มาพูดถึงหลักการพื้นฐานของมอเตอร์กันก่อน ข้อมูลพื้นฐานสามารถข้ามได้โดยตรง
ทุกคนเคยเล่นแม่เหล็กตั้งแต่ยังเด็ก ขั้วต่างๆ ดึงดูดกัน และแม่เหล็กทั้งสองชนกันทันทีที่พวกมันเข้าใกล้
สมมติว่ามือของคุณเร็วพอที่จะดึงดูดแม่เหล็กอันหนึ่งมาข้างหน้าคุณ และอีกแม่เหล็กหนึ่งจะติดตามคุณตลอดเวลา
คุณถือแม่เหล็กไว้ในมือแล้ววาดวงกลม และแม่เหล็กอีกอันจะติดตามคุณเป็นวงกลม
ข้างต้นเป็นหลักการพื้นฐานของการหมุนของมอเตอร์ เป็นเพียงว่า "แม่เหล็ก" ที่ใช้ในการเกลี้ยกล่อมไม่ใช่แม่เหล็กจริง แต่เป็นสนามแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดกระตุ้น
1. การแนะนำมอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรง
มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน ตัวย่อภาษาอังกฤษคือ BLDC (มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน) สเตเตอร์ (ส่วนที่เคลื่อนที่) ของมอเตอร์คือขดลวดหรือขดลวด โรเตอร์ (ส่วนที่หมุน) เป็นแม่เหล็กถาวรซึ่งเป็นแม่เหล็ก ตามตำแหน่งของโรเตอร์ ไมโครคอมพิวเตอร์ชิปตัวเดียวใช้เพื่อควบคุมพลังงานของขดลวดแต่ละขดลวด เพื่อให้สนามแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดเปลี่ยนแปลงไป เพื่อหลอกล่อโรเตอร์ที่อยู่ด้านหน้าอย่างต่อเนื่องเพื่อให้โรเตอร์หมุน นี่คือหลักการหมุนของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน มาดำดิ่งกัน
2. หลักการทำงานพื้นฐานของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน
2.1. โครงสร้างของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน
เริ่มจากคอยส์พื้นฐานที่สุดก่อน
ดังที่แสดงด้านล่าง ขดลวดสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นสิ่งที่เติบโตเหมือนสปริง ตามกฎเกลียวขวาที่เรียนรู้ในโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนต้น เมื่อกระแสไหลจากบนลงล่างของขดลวด ขั้วบนของขดลวดคือ N และขั้วล่างคือ S
ตอนนี้ทำอีกม้วนแบบนี้ จากนั้นซอกับตำแหน่ง วิธีนี้ถ้ากระแสไหลผ่านจะทำหน้าที่เหมือนมีแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่สองตัว
รับอีกอันหนึ่งเพื่อสร้างขดลวดสามเฟสของมอเตอร์
ประกอบกับโรเตอร์ที่ทำจากแม่เหล็กถาวร เป็นมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน
2.2. วงจรเปลี่ยนกระแสของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน
เหตุผลที่มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านใช้กระแสตรงเท่านั้นและไม่มีแปรง เพราะมีวงจรภายนอกเพื่อควบคุมพลังงานของขดลวดโดยเฉพาะ องค์ประกอบหลักของวงจรเปลี่ยนกระแสนี้คือ FET (Field-Effect Transitor) FET สามารถคิดได้ว่าเป็นสวิตช์ แผนภาพด้านล่างระบุ FETs เป็น AT (A-phase Top), AB (A-phase Bottom), BT, BB, CT, CB "การเปิดและปิด" ของ FET ถูกควบคุมโดยไมโครคอนโทรลเลอร์
2.3. กระบวนการเปลี่ยนกระแสของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน
ระยะเวลาของ "การเปิดและปิด" ของ FET ถูกควบคุมโดยไมโครคอนโทรลเลอร์ วิธีการเปลี่ยนปัจจุบันที่ใช้บ่อยที่สุดคือการสับเปลี่ยนหกขั้นตอน ซึ่งแปลว่า "การสับเปลี่ยนหกขั้นตอน" ตอนนี้สร้างระบบพิกัด กระบวนการเปลี่ยนหกขั้นตอนมีดังนี้
2.4. โรเตอร์ของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านหมุนอย่างไร?
มันอาศัยการเปลี่ยนหกขั้นตอนเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กหมุนที่ดึงดูดอย่างต่อเนื่องที่ด้านหน้าของโรเตอร์ เช่นเดียวกับมือที่จุดเริ่มต้นของบทความที่ถือแม่เหล็กและวาดวงกลม หากคุณดูที่ทิศทางของสนามแม่เหล็กผลลัพธ์และตำแหน่งของโรเตอร์ จะเห็นได้ชัดเจนในทันที
คุณเห็นไหมว่าขั้ว S ของสนามแม่เหล็กผลลัพธ์กำลังรออยู่ข้างหน้าขั้ว N ของโรเตอร์
ตราบใดที่จับจังหวะเวลาของการเพิ่มพลังให้คอยล์ ทิศทางของสนามแม่เหล็กสังเคราะห์จะอยู่ข้างหน้าตำแหน่งของโรเตอร์เสมอ และโรเตอร์จะตามไปด้วยเสมอ
3. จะกำหนดเวลาของการเปลี่ยนได้อย่างไร?
ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น หัวใจสำคัญในการควบคุมการหมุนของโรเตอร์คือการสับเปลี่ยนกระแสที่ไหลผ่านคอยล์เมื่อโรเตอร์หมุนไปในมุมที่เหมาะสมเพื่อให้ทิศทางของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นเปลี่ยนไป ดึงดูดโรเตอร์และทำให้โรเตอร์หมุน .
ควรเข้าใจจังหวะเวลาของการสับเปลี่ยนปัจจุบันนี้อย่างไร นั่นคือฉันจะรู้ได้อย่างไรว่าโรเตอร์หมุนอยู่ตอนนี้? เมื่อฉันรู้ว่าโรเตอร์อยู่ที่ไหน ฉันจึงจะทราบได้ว่าต้องเชื่อมต่อกับไฟฟ้าสองเฟสใด
ในความเป็นจริง มีหลายวิธีในการตัดสินตำแหน่งของโรเตอร์ ไม่ว่าจะด้วยเซ็นเซอร์หรือไม่มีเซ็นเซอร์ มาพูดถึงเซ็นเซอร์กันก่อน และโดยทั่วไปเซ็นเซอร์จะใช้เซ็นเซอร์ฮอลล์
3.1. ยืนยันตำแหน่งโรเตอร์ด้วยเซ็นเซอร์
3.1.1. ฮอลล์เซนเซอร์
เซ็นเซอร์ Hall สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความแรงของสนามแม่เหล็กผ่าน Hall Effect ตามกฎมือซ้ายที่เรียนรู้ในฟิสิกส์ของโรงเรียนมัธยมปลาย (ใช้เพื่อกำหนดทิศทางแรงของตัวนำที่มีประจุในสนามแม่เหล็ก) ในวงที่เซ็นเซอร์ Hall ตั้งอยู่ สนามแม่เหล็กเบี่ยงเบนการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุ และอนุภาคที่มีประจุ "กระทบ" ที่ห้องโถง มีความต่างศักย์ระหว่างเซ็นเซอร์ทั้งสองข้าง ในเวลานี้ โวลต์มิเตอร์สามารถเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ Hall ทั้งสองด้านเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้านี้ ซึ่งจะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความแรงของสนามแม่เหล็ก หลักการดังแสดงในรูปด้านล่าง
3.1.2. เซ็นเซอร์ Hall รับตำแหน่งโรเตอร์ได้อย่างไร
ด้วยเซ็นเซอร์ Hall สามารถทราบตำแหน่งของโรเตอร์ได้คร่าวๆ โดยทั่วไปแล้ว เซนเซอร์ Hall จะถูกติดตั้งทุกๆ 120 องศา หรือทุกๆ 60 องศา ต่อไปนี้จะถือว่าการติดตั้งทุกๆ 120 องศา
สันนิษฐานว่าเมื่อขั้ว N ของโรเตอร์ตัดผ่านพื้นที่การตรวจจับของเซ็นเซอร์ Hall แรงดันเอาต์พุตของเซ็นเซอร์ Hall จะสูง (โดยทั่วไปคือ 5V) อย่างอื่นก็ต่ำ
ตามระดับของ HA, HB และ HC สามารถทราบมุมของตำแหน่งของโรเตอร์ได้ ตัวอย่างเช่น ถ้า HA สูง HB ต่ำ และ HC ต่ำ เราสามารถรู้ได้ว่าโรเตอร์อยู่ในมุมไฟฟ้าระหว่าง 180 องศาถึง 240 องศา (ความสัมพันธ์ระหว่างมุมไฟฟ้ากับมุมทางกลจริงจะกล่าวถึงในภายหลัง ). เมื่อใช้เซ็นเซอร์ 3 Hall ความละเอียดคือ 60 องศาของมุมไฟฟ้า กล่าวคือ ฉันรู้ได้เพียงว่าตำแหน่งปัจจุบันของโรเตอร์อยู่ภายในช่วงมุมไฟฟ้า 60 องศา แต่เราไม่รู้แน่ชัดว่ากี่องศา
3.1.3. ความสัมพันธ์ระหว่างมุมไฟฟ้าและมุมกล
แม้ว่าการใส่ความรู้เล็กๆ น้อยๆ เช่นนี้เข้าไปจะค่อนข้างแปลก แต่ก็ยังรู้สึกว่าจำเป็นเพราะรู้สึกว่าเวลาเรียนไม่ง่ายที่จะเข้าใจ อาจเข้าใจได้ง่ายขึ้นด้วยตัวอย่างเซ็นเซอร์ Hall ที่นี่
มุมกลคือมุมที่โรเตอร์ของมอเตอร์หมุนจริง
ความสัมพันธ์ระหว่างมุมไฟฟ้าและมุมกลสัมพันธ์กับจำนวนคู่ขั้วของโรเตอร์
Because the magnetic field generated by the coil actually attracts the magnetic poles of the rotor. So for the rotation control of the motor, we only care about the electrical angle.
มุมไฟฟ้า=จำนวนคู่ขั้ว x มุมกล
3.2. วิธีการประมาณตำแหน่งโรเตอร์โดยไม่ใช้เซ็นเซอร์
หลุมนี้ค่อนข้างใหญ่ และคำตอบนี้จะถูกข้ามก่อน
4. ความเร็วในการหมุนและทิศทางการหมุนของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน
4.4. จะควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านได้อย่างไร?
ลำดับการสับเปลี่ยนปัจจุบันสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ให้สนามแม่เหล็กสังเคราะห์โดยขดลวดหมุนไปในทิศทางตรงกันข้าม
4.5. จะควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงได้อย่างไร?
ยิ่งแรงดันตกคร่อมคอยล์มาก กระแสที่ไหลผ่านขดลวดยิ่งมาก สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นจะยิ่งแข็งแกร่ง และโรเตอร์จะหมุนเร็วขึ้น
เนื่องจากกำลังไฟฟ้าที่เชื่อมต่อคือ DC เราจึงมักใช้ PWM (Pulse Width Modulation) เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าข้ามคอยล์ หลักการง่ายๆ ของ PWM มีดังนี้
ดังนั้น เมื่อมอเตอร์ DC แบบไม่มีแปรงถ่านได้รับพลังงาน PWM ที่สร้างโดยไมโครคอมพิวเตอร์ชิปตัวเดียวจึงถูกใช้เพื่อควบคุมการเปิดและปิดของ FET อย่างต่อเนื่อง เพื่อให้ขดลวดได้รับพลังงานซ้ำแล้วซ้ำเล่า หากเวลาในการจ่ายพลังงานนาน (หน้าที่มาก) แรงดันเท่ากันที่ปลายทั้งสองของขดลวดจะมีขนาดใหญ่ ความแรงของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นจะแรงขึ้น และโรเตอร์จะหมุนอย่างรวดเร็ว หากเวลาในการกระตุ้นสั้น (หน้าที่มีขนาดเล็ก) แรงดันเท่ากันที่ปลายทั้งสองของขดลวดจะเล็ก และความแรงของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นจะน้อย ยิ่งอ่อนแอ โรเตอร์ยิ่งหมุนช้าลง
รูปคลื่น PWM เชื่อมต่อกับ Gate ของ FET เพื่อควบคุมการเปิดและปิดของ FET สมมติว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่เกทสูง FET จะปิดและเปิดขึ้น เมื่อแรงดันไฟที่เกทต่ำ FET จะถูกปิดและไม่ได้รับพลังงาน
นอกจากนี้ FET บนและล่างในเฟสเดียวกันจะต้องถูกควบคุมโดยรูปคลื่น PWM เฟสตรงข้ามเพื่อป้องกันไม่ให้ FET บนและล่างถูกเปิดพร้อมกันทำให้กระแสไม่ผ่านมอเตอร์แต่จะเป็น ขึ้นๆ ลงๆ เหมือนกัน ทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจร รูปคลื่น PWM ที่ควบคุม FET มีดังนี้
