Sinds de succesvolle ontwikkeling in de jaren zestig is bewezen dat borstelloze gelijkstroommotoren (BLDC) efficiënter zijn en een langere levensduur hebben dan eerdere geborstelde gelijkstroommotoren (DC). Samen met de verschuiving naar synchrone wisselstroommotoren (AC) in industriële toepassingen met hoog vermogen, zijn ook veel andere toepassingen BLDC-motoren gaan gebruiken.
Tegenwoordig zijn BLDC-motoren doorgedrongen tot elk aspect van het dagelijkse leven van consumenten. Ze zijn te vinden in gereedschappen op batterijen, zoals boormachines en blazers, in huishoudelijke apparaten zoals wasmachines en printers, maar ook in elektrische fietsen en auto's. In industriële omgevingen worden BLDC-motoren gebruikt voor motion control- en materiaalbehandelingstoepassingen. BLDC-motoren leveren ook stroom voor onbemande grondvoertuigen (UGV's), drones en soortgelijke onbemande luchtvoertuigen (UAV's), evenals voor chirurgische robots en ondersteunende exoskeletten.
Geborstelde gelijkstroommotoren zijn afhankelijk van metalen of koolstofcommutatorborstels om elektrische energie aan de motorwikkelingen te leveren, terwijl BLDC-motoren contactloos zijn. Door het ontbreken van wrijving en slijtage is deze efficiënter, vergt minder onderhoud en heeft een langere levensduur van de motor. De prestaties van BLDC zijn ook beter, met een hogere snelheid, een groter koppel en een hogere vermogen-gewichtsverhouding. Met behulp van geavanceerde besturingssystemen kunnen BLDC-motoren vrijwel onmiddellijk de snelheid of het koppel wijzigen en een nauwkeurige positionering bieden om de veiligheid te garanderen.
De uitstekende prestaties van de geavanceerde BLDC-motordrivers maken deze motoren en hun besturingssystemen zeer aantrekkelijk voor ingenieurs die moderne robot- en drone-toepassingen ontwerpen, die doorgaans functies vereisen zoals miniaturisatie, hoge snelheid, hoge precisie, hoge veiligheid en lage onderhoudsvereisten.
Basisprincipe van BLDC-motor
De BLDC-motor heeft zo'n eenvoudige driedelige structuur dat het gewoonweg ongelooflijk is. De stationaire stator is uitgerust met twee tot acht sets koperen wikkelingen, verdeeld over een omtrek omgeven door of evenwijdig aan de rotor, uitgerust met permanente magneten (Figuur 1). De motorcontroller is verbonden met de stator om positiegegevens te verkrijgen en stroom aan de wikkeling te leveren.
Controller voor driefasige BLDC-motor
Afbeelding 1: De driefasige BLDC-motorcontroller verandert de richting van het magnetische statorveld door de bekrachtigde toestand en de huidige polariteit van de statorwikkelingen (U-, V-, W-fasen) te wisselen. De rotor (blauw gedeelte) met ingebouwde permanente magneten roteert overeenkomstig en behoudt zo dezelfde richting als het magnetische veld van de stator. (Afbeeldingsbron: Qorvo)
Het toepassen van elektriciteit op een reeks wikkelingen in de stator zal een magnetisch veld opwekken, en de permanente magneet van de rotor zal op dit magnetische veld reageren. De aantrekkingskracht tussen tegengestelde magnetische polen zorgt ervoor dat de rotor roteert. Voordat de rotor wordt uitgelijnd met het magnetische veld van de stator, schakelt de controller de bekrachtigde wikkeling om, verandert de richting van het magnetische veld en zorgt ervoor dat de rotor continu blijft draaien.
In feite zal de stroompuls die door de controller naar de stator wordt gestuurd, veranderen van geleiding naar ontkoppeling, en op een bepaalde frequentie van polariteit wisselen om de stroom weer te geven met behulp van een bepaalde golfvorm. Het in figuur 1 getoonde schakelschema wordt weergegeven door trapeziumvormige golven. Andere typen motoren, waaronder synchrone motoren met permanente magneet (PMSM), hebben sinusgolven. Dit type motor is structureel vergelijkbaar met een BLDC-motor, maar drijft het magnetische veld aan om door middel van variërende stromen te roteren, en de rotor blijft gesynchroniseerd en vergrendeld met het magnetische veld. Het aanpassen van de amplitude en fase van deze golven kan de snelheid en het beschikbare koppel van de motor veranderen.
De controller kan ook continue feedbackinformatie ontvangen van positiesensoren zoals Hall-effectsensoren of foto-elektrische encoders. Bij sensorloze BLDC-motoren kan de gemeten waarde van de omgekeerde elektromotorische kracht (BEMF) - de stroom die wordt gegenereerd door het magnetische veld dat wordt gegenereerd door de bekrachtigde wikkeling in de niet-bekrachtigde wikkeling - worden gebruikt om de positie van de rotor te bepalen.
Ontwikkeling van motorbestuurders
Gezien het feit dat de monitoring, stroomvoorziening en besturing van BLDC-motoren complexe structuren vereisen, is het niet verrassend dat ouderwetse BLDC-motorcontrollers die gebruik maken van solid-state elektronische apparaten in industriële omgevingen onafhankelijke kastruimte en omvangrijke stroom- en datakabels nodig hebben om de motoren aan te sluiten. De steeds geavanceerdere geïntegreerde schakelingen (IC's) zorgen voor de voortdurende miniaturisering van motorcontrollers, totdat ze kunnen worden geïntegreerd op printplaten (PCB's). Ondanks de miniaturisering blijft de functionaliteit van de hedendaagse motorcontrollers zich uitbreiden.
Bijvoorbeeld de ACT72350 driefasige BLDC-motordriver van Qorvo (Figuur 2). Deze driver integreert een configureerbare analoge front-end (AFE), een energiebeheermodule die is aangepast aan verschillende stroomconfiguraties, en een speciale motordriver (ASPD) in een 9 mm x 9 mm vierkant plat no-lead (QFN) opbouwapparaat.
Qorvo ACT72350 Geïntegreerde driefasige BLDC-motordriver
Afbeelding 2: De ACT72350 geïntegreerde driefasige BLDC-motordriver integreert AFE-circuits en configureerbare energiebeheerfunctionaliteit in een compact opbouwpakket. (Afbeeldingsbron: Qorvo)
De configureerbare AFE van de ACT72350 is uitgerust met drie differentiële programmeerbare versterkingsversterkers, vier single-ended programmeerbare versterkingsversterkers, twee 10-bit analoog-naar-digitaal omzetters en tien comparatoren, waardoor het een brug is die sensoren en besturingscircuits met elkaar verbindt. Deze AFE kan ook pulsbreedtemodulatie (PWM)-besturingssignalen ontvangen van een externe microcontroller (MCU) via een seriële perifere interface (SPI).
Dankzij de configureerbare energiebeheermodule kan de ACT72350 DC-ingangsspanningen accepteren van 25 V tot 160 V, inclusief maximaal 20 seconden batterijcapaciteit (nominale spanning van 72 V of 84 V wanneer volledig opgeladen). De hoogspanningsschakelende voeding van deze module kan een stabiele 12V- of 15V-uitgangsspanning leveren, en kan ook een stabiele 5V, 200mA-voeding leveren voor ACT72350-modules en MCU's.
De ASPD van de ACT72350 kan een halve brug-, H-brug- of driefasige architectuur gebruiken om de motor aan te drijven (Figuur 3). Drie hoogspannings-zijpoortdrivers met een spanning van 160 V en drie laagspanningszijpoortdrivers met een spanning van 20 V, elke driver heeft een poortaandrijfvermogen van 2 A (trekstroom)/2 A (stroomstroom), wat snelle schakelprestaties kan bereiken om de motorsnelheid te verbeteren.