كيف تعمل وحدة تحكم المحرك BLDC؟ PWM، ونصائح التبديل والاختيار

عندما يدور محرك مبرد الهواء الخارجي BLDC الذي يعمل بالتيار المستمر بجهد 220 فولت، فلن تسمع طقطقة عاكس الضوء أو ترى غبار الفرشاة. يدور الدوار بسلاسة، ويتم تنظيم سرعته بواسطة دائرة إلكترونية مدمجة توجد في مكان ما داخل الجهاز. هذه الدائرة هي وحدة التحكم في المحرك BLDC. تبدو مهمتها بسيطة: تحويل طاقة التيار المستمر إلى تيارات ثلاثية الطور يتم تبديلها بشكل تسلسلي ومعرفة متى يتم تبديلها بالضبط. والنتيجة هي محرك ذاتي التزامن يتبع مجال الجزء الثابت بدون اتصالات ميكانيكية. تحدد جودة وحدة التحكم هذه ما إذا كان المحرك يعمل بهدوء وكفاءة ولسنوات دون ارتفاع درجة الحرارة.

ما الذي تفعله وحدة التحكم في محرك BLDC فعليًا؟

تؤدي وحدة التحكم في المحرك BLDC ثلاث وظائف رئيسية: تشغيل المحرك، وضبط السرعة، والتحكم في عزم الدوران. فهو يقبل أمر المستخدم، مثل السرعة المستهدفة أو عزم الدوران، ويكتشف موضع الدوار، وينشط تسلسل التعبئة الصحيح في اللحظة المناسبة. نظرًا لأن اتجاه وحجم التيارات في ملفات الجزء الثابت الثلاثة يحددان كيفية تحرك الجزء المتحرك ذي المغناطيس الدائم، فيجب على جهاز التحكم أن يعرف أي ملف يجب تشغيله ومتى يجب تغييره.

بالنسبة لمحرك BLDC ثلاثي الطور، يحتوي الجزء الثابت على ملفات ثلاثية الطور متباعدة بمقدار 120 درجة. يحمل الدوار مغناطيسًا دائمًا. تقوم وحدة التحكم بإنشاء مجال مغناطيسي دوار يطارد أقطاب الجزء الدوار. عندما يتحرك الدوار، تقدم وحدة التحكم تسلسل التبديل بحيث يستمر المجال في سحب الدوار للأمام. في محرك التيار المستمر المصقول، يقوم العاكس الميكانيكي والفرش بإجراء هذا التبديل. في محرك BLDC، تقوم وحدة التحكم بذلك إلكترونيًا، ولهذا السبب غالبًا ما يطلق عليه التبديل الإلكتروني.

المكونات الأساسية لوحدة تحكم المحرك BLDC

تتكون كل وحدة تحكم BLDC، بدءًا من مشغل المروحة البسيط وحتى مكبر الصوت المؤازر، من عدد قليل من الكتل الأساسية. يجب أن تعمل كل كتلة معًا خلال ميكروثانية:

• وحدة التحكم الدقيقة أو DSP: ينفذ خوارزمية التبديل، ويحسب دورات عمل PWM، ويدير حالات الخطأ.
• برنامج تشغيل البوابة: يحول الإشارات المنطقية ذات الجهد المنخفض من وحدة التحكم الدقيقة إلى فولتية بوابة عالية الجهد والتي تعمل على تشغيل وإيقاف مفاتيح الطاقة.
• مرحلة الطاقة (MOSFETs أو IGBTs): تشكل الجسر العاكس ثلاثي الطور الذي يقوم بتبديل تيار المحرك الرئيسي.
• مستشعر الموضع: مستشعرات تأثير هول، أو المشفر، أو دائرة كشف BEMF التي تخبر وحدة التحكم بمكان الدوار.
• أجهزة الاستشعار الحالية: قياس تيار الطور للتحكم في عزم الدوران وحماية التيار الزائد.
• مصدر الطاقة: يوفر جهدًا مستمرًا نظيفًا لدوائر التحكم وأجهزة الاستشعار.

يشكل هذا التجميع بأكمله حلقة مغلقة في الوقت الفعلي. يقرأ المتحكم الدقيق موضع الدوار والتغذية المرتدة الحالية عدة مرات في الثانية ويقوم بتحديث حالة التبديل التالية. بدون الموضع أو التغذية الراجعة الحالية، يمكن لوحدة التحكم أن تعمل فقط في وضع الحلقة المفتوحة، مما يؤدي إلى ضعف الكفاءة وفقدان التبديل والضرر المحتمل.

كيف يتم الكشف عن موقف الدوار

يعد اكتشاف موضع الدوار أساس التحكم في BLDC. يجب أن تعرف وحدة التحكم مكان دوار المغناطيس قبل أن تتمكن من تبديل المرحلة التالية. هناك طريقتان رئيسيتان.

الأول يستخدم أجهزة استشعار تأثير هول. تم وضع ثلاثة مستشعرات Hall على الجزء الثابت بمسافة 120 درجة كهربائية. عندما تمر أعمدة الدوار من أمامها، تنتج المستشعرات أنماطًا رقمية عالية/منخفضة تخبر وحدة التحكم الدقيقة بأي من القطاعات الستة التي يتواجد فيها الدوار حاليًا. هذه الطريقة بسيطة وقوية وتستخدم على نطاق واسع في المعدات الصناعية منخفضة التكلفة. الجانب السلبي هو أسلاك الاستشعار الإضافية والحساسية لدرجة الحرارة والتداخل المغناطيسي.

الطريقة الثانية هي التحكم بدون مستشعر. يكتشف المعابر الصفرية للقوة الدافعة الكهربائية الخلفية (BEMF) في ملف الطور غير النشط. أثناء دوران الجزء المتحرك، تولد كل ملف قوة EMF مستحثة. تشير النقطة التي يتغير فيها المجال الكهرومغناطيسي (EMF) إلى قطبية معروفة إلى محاذاة الدوار. ومن خلال استشعار تلك المعابر الصفرية، يمكن لوحدة التحكم حساب نقطة التبديل التالية. يعمل التحكم بدون مستشعر على توفير تكلفة الأسلاك والمكونات، ولكن عند السرعات المنخفضة جدًا، يكون BEMF ضعيفًا جدًا بحيث لا يمكن قياسه، لذلك يحتاج المحرك إلى روتين بدء التشغيل لتدويره قبل التبديل إلى تشغيل الحلقة المغلقة.

بالنسبة للمروحة ومعدات التبريد، بما في ذلك محركات تبريد الهواء الدوارة الخارجية BLDC، تكون سرعة التشغيل عادةً عالية بما يكفي للتحكم بدون مستشعر. ومع ذلك، فإن التطبيقات التي تتطلب تحديد المواقع بدقة منخفضة السرعة تفضل أجهزة استشعار Hall.

تخفيف: ست خطوات وFOC

بمجرد معرفة موضع الدوار، تقرر وحدة التحكم نمط التبديل الذي سيتم تطبيقه. الطريقة الأساسية هي التخفيف المكون من ست خطوات، ويسمى أيضًا التخفيف شبه المنحرف أو التخفيف الكتلي. يقسم كل دورة كهربائية إلى ستة قطاعات. في كل قطاع، يتم تنشيط ملفين بينما يتم ترك الملف الثالث عائمًا. يتدفق التيار من خلال أحد الملفين إلى المركز ويخرج من الملف الآخر، مما يخلق ناقلًا مغناطيسيًا يتقدم بخطوات. من السهل تنفيذ هذا الأسلوب في وحدة التحكم الدقيقة ويستخدم منطق مستشعر Hall البسيط.

القيد هو أن شكل الموجة الحالي مستطيل، مما ينتج عنه تموج عزم الدوران. عند السرعات المنخفضة، يمكن أن يترجم التموج إلى ضوضاء مسموعة واهتزاز ميكانيكي.

يعد التحكم الموجه ميدانيًا، أو FOC، أكثر تقدمًا. إنه يحول التيارات ثلاثية الطور إلى نظام إحداثي d-q دوار، حيث يتماشى المحور d مع تدفق المغناطيس الدوار ويتحكم المحور q في عزم الدوران. من خلال تنظيم التيار في هذا الإطار المرجعي، يتصرف المحرك مثل آلة DC متحمسة بشكل منفصل. ينتج FOC تيارات طورية جيبية تقريبًا، مما ينتج عنه عزم دوران سلس عبر نطاق السرعة بأكمله. التكلفة هي جهد حسابي أعلى، ووحدة تحكم دقيقة سريعة، واستشعار تيار أكثر تعقيدًا.

بالنسبة لمحركات تبريد الهواء ذات الدوار الخارجي الكبير BLDC، غالبًا ما تكون الخطوات الست كافية. ولكن عندما يكون هدف التصميم هو ضوضاء منخفضة ونطاق واسع من السرعة، تصبح وحدة التحكم FOC هي الخيار الأفضل، خاصة عند مستويات الطاقة الأعلى.

محرك DC198 220 فولت 1500 واط دوار خارجي BLDC لمبردات الهواء تم تصميم هذا المحرك عالي الطاقة بدون فرش للمبردات التبخرية شديدة التحمل، ويتميز بملفات نحاسية نقية، وحماية IP54، وعزل من الفئة F لتشغيل موثوق في البيئات الصناعية القاسية. عرض المنتج →

PWM التحكم الحالي وعزم الدوران

بعد اختيار تسلسل التبديل، يجب على وحدة التحكم تنظيم الجهد والتيار. تستخدم معظم وحدات التحكم تعديل عرض النبض (PWM). في PWM، يتم تشغيل وإيقاف مفاتيح الطاقة بتردد ثابت، غالبًا ما بين 10 كيلو هرتز و30 كيلو هرتز. من خلال تغيير نسبة التشغيل، أو دورة العمل، تقوم وحدة التحكم بتعيين متوسط ​​الجهد المطبق على اللفات. تعني دورة العمل بنسبة 50% أن المفتاح يعمل نصف الوقت في كل فترة PWM، مما ينتج عنه نصف جهد الناقل تقريبًا.

للتحكم في عزم الدوران، التيار هو المتغير الأكثر أهمية. في محرك BLDC، يتناسب عزم الدوران المطور مع تيار الطور، على الأقل أقل من التشبع المغناطيسي. تقوم وحدة التحكم بقياس التيار باستخدام مقاومة التحويل أو محول التيار، ومقارنتها بقيمة مرجعية، وضبط دورة عمل PWM لإجبار التيار الفعلي على اتباع المرجع. هذه هي حلقة التغذية الراجعة الحالية، وهي ما يمنح المحرك صلابة واستجابته.

يجب أن تكون ميزات الحماية القوية جزءًا من أي وحدة تحكم جادة. تعمل الحماية من التيار الزائد، وإيقاف درجة الحرارة الزائدة، وقفل الجهد المنخفض، واكتشاف المماطلة، على منع الفشل المبكر. بالنسبة للمشترين الذين يقومون بمقارنة وحدات التحكم، فإن وجود وسائل الحماية هذه مهم بقدر أهمية القوة المقدرة.

مطابقة وحدة التحكم بمحرك مروحة BLDC

إن مطابقة وحدة التحكم بالمحرك ليست مجرد مسألة فئة الجهد. يجب أن يكون جهد الناقل، وتيار طور الذروة، وثابت EMF الخلفي، ومراحل مستشعر القاعة، ونطاق السرعة، وملف عزم دوران الحمل متوافقًا.

خذ بعين الاعتبار أحد محركات تبريد الهواء الدوارة الخارجية BLDC: تعمل سلسلة DC149 على مدخلات 220 فولت تيار مستمر وتغطي مستويات الطاقة من 600 واط إلى 850 واط. عادةً ما يتم تركيب هذا النوع من المحركات في معدات التبريد بالتبخير. الحمل عبارة عن مروحة تتبع منحنى عزم الدوران المربع. يمكن أن يكون تيار بدء التشغيل ضعفين إلى ثلاثة أضعاف التيار المقنن، لذلك يجب أن تكون وحدة التحكم قادرة على توفير حمل زائد قصير المدى دون التعثر. في الوقت نفسه، يمكن أن يؤثر جهد الدخل الوامض من الشبكة على ناقل التيار المستمر، لذلك تحتاج وحدة التحكم القوية إلى تحمل واسع لجهد الإدخال وتنظيم جيد.

محرك DC149 220 فولت 600 واط دوار خارجي BLDC لمبردات الهواء يوفر هذا المحرك بدون فرش بقدرة 600 واط محركًا مباشرًا بجهد 220 فولت، وعزم دوران عاليًا، وعمرًا طويلًا بدون صيانة، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات التبريد المستمرة للخدمة الشاقة في ورش العمل والمستودعات. عرض المنتج →

نقطة عملية أخرى هي التصميم الحراري. وحدة التحكم التي تعمل في حاوية ساخنة سوف تقلل من إنتاجها. إذا تم تركيب محرك تبريد الهواء في بيئة محكمة ومليئة بالغبار، فيجب أن تكون لوحة وحدة التحكم مغلفة بشكل مطابق ويجب أن تحتوي مرحلة الطاقة الخاصة بها على مساحة نحاسية كافية أو تدفق هواء قسري. تؤثر هذه الاختيارات على إجمالي تكلفة النظام وموثوقيته. بالنسبة لمصنعي معدات معالجة الهواء، تعد مقارنة حماية وحدة التحكم ومنحنيات تخفيض السرعة جزءًا أساسيًا من تقييم الموردين. لدينا المزيد من التفاصيل حول تطبيقات المروحة الصناعية التي يمكن أن تساعدك على تأطير تلك المتطلبات.

اعتبارات عملية في المروحة ومعدات التبريد

تفرض المروحة ومعدات التبريد متطلبات خاصة على التحكم في محرك BLDC. على عكس حمل عزم الدوران الثابت، فإن المروحة عبارة عن حمل عزم دوران تربيعي: يرتفع عزم الدوران مع مربع السرعة، وترتفع الطاقة مع المكعب. وهذا يعني أن وحدة التحكم يجب أن تتعامل مع حمل خفيف جدًا بسرعة منخفضة وحمل متزايد بشكل حاد عند السرعة العالية. وحدة التحكم التي تم ضبطها لمحرك سيرفو قد لا تتعامل مع هذه الخاصية بشكل جيد.

علاوة على ذلك، تستخدم العديد من المراوح محركات دوارة خارجية، حيث يكون الدوار هو الغلاف الخارجي والجزء الثابت في الداخل. غالبًا ما يتم دمج المحرك مباشرةً في دافعة المروحة، مما يترك مساحة محدودة لوحدة التحكم. في بعض المنتجات، يتم دمج وحدة التحكم في صندوق أطراف المحرك أو حتى يتم تركيبها على لوحة PCB منفصلة داخل مبيت المروحة. يؤثر هذا التكامل على كيفية تبديد الحرارة وكيفية حماية وحدة التحكم من الرطوبة والغبار.

بالنسبة لمحبي EC، تعد وحدة التحكم جزءًا لا يتجزأ من مجموعة المحرك. تأخذ المروحة جهد خط التيار المتردد، وتقوم بتصحيحه إلى التيار المستمر، ثم تستخدم وحدة التحكم BLDC لتشغيل المحرك. يقوم المستخدمون ببساطة بتوصيل المروحة بطاقة التيار المتردد والحصول على توفير الطاقة لمحرك DC دون الحاجة إلى VFD خارجي. تعد سلسلة ECF35010 الخاصة بنا مثالًا جيدًا على تصميم EC المدمج هذا، باستخدام دخل 220 فولت وإخراج 350 وات.

ECF-350-10 220 فولت 350 وات محرك مروحة يتم تبديله إلكترونيًا يدمج محرك المروحة EC وحدة تحكم ومقوم BLDC، مما يحقق كفاءة تصل إلى 95% وضوضاء منخفضة، وهو مثالي لمبردات الهواء التبخرية حيث يكون توفير الطاقة والتشغيل الهادئ من الأولويات. عرض المنتج →

عند اختيار محرك BLDC ذو دوار خارجي لتطبيقات مبرد الهواء، يجب مطابقة التصنيف الحالي لوحدة التحكم ومقاومة المحرك والحث. سوف ترتفع درجة حرارة وحدة التحكم ذات الحجم الصغير؛ يمكن أن يؤدي الحجم الكبير إلى تكلفة غير ضرورية ومساحة مهدرة. مرجع مفيد هو مقالتنا على محرك تبريد الهواء الخارجي BLDC اعتبارات التصميم.

خاتمة

وحدات التحكم في المحركات BLDC هي الذكاء وراء كل محرك بدون فرش. يستخدمون ردود الفعل الموضعية ومنطق التبديل وPWM لتحويل كهرباء التيار المستمر إلى عزم دوران مستمر. يؤثر الاختيار بين ست خطوات وFOC على السلاسة والتكلفة والتعقيد، في حين أن مطابقة تقديرات الجهد والتيار تحدد ما إذا كان المحرك يعمل بأمان عند التحميل الكامل. بالنسبة للمهندسين والمشترين الذين يعملون مع مبردات الهواء، ومراوح EC، والمنافيخ الصناعية الأخرى، فإن فهم كيفية عمل وحدة التحكم BLDC هو الخطوة الأولى نحو اختيار مجموعة موثوقة من المحرك ووحدة التحكم.