منذ تطويرها بنجاح في الستينيات، أثبتت محركات التيار المباشر بدون فرش (BLDC) أنها أكثر كفاءة ولها عمر أطول من محركات التيار المباشر المصقولة السابقة (DC). جنبا إلى جنب مع التحول نحو محركات التيار المتردد المتزامن (AC) في التطبيقات الصناعية عالية الطاقة، بدأت العديد من التطبيقات الأخرى أيضًا في استخدام محركات BLDC.
في الوقت الحاضر، تغلغلت محركات BLDC في كل جانب من جوانب الحياة اليومية للمستهلكين. ويمكن العثور عليها في الأدوات التي تعمل بالبطاريات مثل المثاقب والمنافيخ، والأجهزة المنزلية مثل الغسالات والطابعات، وكذلك الدراجات الكهربائية والسيارات. في البيئات الصناعية، تم استخدام محركات BLDC للتحكم في الحركة وتطبيقات معالجة المواد. توفر محركات BLDC أيضًا الطاقة للمركبات الأرضية بدون طيار (UGVs)، والطائرات بدون طيار، والمركبات الجوية المماثلة بدون طيار (UAVs)، بالإضافة إلى الروبوتات الجراحية والهياكل الخارجية المساعدة.
تعتمد محركات التيار المستمر المصقولة على فرشات معدنية أو كربونية لتوصيل الطاقة الكهربائية إلى ملفات المحرك، في حين أن محركات BLDC غير متصلة. نظرًا لغياب الاحتكاك والتآكل، فهو أكثر كفاءة، ويتطلب صيانة أقل، وله عمر أطول للمحرك. كما أن أداء BLDC أفضل أيضًا، مع سرعة أكبر وعزم دوران أكبر ونسبة أعلى من القوة إلى الوزن. بمساعدة أنظمة التحكم المتقدمة، يمكن لمحركات BLDC تغيير السرعة أو عزم الدوران على الفور تقريبًا وتوفير موضع دقيق لضمان السلامة.
إن الأداء المتميز الذي أظهرته محركات محركات BLDC المتقدمة يجعل هذه المحركات وأنظمة التحكم الخاصة بها جذابة للغاية للمهندسين الذين يصممون تطبيقات الروبوتات والطائرات بدون طيار الحديثة، والتي تتطلب عادةً ميزات مثل التصغير والسرعة العالية والدقة العالية والسلامة العالية ومتطلبات الصيانة المنخفضة.
المبدأ الأساسي لمحرك BLDC
يتميز محرك BLDC ببنية بسيطة مكونة من ثلاثة أجزاء مما يجعله أمرًا لا يصدق. تم تجهيز الجزء الثابت بمجموعتين إلى ثماني مجموعات من اللفات النحاسية، موزعة على محيط محاط بالدوار المجهز بمغناطيس دائم أو موازٍ له (الشكل 1). يتم توصيل وحدة التحكم في المحرك بالجزء الثابت للحصول على بيانات الموقع وتزويد الملف بالطاقة.
جهاز تحكم لمحرك BLDC ثلاثي الطور
الشكل 1: تعمل وحدة التحكم في المحرك BLDC ثلاثية الطور على تغيير اتجاه المجال المغناطيسي للجزء الثابت عن طريق تبديل الحالة النشطة والقطبية الحالية لملفات الجزء الثابت (مراحل U، V، W). يدور الجزء المتحرك (الجزء الأزرق) المزود بمغناطيس دائم وفقًا لذلك، وبالتالي يحافظ على نفس اتجاه المجال المغناطيسي للجزء الثابت. (مصدر الصورة: كورفو)
إن تطبيق الكهرباء على مجموعة من اللفات في الجزء الثابت سوف يولد مجالًا مغناطيسيًا، وسوف يستجيب المغناطيس الدائم للجزء المتحرك لهذا المجال المغناطيسي. يؤدي التجاذب بين الأقطاب المغناطيسية المتقابلة إلى دوران الجزء المتحرك. قبل محاذاة الجزء المتحرك مع المجال المغناطيسي للجزء الثابت، ستقوم وحدة التحكم بتبديل الملف النشط، وتغيير اتجاه المجال المغناطيسي، والحفاظ على دوران الجزء المتحرك بشكل مستمر.
في الواقع، فإن نبضة التيار المرسلة من وحدة التحكم إلى الجزء الثابت ستتغير من التوصيل إلى الانفصال، وتبديل القطبية عند تردد معين لتمثيل التيار باستخدام شكل موجة معين. يتم تمثيل مخطط التبديل الموضح في الشكل 1 بموجات شبه منحرفة. الأنواع الأخرى من المحركات، بما في ذلك المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM)، لها موجات جيبية. هذا النوع من المحركات يشبه من الناحية الهيكلية محرك BLDC، ولكنه يدفع المجال المغناطيسي للدوران من خلال تيارات مختلفة، ويظل الدوار متزامنًا ومغلقًا مع المجال المغناطيسي. يمكن أن يؤدي ضبط سعة ومرحلة هذه الموجات إلى تغيير سرعة المحرك وعزم الدوران المتوفر.
يمكن لوحدة التحكم أيضًا تلقي معلومات ردود الفعل المستمرة من مستشعرات الموضع مثل مستشعرات تأثير Hall أو أجهزة التشفير الكهروضوئية. في محركات BLDC التي لا تحتوي على مستشعرات، يمكن استخدام القيمة المقاسة للقوة الدافعة الكهربائية العكسية (BEMF) - التيار الناتج عن المجال المغناطيسي المتولد عن الملف المنشط في الملف غير المنشط - لتحديد موضع الجزء الدوار.
تطوير سائقي السيارات
نظرًا لأن المراقبة وإمدادات الطاقة والتحكم في محركات BLDC تتطلب هياكل معقدة، فليس من المستغرب أن تتطلب وحدات التحكم في المحركات BLDC القديمة التي تستخدم الأجهزة الإلكترونية ذات الحالة الصلبة في البيئات الصناعية مساحة خزانة مستقلة وكابلات طاقة وبيانات ضخمة لتوصيل المحركات. تعمل الدوائر المتكاملة (ICs) المتطورة بشكل متزايد على التصغير المستمر لوحدات التحكم في المحركات، حتى يمكن دمجها في لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs). على الرغم من تحقيق التصغير، إلا أن وظائف وحدات التحكم في المحركات الحالية مستمرة في التوسع.
على سبيل المثال، محرك Qorvo's ACT72350 ثلاثي الطور BLDC (الشكل 2). يدمج برنامج التشغيل هذا واجهة أمامية تناظرية قابلة للتكوين (AFE)، ووحدة إدارة طاقة تتكيف مع تكوينات الطاقة المختلفة، ومحرك محرك مخصص (ASPD) في جهاز تثبيت على السطح مسطح بدون سلك (QFN) مقاس 9 مم × 9 مم.
محرك Qorvo ACT72350 المتكامل ثلاثي الطور BLDC
الشكل 2: يدمج برنامج تشغيل المحرك BLDC ثلاثي الطور المتكامل ACT72350 دوائر AFE ووظيفة إدارة الطاقة القابلة للتكوين في حزمة تثبيت سطحية مدمجة. (مصدر الصورة: كورفو)
تم تجهيز AFE القابل للتكوين لـ ACT72350 بثلاثة مكبرات صوت تفاضلية قابلة للبرمجة، وأربعة مكبرات صوت قابلة للبرمجة ذات طرف واحد، ومحولين تناظريين إلى رقمي 10 بت، وعشرة مقارنات، مما يجعلها جسرًا يربط بين أجهزة الاستشعار ودوائر التحكم. يمكن لـ AFE أيضًا استقبال إشارات التحكم في تعديل عرض النبض (PWM) من وحدة التحكم الدقيقة الخارجية (MCU) من خلال واجهة طرفية تسلسلية (SPI).
تتيح وحدة إدارة الطاقة القابلة للتكوين ACT72350 قبول جهد إدخال التيار المستمر الذي يتراوح من 25 فولت إلى 160 فولت، بما في ذلك ما يصل إلى 20 ثانية من سعة البطارية (الجهد الاسمي 72 فولت أو 84 فولت عند الشحن الكامل). يمكن أن يوفر مصدر طاقة التحويل عالي الجهد لهذه الوحدة جهدًا ثابتًا للإخراج 12 فولت أو 15 فولت، ويمكنه أيضًا توفير مصدر طاقة ثابت 5 فولت و200 مللي أمبير لوحدات ACT72350 ووحدات MCU.
يمكن لـ ASPD الخاص بـ ACT72350 استخدام بنية نصف جسر أو جسر H أو ثلاثية الطور لقيادة المحرك (الشكل 3). ثلاثة محركات للبوابة الجانبية ذات الجهد العالي بجهد 160 فولت وثلاثة محركات للبوابة الجانبية ذات الجهد المنخفض بجهد 20 فولت، كل سائق لديه قدرة قيادة البوابة 2 أمبير (تيار السحب)/2 أمبير (تيار الصب)، والتي يمكن أن تحقق أداء تحويل سريع لتحسين سرعة المحرك.