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Como funcionam os motores Brushless DC (BLDC)

O post detalha de forma abrangente o conceito básico de operação dos motores CC sem escovas, também chamados de motores BLDC.

Diferença entre motores CC com escovas e sem escovas

Em nossos motores escovados tradicionais, as escovas são empregadas para comutar o rotor móvel central em relação ao estator de ímã permanente de papelaria circundante.

As escovas se tornam imperativas porque o rotor é feito usando eletroímãs que precisam de energia para operar, mas como também precisa girar, as coisas se tornam desajeitadas e as escovas se tornam a única alternativa para fornecer energia ao rotor eletromagnético rotativo.

Pelo contrário, nos motores Brushless DC ou motores BLDC temos um estator central estacionário e um rotor circular circundante. O estator é composto por um conjunto de eletroímãs, enquanto o rotor possui ímãs permanentes afixados em seu perímetro em determinadas posições calculadas.

Usando sensores de efeito Hall

O mecanismo também possui um sensor de efeito Hall que é instalado para detectar a posição do rotor e seus ímãs em relação ao eletroímã do estator e informar os dados a um circuito de comutação externo que se torna responsável por ativar/desativar os eletroímãs no sequência ou tempo correto, influenciando um movimento de rotação no rotor.

A explicação acima pode ser compreendida com a ajuda da ilustração básica a seguir e depois através de um desenho elaborado nas imagens subsequentes.

Aprendemos e sabemos algumas coisas interessantes sobre ímãs e como esses dispositivos interagem.

Sabemos que um pólo norte do ímã atrai o pólo sul de outro ímã enquanto pólos semelhantes se repelem.

Como os ímãs permanentes são posicionados

No diagrama mostrado acima vemos um disco com um ímã embutido em sua borda (mostrado em cor vermelha) que é posicionado com o pólo norte voltado para fora, e também um eletroímã colocado em uma proximidade paralela à borda circular do disco que produz um campo magnético sul quando energizado.

Agora supondo que o arranjo esteja posicionado como mostrado no primeiro diagrama superior com o eletroímã em um estado desativado.

Nesta posição, assim que o eletroímã é ativado com uma entrada CC apropriada, ele atinge e gera um campo magnético sul influenciando uma força de tração sobre o ímã do disco que, por sua vez, força o disco a girar com algum torque até que seu ímã permanente fique alinhado com os eletroímãs opostos às linhas de fluxo.

A ação acima mostra o formato básico no qual o conceito BLDC funciona.

Como o motor BLDC funciona com sensores de efeito Hall

Agora vamos ver como o conceito acima é implementado usando sensores de efeito Hall para sustentar um movimento contínuo sobre o rotor.

O diagrama de exemplo a seguir explica o mecanismo de forma abrangente:

No diagrama acima, vemos basicamente um arranjo simples de rotor/estator BLDC, onde o elemento circular externo é o rotor giratório, enquanto o eletroímã central se torna o estator fixo.

O rotor pode ser visto tendo um par de ímãs permanentes fixados na periferia que têm o pólo sul como as linhas de fluxo de influência, o estator central é um eletroímã forte que é projetado para gerar uma força equivalente do fluxo magnético do pólo norte quando energizado com um DC externo.

Também podemos visualizar um sensor hall situado próximo a um dos cantos da periferia interna do rotor. O efeito hall detecta fundamentalmente o campo magnético do rotor rotativo e alimenta o sinal para um circuito de controle responsável por alimentar os eletroímãs do estator.

Referindo-se à posição superior, vemos a área em branco (que é desprovida de qualquer campo magnético) do rotor em contato próximo com o sensor hall, mantendo-o no estado desligado.

Neste instante, o sinal de desligamento do efeito hall informa o circuito de controle para ligar os eletroímãs, o que instantaneamente induz um efeito de tração no pólo sul do rotor que está ao virar da esquina.

Quando isso acontece, o pólo sul desce produzindo o torque necessário no rotor e tenta alinhar-se em linha com o pólo norte do eletroímã.

No entanto, no processo o polo sul do rotor também se aproxima do sensor hall (como mostrado no diagrama inferior) que imediatamente detecta isso e liga informando o circuito de controle para desligar os eletroímãs.

O tempo de desligamento dos eletroímãs é crucial

Desligar os eletroímãs no momento certo, conforme sinalizado pelo sensor de efeito hall, proíbe o travamento e o impedimento do movimento do rotor, mas permite que ele continue o movimento através do torque gerado até que a posição anterior comece a se formar e até o hall sensor mais uma vez “sente” a área em branco do rotor e é desligado repetindo o ciclo.

A alternância acima do sensor hall de acordo com as várias posições do rotor inflige um movimento rotacional contínuo com um toque que pode ser diretamente proporcional às interações magnéticas do estator/rotor e, claro, ao posicionamento do efeito hall.

As discussões acima explicam o mecanismo mais fundamental do sensor de dois ímãs e um hall.

A fim de atingir torques excepcionalmente mais altos, mais ímãs e conjuntos de eletroímãs são empregados em outros motores sem escova de alta eficiência, em que mais de um sensor de efeito hall pode ser visto para implementar a detecção múltipla dos ímãs do rotor para que diferentes conjuntos de eletroímãs possam ser comutados no sequência correta preferida.

Como controlar o motor BLDC

Até agora entendemos o conceito básico de funcionamento dos motores BLDC e aprendemos como um sensor Hall é usado para ativar o eletroímã do motor através de um circuito eletrônico externo anexado para sustentar um movimento rotativo contínuo do rotor, na próxima seção estudaremos sobre como O circuito de driver BLDC realmente funciona para controlar motores BLDC

O método de implementação de um eletroímã de estator fixo e um rotor magnético livre giratório garante maior eficiência aos motores BLDC em comparação com os motores tradicionais escovados que possuem a topologia exatamente oposta e, portanto, requerem escovas para o funcionamento do motor. O uso de escovas torna os procedimentos relativamente ineficientes em termos de longa vida útil, consumo e tamanho.

Desvantagem do Motor BLDC

Embora os tipos BLDC possam ser o conceito de motor mais eficiente, ele tem uma desvantagem significativa que requer um circuito eletrônico externo para operá-lo. No entanto, com o advento dos CIs modernos e sensores Hall sensíveis, esta questão agora parece ser bastante trivial quando comparada com o alto grau de eficiência envolvido com este conceito.

4 Magnet BLDC Driver O Design

No presente artigo estamos discutindo um circuito de controle simples e básico para um motor BLDC de quatro ímãs, sensor de hall único. O funcionamento do motor pode ser entendido consultando o seguinte diagrama do mecanismo do motor:

A imagem acima mostra um arranjo básico de motor BLDC com dois conjuntos de ímãs permanentes na periferia de um rotor externo e dois conjuntos de eletroímã central (A,B,C,D) como estator.

Para iniciar e sustentar um torque rotacional, os eletroímãs A, B ou C, D devem estar em um estado ativado (nunca juntos), dependendo das posições dos pólos norte/sul do ímã do rotor em relação aos eletroímãs ativados.

Como funciona o driver de motor BLDC

Para ser preciso, vamos assumir a posição mostrada no cenário acima com A e B em um estado ligado, de modo que o lado A seja energizado com o pólo sul enquanto o lado B energizado com o pólo norte.

Isso significaria que o lado A estaria exercendo um efeito de tração sobre seu polo norte azul esquerdo e um efeito de repulsão no polo sul do lado direito do estator, da mesma forma o lado B estaria puxando o polo sul vermelho inferior e repelindo o norte superior pólo do rotor …. todo o processo poderia então ser assumido como exercendo um movimento impressionante no sentido horário sobre o mecanismo do rotor.
Vamos também supor que na situação acima o sensor Hall esteja em um estado desativado, pois pode ser um dispositivo sensor Hall “ativado pelo pólo sul”.

O efeito acima tentaria alinhar e forçar o rotor de tal forma que o sul travasse face a face com o lado B enquanto o polo norte com o lado A, no entanto, antes que essa situação seja capaz de ocorrer, o sensor Hall é colocado próximo ao deslocando o pólo sul superior do rotor, e quando este apenas transita pelo sensor Hall, é forçado a LIGAR, enviando um sinal positivo para o circuito de controle conectado que responde instantaneamente e desliga os eletroímãs A/B e LIGA os eletroímãs C/ D, certificando-se de que o momento no sentido horário do rotor seja novamente aplicado, mantendo um torque rotacional consistente no rotor.

Circuito de driver BLDC básico

A comutação dos eletroímãs explicada acima em resposta ao sinal de disparo do sensor Hall pode ser implementada de maneira muito simples usando a seguinte ideia direta do circuito de controle BLDC.

O circuito não precisa de muita explicação, pois é muito básico, durante as situações de ligação do sensor Hall, o BC547 e o TIP122 acoplado são ligados correspondentemente, o que, por sua vez, liga os conjuntos correspondentes de eletroímãs conectados através de seu coletor e positivo , durante os períodos de desligamento do sensor Hall, o par BC547/TIP122 é desligado, mas o transistor TIP122 da extrema esquerda é ligado ativando os conjuntos opostos de eletroímã.

A situação é alternada alternadamente, continuamente, enquanto a energia permanece aplicada, mantendo o BLDC girando com os torques e impulsos necessários.

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FONTE


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