiểm soát này rất cần thiết trong chế tạo rô-bốt và tự động hóa, nơi cần có các chuyển động và phản ứng chính xác.
- Độ bền được cải thiện: Không giống như các động cơ có chổi than bị suy giảm hiệu suất do mòn chổi than và phóng điện hồ quang, các động cơ BLDC duy trì hiệu suất của chúng theo thời gian. Tuổi thọ này góp phần vào độ tin cậy tổng thể và tuổi thọ của các hệ thống robot.
- Hoạt động ít tiếng ồn: Động cơ BLDC hoạt động yên tĩnh, giảm thiểu tiếng ồn trong các ứng dụng rô-bốt. Đặc điểm này đặc biệt quan trọng trong các môi trường yêu cầu giảm mức độ tiếng ồn để cải thiện trải nghiệm người dùng hoặc để đáp ứng các tiêu chuẩn quy định.
- Giảm Nhiễu Điện Từ (EMI): Động cơ BLDC tạo ra mức độ nhiễu điện từ thấp hơn, đảm bảo mức độ gián đoạn tối thiểu đối với các thành phần điện tử hoặc hệ thống liên lạc khác trong hệ thống rô-bốt.
- Thiết kế nhỏ gọn và nhẹ: Động cơ BLDC được thiết kế nhỏ gọn và nhẹ, giúp chúng phù hợp với các ứng dụng có giới hạn về không gian hoặc trọng lượng. Ưu điểm này tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp các động cơ BLDC trong các hệ thống rô-bốt khác nhau, từ các thiết bị quy mô nhỏ đến các thiết lập tự động hóa công nghiệp lớn.
Với hiệu quả vượt trội, khả năng điều khiển chính xác, độ bền, hoạt động ít tiếng ồn, giảm EMI và thiết kế nhỏ gọn, động cơ BLDC đã trở nên không thể thiếu trong nhiều ứng dụng. Từ ổ cứng máy tính đến xe điện và từ rô-bốt quy mô nhỏ đến tự động hóa công nghiệp lớn, động cơ BLDC tiếp tục thúc đẩy những tiến bộ về hiệu quả và hiệu suất trong ngành công nghiệp rô-bốt và tự động hóa.
Một nhược điểm của động cơ BLDC là điều khiển phức tạp mạch và sự gia tăng chi phí sau đó. Các tín hiệu điện được định thời chính xác là cần thiết cho kỹ thuật chuyển mạch điện tử, đòi hỏi các mạch điều khiển có thể tạo ra chúng.
Tuy nhiên, các nhà thiết kế hiện đại giờ đây có lợi thế về khả năng thương mại rộng rãi của các thiết bị nguồn được thiết kế đặc biệt cho trình điều khiển động cơ BLDC. Các thiết bị này ở dạng độc lập hoặc được tích hợp với bộ vi điều khiển (bộ điều khiển), giúp quá trình thiết kế trở nên đơn giản hơn và giảm chi phí tổng thể của giải pháp.
bộ điều khiển
Ngoài việc điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn, đóng một vai trò quan trọng trong việc khởi động, tạm dừng và đảo chiều quay của động cơ. Nó có thể có được thông tin vị trí rôto thông qua hai phương pháp: cảm biến-type control, trong đó bộ điều khiển trực tiếp nhận dữ liệu này hoặc điều khiển không cảm biến, trong đó bộ điều khiển suy ra vị trí bằng các thuật toán thích hợp được triển khai ở cấp độ phần sụn hoặc phần cứng. Các tín hiệu điện được áp dụng cho MOSFET công suất, về biên độ và thời lượng, được xác định dựa trên vị trí của rôto.
Động cơ BLDC cảm biến thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu khởi động động cơ dưới tải vì vị trí chính xác của động cơ được biết ngay lập tức. Có một số phương pháp để xác định vị trí:
- Cảm biến từ tính hiệu ứng Hall: Những cảm biến này có độ đàn hồi cao và có thể hoạt động hiệu quả ngay cả trong các điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như các ứng dụng ô tô.
- Bộ mã hóa quay: Những thiết bị này chuyển đổi chuyển động cơ học thành xung điện và cung cấp dữ liệu quan trọng như vị trí, tốc độ và hướng. Tùy thuộc vào công nghệ được sử dụng, bộ mã hóa có thể là quang học, điện dung hoặc từ tính.
- Cảm biến từ trở thay đổi: Các cảm biến này tạo ra tín hiệu điện tương ứng với sự dịch chuyển của vật thể dẫn điện hoặc thấm từ tính so với cuộn dây.
Bộ điều khiển không cảm biến sử dụng kỹ thuật ước tính suất điện động ngược (EMF) được tạo ra trong cuộn dây stato bằng phần ứng quay để phát hiện vị trí hiện tại của rôto. Bằng cách đo EMF phía sau, bộ điều khiển có thể xác định vị trí của rôto, với EMF phía sau cao hơn biểu thị nam châm ở gần hơn.
Việc thiết kế hay lựa chọn bộ điều khiển là một công việc quan trọng đòi hỏi sự chính xác tỉ mỉ. Các chức năng chính được thực hiện bởi bộ điều khiển động cơ như sau:
- Điều chỉnh tốc độ và hướng: Bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ của động cơ và điều khiển hướng quay của nó.
- Điều chỉnh mô-men xoắn: Bằng cách theo dõi tải áp dụng, bộ điều khiển xác định giá trị mô-men xoắn thích hợp để đạt được hiệu suất động cơ tối ưu.
- Quản lý các giai đoạn khởi động và dừng: Bộ điều khiển dần dần khởi động và dừng động cơ, theo các cấu hình tăng và giảm tốc chính xác.
- Bảo vệ chống quá áp hoặc quá dòng: Bộ điều khiển bảo vệ động cơ bằng cách phát hiện và phản hồi quá mức Vôn hoặc mức hiện tại.
- Tối ưu hóa hiệu suất động cơ: Bộ điều khiển quản lý các thông số động cơ khác nhau để tối đa hóa hiệu suất tổng thể.
Trước đây, các bộ điều khiển được chế tạo bằng cách sử dụng các thành phần riêng biệt cùng với bộ vi điều khiển thực thi chương trình cơ sở bằng các thuật toán điều khiển. Tuy nhiên, xu hướng hiện tại ủng hộ các giải pháp tích hợp cao kết hợp các chức năng nguồn và điều khiển vào một con chip duy nhất.
Động cơ BLDC (DC không chổi than) được ứng dụng rộng rãi
Động cơ BLDC (DC không chổi than) được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và hệ thống khác nhau do các đặc điểm kết cấu thuận lợi của chúng. Những lợi ích thu được từ chuyển mạch điện tử, chẳng hạn như quản lý dòng điện nâng cao, tăng mô-men xoắn, kiểm soát tốc độ chính xác và cải thiện hiệu suất tổng thể của động cơ, góp phần vào việc sử dụng rộng rãi của chúng. Một số ứng dụng đáng chú ý của động cơ BLDC bao gồm:
- Ứng dụng công nghiệp: Động cơ BLDC được sử dụng trong máy móc và thiết bị công nghiệp, chẳng hạn như máy bơm, máy nén, băng tải và máy công cụ để mang lại khả năng vận hành hiệu quả và đáng tin cậy.
- Xe điện (EV) và phương tiện di chuyển điện tử: Động cơ BLDC là một phần không thể thiếu của xe điện, bao gồm ô tô, xe máy, xe tay ga và xe đạp, do hiệu quả cao, mật độ công suất và phạm vi hoạt động được cải thiện.
- Máy bay không người lái (UAV) và máy bay không người lái: Động cơ BLDC thường được sử dụng trong UAV và máy bay không người lái nhờ thiết kế gọn nhẹ, hiệu quả cao và điều khiển chính xác, cho phép bay ổn định và khả năng cơ động.
- Ổ đĩa cứng: Động cơ BLDC được sử dụng trong ổ đĩa cứng để đạt được khả năng điều khiển động cơ trục chính chính xác và đáng tin cậy, đảm bảo hoạt động đọc/ghi dữ liệu chính xác.
- Điện tử tiêu dùng: Động cơ BLDC được tìm thấy trong nhiều thiết bị điện tử tiêu dùng khác nhau như quạt, máy điều hòa không khí, tủ lạnh và máy giặt, mang lại hiệu quả năng lượng, vận hành êm ái và kéo dài tuổi thọ.
- Robot và tự động hóa công nghiệp: Động cơ BLDC được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống robot và thiết bị tự động hóa để điều khiển chuyển động chính xác, mô-men xoắn cao và độ bền. Chúng cho phép các quy trình an toàn hơn và hiệu quả hơn, nâng cao năng suất trong các ngành công nghiệp.
Đặc biệt, các cánh tay rô-bốt công nghiệp đang cách mạng hóa các quy trình sản xuất bằng cách cải thiện sự an toàn của người lao động, tăng tốc sản xuất và nâng cao năng suất. Những cánh tay rô-bốt linh hoạt và có thể lập trình này được sử dụng trong các nhà máy, nhà kho và thậm chí cả các cơ sở nông nghiệp. Động cơ BLDC đóng một vai trò quan trọng trong cánh tay rô-bốt bằng cách cung cấp khả năng điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn chính xác, bên cạnh độ tin cậy, độ bền và khả năng miễn nhiễm với bức xạ điện từ.
Tóm lại, khả năng cung cấp điều khiển tốc độ chính xác, mô-men xoắn cao, độ bền và khả năng chống nhiễu điện từ của động cơ BLDC khiến chúng rất phù hợp cho các ứng dụng khác nhau, từ máy móc công nghiệp đến xe điện và người máy.
Thiết kế
Thiết kế bộ điều khiển BLDC yêu cầu chuyên môn về cả khía cạnh phần cứng và phần mềm. Mặc dù các giải pháp tích hợp sẵn có trên thị trường có thể đáp ứng yêu cầu của hầu hết các ứng dụng, nhưng vẫn có những trường hợp cần có giải pháp tùy chỉnh.
Người lái xe: Để tạo thuận lợi cho việc chuyển mạch điện tử, các bóng bán dẫn điện có khả năng chịu được dòng điện và điện áp cao thường được sử dụng. Ví dụ về các bóng bán dẫn như vậy bao gồm MOSFET silicon (Si), IGBTs, cacbua silic (SiC) MOSFETvà HEMT gali nitrit (GaN).
Cách tiếp cận thông thường cho bộ điều khiển BLDC liên quan đến cấu trúc liên kết nửa cầu. Cấu trúc liên kết này sử dụng hai công tắc, với một Transistor ở phía cao và một ở phía thấp, trái ngược với giải pháp cầu H đầy đủ. Từ Ba giai đoạn Động cơ BLDC thường được sử dụng trong các ứng dụng rô-bốt và tự động hóa công nghiệp nhờ hiệu suất và hiệu quả vượt trội so với các biến thể một pha hoặc hai pha, sơ đồ bộ điều khiển điển hình bao gồm ba nửa cầu. Hình 3 minh họa sơ đồ của một Ba giai đoạn trình điều khiển sử dụng trình điều khiển cổng tích hợp cao.
Việc kiểm soát một ba pha Động cơ BLDC bao gồm sáu bước, tạo thành một chu trình chuyển mạch hoàn chỉnh, để cấp điện cho cả ba cuộn dây stato. Điều này đạt được bằng cách bật và tắt tuần tự các bóng bán dẫn phía cao và phía thấp.
Các công tắc phía cao thường được điều khiển bằng cách sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM) kỹ thuật. PWM chuyển đổi đầu vào DC Vôn thành điện áp ổ đĩa được điều biến, cho phép quản lý hiệu quả hơn, đặc biệt là trong quá trình khởi động động cơ và cho phép kiểm soát chính xác tốc độ và mô-men xoắn.
Việc lựa chọn tần số PWM là một cân nhắc quan trọng. Các nhà thiết kế thường nhắm đến sự cân bằng giữa tổn thất chuyển mạch, rõ ràng hơn ở tần số cao và dòng điện gợn, chủ yếu được tạo ra ở tần số thấp. Việc sử dụng các thiết bị GaN (gallium nitride) có thể làm giảm đáng kể tổn thất chuyển mạch, ngay cả ở tần số cao.
Bằng cách cẩn thận tối ưu hóa tần số PWM và tận dụng công nghệ GaN, các nhà thiết kế có thể đạt được hiệu quả và hiệu suất được cải thiện trong việc điều khiển động cơ BLDC ba pha.