موتور DC بدون جاروبک (BLDC) نوعی از موتورهای سنکرون هستند.
این موضوع به این معنی است که در موتور BLDC میدان مغناطیسی در روتور و استاتور با یک فرکانس ایجاد می‌شوند.
انواع موتور DC بدون جاروبک دارای لغزش به آن مفهومی که در موتورهای القایی وجود دارد نمی‌باشند.
موتورهای دی‌سی براش‌لس با منبع دی‌سی تغذیه می‌شوند که توسط اینورتر مجتمع برای به حرکت درآوردن موتور به سیگنال الکتریکی AC تبدیل می‌شود.
سنسورها و قطعات الکترونیکی دیگری نیز خروجی اینورتر را کنترل می‌نمایند.
موتورهای براش‌لس همچنین به صورت موتورهای پله‌ای وصف می‌شوند.
هر چند عنوان موتور پله‌ای برای آن دسته از موتورها به کار می‌رود که طراحی آن‌ها به گونه‌ای است که به حالت‌هایی عمل نمایند که روتور آن به سرعت در نقطه زاویه‌ای تعریف شده بایستد.
موتورهای BLDC در انواع تکفاز، دو فاز و سه فاز وجود دارند.
مطابق نوع آن، استاتور دارای همان تعداد سیم‌پیچ می باشد.
علاوه بر این موتورهای سه فاز بیشترین رواج و مصرف را در بین انواع دیگر دارند.
اصول عملکرد موتور DC بدون جاروبک:
همانطور که از نام موتورهای DC بدون جاروبک مشخص است، برای عملکرد به جاروبک نیاز ندارند.
در موتورهای جریان مستقیم معمولی، جاروبک‌ها وظیفه رساندن جریان الکتریکی از طریق کموتاتورها به سیم‌پیچ‌های روتور را برعهده دارند.
پس چگونه موتور بدون جاروبک جریان را منتقل می‌کند؟
در واقع، در این نوع موتورها عمل انتقال جریان به سیم‌پیچ‌های روتور انجام نمی‌شود. زیرا سیم‌پیچ‌ها روی روتور قرار ندارند.
روتور از جنس مغناطیس دائم ساخته شده و سیم‌پیچ‌ها روی استاتور ثابت هستند و نمی‌چرخند، به همین دلیل نیاز به جاروبک برای عمل کموتاسیون وجود ندارد.
در موتورهای دارای جاروبک، عمل چرخش از طریق کنترل میدان مغناطیسی تولیدی به وسیله سیم‌پیچ روتور انجام می‌شود.
در حالی که میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهنرباهای دائم ساکن، ثابت باقی می‌ماند.
برای تغییر سرعت چرخش، ولتاژ سیم‌پیچ‌ها باید تغییر کنند.
در موتور DC بدون جاروبک ، مغناطیس دائم موتور است که می‌چرخد و دوران به وسیله تغییر در جهت میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ‌های ثابت اطراف، انجام می‌گیرد.
برای کنترل چرخش باید دامنه و جهت جریان در این سیم‌پیچ‌ها تنظیم شوند.
یک موتور BLDC با سه سیم‌پیچ – که هر کدام دو سر دارند – در کل شش سیم دارد.
در اکثر کاربردهای عملی سه سر از این سیم‌ها به صورت داخلی (اتصال ستاره) به هم دیگر متصل هستند.
سه سیم دیگر از موتور خارج شده‌اند (در موتور جریان مستقیم دو سیم از موتور خارج می‌شود).
کنترل موتور DC بدون جاروبک :
همانطور که دیدیم تفاوت عمده موتورهای بدون جاروبک نسبت به موتورهای دارای جاروبک عدم وجود کموتاسیون مکانیکی در این موتورهاست.
اما تفاوت دیگر این است که کنترل این موتورها به مراتب پیچیده‌تر از موتور دارای جاروبک است.
کنترل موتور BLDC نیازمند آگاهی از موقعیت روتور است.
برای کنترل حلقه‌بسته سرعت موتور به دو مورد دیگر نیز نیاز داریم:
- اندازه‌گیری سرعت و اندازه‌گیری جریان موتور
- سیگنال مدولاسیون پهنای باند یا PWM برای کنترل توان و سرعت موتور
کنترل سنسوری موتور DC بدون جاروبک :
در حالت کلی، کنترل موتور BLDC به دو دسته سنسوری و بدون سنسور (Sensorless) تقسیم می‌شوند.
در کنترل سنسوری برای اندازه‌گیری موقعیت روتور از سنسورهای اثر هال تعبیه شده در استاتور استفاده می‌شود. که موقعیت نسبی را اندازه می‌گیرند.
سنسورهای اثر هال در بازه‌های برابری (معمولا 60 یا 120 درجه الکتریکی) چیده شده‌اند.
در کنترل سنسوری، از ترکیب سنسور اثر هال با ترانزیستورهای قدرت استفاده می‌شود که به عنوان کلید الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سنسور اثر هال یک سیگنال منطقی صفر یا یک تولید می‌کند. (زمانی که قطب شمال مغناطیسی در برابر آن قرار گیرد، سطح یک منطقی را نشان می‌دهد)
توالی کموتاسیون توسط ترکیب سیگنال‌های منطقی سنسور اثر هال و کلیدهای ترانزیستوری تولید می‌شود.
در شکل زیر توالی کموتاسیون در یک موتور BLDC سه فاز به تصویر کشیده شده است.
سنسورهای اثر هال در موقعیت b ،a و c نصب شده‌اند.
برای هر گام در توالی کموتاسیون، یکی از سیم‌پیچ ها (U یا V یا W) توسط پل ترانزیستوری ماسفت (MOSFET) یا به منبع ولتاژ (high) یا به زمین (low) متصل می‌شود و یا اتصالی ندارد (float).
برای مثال در شکل سمت چپ در ردیف اول V ،U و W به ترتیب float ،low ،high هستند.
نیروی مغناطیسی حاصل باعث چرخش موتور در جهت پادساعتگرد خواهد شد.
ادامه این توالی سبب چرخش موتور و کامل شدن چرخش آن به اندازه نیم دور مکانیکی خواهد شد.
در تصویر زیر وضعیت سیم‌پیچ‌های هر فاز متناظر با سیگنال‌های سنسور اثر هال نشان داده شده است.
به این نکته توجه کنید که چگونه هر 60 درجه الکتریکی حداقل یک کلید منطقی و سیم‌پیچ تغییر وضعیت می‌دهند.
کنترل بدون سنسور موتور DC بدون جاروبک :
در کنترل بدون سنسور موتور BLDC سنسور اثر هال حذف شده و به جای آن از نیروی ضد محرکه (Back-EMF) برای تخمین موقعیت استفاده می‌شود.
کنترل بدون سنسور برای کاربردهای سرعت متغیر و کم‌هزینه مانند کولر، پمپ، یخچال و تهویه هوا ضروری است.
نیروی ضد محرکه منجر به جریانی در هر سیم‌پیچ موتور DC بدون جاروبک (BLDC) و در نتیجه یک میدان مغناطیسی با شار مخالف با میدان اصلی خواهد شد که توسط قانون لنز توصیف می‌شود.
نیروی ضد محرکه تمایل دارد تا در برابر چرخش موتور مقاومت کند و به همین دلیل از نام Back برای آن استفاده می‌شود.
برای یک موتور DC بدون جاروبک با شار مغناطیسی ثابت، نیروی ضد محرکه با سرعت زاویه‌ای موتور متناسب است.
با نظارت بر نیروی ضد محرکه موتور، یک برنامه مناسب میکروکنترلری می‌تواند موقعیت نسبی روتور و استاتور را بدون نیاز به سنسور اثر هال تعیین کند. این موضوع منجر به ساده‌سازی ساختار موتور، کاهش هزینه و حذف اتصالات اضافی مورد نیاز برای اتصال به سنسورهای اثر هال می‌شود که به نوبه خود قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد.
عیب عمده این روش این است که موتور در حالت ساکن نیروی ضد محرکه تولید نمی‌کند. در نتیجه میکروکنترلر قادر نخواهد بود موقعیت نسبی روتور را از ابتدا تعیین کند. راه حل این مشکل راه‌اندازی موتور DC بدون جاروبک به صورت حلقه باز است تا نیروی ضد محرکه القایی کافی برای میکروکنترلر تولید شود و در نتیجه موقعیت روتور و استاتور را تخمین بزند و سپس کنترل را آغاز کند.
نقاط گذر از صفر:
نیروی ضد محرکه تولید شده به وسیله هر سیم‌پیچ، موتور DC بدون جاروبک در شکل پایین نشان داده و با خروجی کلید منطقی سنسور اثر هال مقایسه شده است. همانطور که در این شکل نیز می‌توان دید نقاط گذر از صفر (Zero-Crossing Points) برای نیروی ضد محرکه در سیم‌پیچ‌ها همزمان با تغییرات حالت کلیدهای منطقی است. همین نقاط گذر از صفر است که به میکروکنترلر کمک می‌کند تا هر مرحله از چرخه کموتاسیون در کنترل بدون سنسور موتور BLDC را انجام دهد.