نحوه كار موتور DC براشلس و اسپید کنترلر ESC

اين مقاله به نحوه كار موتور DC براشلس (BLDC) و اسپید کنترلر (ESC) مي‌‌پردازد. در ادامه، بخش اول اين آموزش ارائه مي‌‌شود و مباني و اصول كاركرد موتورهايBLDC  و كنترلر ESC بيان خواهد شد. در بخش دوم آموزش، در خصوص چگونگي كنترل موتورهاي BLDC توسط آردوينو بحث خواهد شد.

نحوه كار موتور DC براشلس (BLDC)

يك موتور BLDC از دو بخش اصلي به نام استاتور و روتور تشكيل شده است. رتور بصورت يك آهنرباي مغناطيسي دو قطب و استاتور بصورت يكسري سيم‌پيچ خاص با ساختاري كه در شكل زير نشان شده، است.

مي‌دانيم كه عبور جريان الكتريكي از يك سيم‌پيچ باعث توليد ميدان مغناطيسي مي‌شود كه خطوط ميدان يا قطب‌هاي ميدان بستگي به جهت جريان الكتريكي دارد.

بنابراين از طريق اعمال جريان مناسب به سيم‌پيچ استاتور مي‌توان ميدان مغناطيسي لازم براي جذب آهنرباي دائم رتور را توليد نمود. لذا با فعال كردن سيم‌پيچ‌هاي استاتور يكي پس از ديگري نيروي تداخل مغناطيسي بين آهنرباي دائم و آهنرباي الكترومغناطيسي سبب استمرار چرخش رتور خواهد شد.

براي افزايش راندمان موتور مي‌توان دو سيم‌پيچ مقابل را در قالب يك سيم‌پيچ واحد سيم بندي كرد كه باعث توليد دو قطب الكترومغناطيسي مخالف قطب‌‌هاي روتور مي‌شود. در نتيجه، نيروي جاذبه مغناطيسي دو برابر خواهد شد.

در چنين ساختاري مي‌توان توسط سه عدد سيم‌پيچ، 6 قطب مغناطيسي روي استاتور ايجاد نمود. حتي براي افزايش بيشتر راندمان مي‌توان همزمان دو سيم‌پيچ را تحريك نمود بصورتيكه قطب‌‌هاي مغناطيسي يك سيم‌پيچ سبب جذب روتور و قطب‌‌هاي مغناطيسي سيم‌پيچ ديگر سب دفع روتور شوند.

براي ايجاد يك سيكل 360 درجه براي رتور به شش گام يا بازه زماني (interval) نياز است.

با دقت در شكل موج جريان سه سيم‌پيچ A، B و C مي‌توان مشاهده نمود كه در هر بازه زماني يك سيم‌پيچ داراي جريان مثبت و سيم‌پيچ ديگري داراي جريان منفي و سيم‌پيچ فاز سوم بدون جريان است. ايده اي كه مطرح مي‌شود اين است كه سر انتهاي آزاد سه سيم‌پيچ را به يكديگر وصل نمود و جريان الكتريكي اشتراكي براي هر سه سيم‌پيچ استفاده نمود. به عبارت ديگر، در هر زمان مي‌توان از يك جريان الكتريكي واحد براي تحريك دو سيم‌پيچ استفاده نمود.

در اين جا مثالي مي‌زنيم. اگر بوسيله نوعي سوئيچ نظير ماسفت فاز A را به ولتاژ مثبت dc (VCC) و در طرف ديگر سيم‌پيچ فازB  را به زمين متصل كنيم، جريان الكتريكي از VCC به سمت فاز A ، نقطه خنثي(neutral)  و فاز B  و نهايتا به سمت زمين (ground) عبور داده مي‌شود. بنابراين با استفاده از يك جريان الكتريكي مي‌توان چهار قطب مغناطيسي توليد كرد كه سبب حركت چرخشي روتور خواهد شد.

در چنين ساختاري در حقيقت فاز‌هاي استاتور نوعي اتصال ستاره با يك نقطه خنثي (neutral) داخلي تشكيل مي‌دهند. سرهاي ديگر سه سيم‌پيچ به عنوان سيم‌هاي خروجي موتور خواهند بود. به همین دليل است كه موتورهاي براشلس DC داراي سه سيم خروجي هستند.

بنابراين براي تكميل سيكل دوران روتور كافيست در هر يك از شش بازه زماني دو ماسفت بصورت صحيح فعال شوند و اين همان چيزي است كه كنترلرهاي ESC انجام مي‌دهند.

نحوه كار اسپید کنترلر ESC

ESC يك اسپید کنترلر براي كنترل سرعت دوران موتور براشلس DC است كه از طريق فعال كردن ماسفت‌هاي مناسب براي توليد ميدان مغناطيسي دوار عمل مي‌‌كند. هر چقدر فركانس تغيير سوئيچينگ ماسفت‌ها در شش بازه زماني توسط ESC افزايش داده شود، سرعت دوران رتور نيز بيشتر خواهد شد.

سوال اصلي اين است كه از كجا بدانيم در هر بازه زماني كدام فاز را فعال كنيم. پاسخ اين است كه كافيست موقعيت روتور را بدانيم. دو روش معمول براي تعيين موقعيت روتور وجود دارد.

• روش اول استفاده از سنسورهاي اثر‌هال است كه با فواصل مكاني مساوي 60 يا120 درجه در استاتور قرار داده مي شوند.

هنگامي‌‌كه آهنرباي دائم رتور مي‌چرخد سنسورهاي اثر‌هال ميدان مغناطيسي را حس مي‌كنند و براي يك قطب مغناطيسي “High” منطقي و براي قطب مخالف “Low” منطقي توليد مي‌كنند. بدين ترتيب، ESC در لحظه مناسب دنباله بعدي يا بازه زماني بعد را فعال مي‌كند.

• روش معمول ديگر براي تعيين موقعيت روتور استفاده از نيروي محركه الكتريكي معكوس (back EMF) است. هنگامي‌‌كه يك ميدان مغناطيسي متغير از درون يك سيم‌پيچ مي‌گذرد، جريان الكتريكي در سيم‌پيچ القا مي‌شود و در نتيجه نيروي محركه معكوس توليد خواهد شد.

بنابراين هنگامي‌‌كه ميدان مغناطيسي متحرك رتور از درون سيم‌پيچ غيرفعال استاتور مي‌گذرد، جريان الكتريكي در اين سيم‌پيچ القا شده و سبب وقوع يك افت ولتاژ در آن سيم‌پيچ مي‌گردد. كنترلر ESC بر اساس افت ولتاژ سيم پيچ‌ها اقدام به محاسبه يا پيش بيني لحظه فعال كردن بازه زماني بعدي مي‌كند.

چنانچه تعداد قطب‌هاي رتور و استاتور نيز افزايش داده شود، اصول كاركرد موتور براشلس و اسپید کنترلر ESC نيز به همين صورت گفته شده، خواهد بود. با افزايش تعداد قطب‌ها، همچنان  يك موتور سه فاز خواهيم داشت با اين تفاوت كه براي تكميل سيكل چرخش رتور تعداد بازه‌هاي زماني افزايش خواهد يافت.

لازم به ذكر است كه موتورهاي BLDC مي‌توانند به دو صورت inrunner  و outrunner ساخته شوند. در موتور براشلس inrunner آهنرباي دائم درون آهنرباهاي الكتريكي قرار دارد. بالعكس، آهنرباي دائم موتورهاي براشلس outrunner در خارج از آهنرباي الكتريكي قرار دارد. اصول كار هر دو نوع اين موتورها مشابه است، هرچند هر كدام از آن‌ها داراي يكسري نقاط ضعف و قوت هستند.

توضيحات تئوري كفايت مي‌كند! اكنون مي‌خواهيم آن چه توضيح داده شد را در دنياي واقعي ببينيم. براي اينكار سه فاز يك موتور براشلس DC را به يك اسيلوسكوپ متصل مي‌كنيم. سه مقاومت الكتريكي را در يك ساختار ستاره با نقطه خنثي (neutral) در مركز آن به يكديگر متصل مي‌كنيم. سر آزاد مقاومت‌ها را نيز به سه فاز موتور براشلس وصل مي‌كنيم.

سه موج سينوسي كه در حقيقت نيروهاي الكترو محركه معكوس سيم پيچ‌ها در زمان‌هايي كه غيرفعال هستند را مي‌توان بر روي اسيلوسكوپ مشاهده نمود.

سه موج سينوسي را مي‌توان بر روي اسيلوسكوپ مشاهده نمود. اين امواج در حقيقت نيروهاي الكترو محركه معكوس سيم پيچ‌ها (در زمان‌هايي كه سيم‌پيچها غيرفعال هستند) مي‌باشند. با تغيير سرعت دور موتور، دامنه و فركانس اين سه موج سينوسي نيز تغيير خواهد كرد. هر اندازه سرعت دوران موتور بيشتر شود، دامنه و فركانس اين سه موج سينوسي مربوط به نيروهاي الكترومحركه معكوس نيز افزايش خواهند داشت. هرچند، در حقيقت همين پيك امواج سينوسي است كه موتور را به حركت در مي‌‌آورد كه ناشي از فازهاي فعالي است كه ميدان مغناطيسي متغير را توليد مي‌كنند.

مي‌توان مشاهده كرد كه در هر بازه زماني دو فاز فعال و يك فاز غير فعال وجود دارد. به عنوان نمونه، در اينجا فاز A و B فعال و فاز C غير فعال است. پس از آن، فاز A و C فعال و فاز B غيرفعال خواهد شد و اين فرآيند به همين شكل تا تكميل شش بازه ادامه خواهد يافت.

در اين مقاله اصول كاري موتور DC براشلس ارائه شد. در صورت نياز به داشتن اطلاعات در خصوص مثال‌هايی از دنياي واقعي و چگونگي كنترل موتور BLDC با استفاده از آردوينو، مي‌توانيد قسمت بعدي اين آموزش را دنبال كنيد.