תכנון אלקטרוניקה לכונן מנוע BLDC – StarFish Medical

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות


תכנון אלקטרוניקת כונן מנוע BLDC

ניסוי מהיר בהנעת מנוע ללא מברשות באמצעות צורת גל ההנעה "מקסימום חלקה"

מנועי זרם ישר (BLDC) ללא מברשות הם אחת האפשרויות לפתרונות בקרת תנועה בפיתוח מכשירים רפואיים. מנועי BLDC מציעים בדרך כלל הספק גבוה יותר, יעילות גבוהה יותר ובלאי נמוך יותר מאשר מנועים בגודל דומה מסוגים אחרים. האתגר העיקרי בשילוב מנועים אלה הוא המורכבות באסטרטגיית הכונן ובקרת הבקרה. כדוגמה, לאחרונה פיתחנו את ה- ויניפג מאוורר 2.0, המשתמשת במנוע BLDC בבסיסו.

בלוג זה דן בשיקולים מעניינים בעת תכנון אלקטרוניקה לכונן מנוע BLDC. אסקור כמה פרטים ומושגים מרכזיים של מנועים אלה. בפרט, אתמקד באסטרטגיה המסוימת של הנעת פיתולי המנוע בעזרת צורות גל סינוסואידיות.

מנועי DC מוברשים

לפני שנכנס לפרטים של מנועי BLDC וכוננים, מומלץ לבצע רענון מהיר על מנועי DC. מנוע DC מוברש מגנט קבוע הוא אחד המכונות האלקטרומגנטיות הוותיקות יותר.

מבחינה רעיונית הם די פשוטים, אתה יכול קרא את הבלוג העתיק שלי שם בניתי אחד עם ילדי. בעיקרו של דבר, הם מורכבים מתפתל אחד או יותר המסתובב בתוך שני מוטות מגנט קבועים או יותר. מומנט נוצר באמצעות כוח לורנץ והוא פרופורציונלי לזרם המתפתל ולשדה המגנטי. על מנת לשמור על כיוון מומנט עקבי ומקסימלי, המנוע מעביר את הזרם לפיתולים החווים את השדה הגבוה ביותר באמצעות "מברשות" מוליכות המחוברות למסופי המנוע הסוחפים מעל קומוטטור המחובר לפיתולי הרוטור.

מנועי DC ללא מברשות

מנוע BLDC פועל באופן דומה למנוע מוברש אך המגנטים נמצאים על הרוטור והפיתולים נייחים ומחוברים ישירות למסופי המנוע. זהו היתרון המשמעותי ביותר של מנוע BLDC: אין מברשות ללבוש מה שהופך אותן לאמינות מאוד לאורך חיי המכשיר הרפואי. יתרון נוסף הוא בכך שהסלילים המחוברים לבית מאפשרים שאיבת חום יעילה יותר בהשוואה למנוע מוברש, במיוחד במהירויות נמוכות כאשר הסעה אינה יעילה כל כך. מצד שני, היעדר תחלופה מובנית פירושו שכונן המנוע חייב לספק פונקציונליות זו במקום, וזה בתורו כנראה החיסרון המשמעותי ביותר.

שלב מתפתל ומנוע

למרות שלעתים קרובות יש הרבה פיתולים פיזיים פנימיים, אלה בדרך כלל קשורים זה לזה ומחוברים לשלושה מסופי מנוע. לשם הפשטות, אני אתייחס למונח "מתפתל" כהבדל בין שניים מהמסופים ואתעלם בדיוק מהאופן בו הם מיושמים בתוך המנוע.

שלושת הפיתולים מונעים במערכת יחסים תלת-פאזית אופיינית כאשר כל סלילה מקוזזת בפאזה ב -120 משני האחרים. כאשר הפיתול הראשון נמצא באפס מעלות ממחזור הפאזה שלו, הרי שהפיתול הבא יהיה לפני 120 מעלות והשני יהיה לפני 240 מעלות (או 120 מעלות מאחור). שים לב שזווית פאזה מתפתלת אינה מתאימה ישירות לזווית הרוטור. בדרך כלל יש לא מעט סיבובי פאזה לכל סיבוב מלא. זה שווה למעשה למספר זוגות הקטבים המגנטיים במנוע.

כמו במנוע מוברש, יש להפעיל את הפיתולים בצורה הנכונה בדיוק בהתאם לזווית הפאזה. מכיוון שלמנועי BLDC אין מחובר מחובר לפיר המנוע, יש להעביר מידע על הזווית המיידית לכונן. זה מושג בדרך כלל באמצעות אותות משלושה חיישני הול. כל אות מציין את כיוון השדה המגנטי של כל סלילה. המעברים של אותות אלה מייצגים נקודות דרך מרכזיות דרך מחזור מעבר 360 °.

שים לב שישנן אסטרטגיות אחרות לקביעת זווית הפאזה המתפתלת, כמו למשל להסיק מ EMF של הפיתולים או להשתמש בקודנים אופטיים, אך לא נרד בחורי הארנבונים בבלוג זה.

טופולוגיית פלט נהגים

במהלך מחזור נסיעה מלא, כונן המנוע חייב לעבור בין זרם מלא למסוף מסוים לזרם מלא מתוך אותו המסוף. כדי להשיג זאת, הטופולוגיה האופיינית מורכבת מפלט חצי גשר אחד למסוף.

למרות שלעתים קרובות הוא מושמט, אני מעדיף ליישם כל חצי גשר עם מסנן LC בפלט שלו, כך שכל אחד מהם נראה למעשה כמו ממיר באק. זה מאפשר לכל את מיתוג ה- PWM בתדירות גבוהה להיות מוגבל בתוך ה- PCB. זה מועיל במיוחד אם המנוע אינו קרוב במיוחד לכונן.

עם מסנן LC, עליכם לשים לב לתהודה המסננת: זה חייב להיות מעל תדר הכונן הגבוה ביותר שלכם, אך נמוך משמעותית מתדר ה- PWM שלכם. בצד החיובי, אתה לא מסתמך על השראות המנוע כדי להתמודד עם המתח המהיר במהירות. זה חוסך דאגה לגבי הפסדי ליבה מוטוריים ורוויה.

מדוע סינוסואידים?

רוב מנועי ה- BLDC מתוכננים כך שהשדה המגנטי נטו שחווה כל סלילה משתנה בסינוס עם סיבוב המנוע, או קרוב ככל האפשר. אולי תזכור שלמערכת סינוסית תלת-פאזית יש העברת כוח אחידה. במקרה של מנוע BLDC, המשמעות היא מומנט אחיד. אם השדה משתנה כסינוסואיד, אז גם EMF. אם מתח הכונן הוא גם סינוסואיד, אז גם הזרמים יהיו.

כונן סינוסואידי ממזער גם את ההרמוניות הגבוהות יותר וזה טוב למינימום פליטת RF.

שלב מוטורי מחשוב

השלב הבא במסע שלנו הוא חישוב שלב מתפתל מאותות חיישני הול. כפי שציינתי קודם, אותות אלה מצביעים על סימן השדה המגנטי של שלושת הפיתולים. ניתן להשתמש בערכים המיידיים שלהם לאומדן גס של השלב המוטורי. זה שימושי במהירויות נמוכות מאוד כאשר מהירות הרוטור אינה ידועה היטב.

ברגע שהמנוע מתחיל להסתובב, המעברים של חיישני האולם נותנים נקודות דרך מדויקות מאוד של שלב המנוע וניתן להשתמש בהם בתהליך חישוב מת כדי לאמוד את השלב המיידי בצורה מדויקת מאוד. במהירות סבירה מהירות הרוטור אינה משתנה באופן מהותי ממעבר חיישן למעבר ולכן אקסטרפולציה מהמעברים האחרונים היא די מעשית.

יש ניואנס אחרון לחישוב השלב. עם עליית מהירות המנוע, השלב שלו ובמיוחד הזרם שלו יושפע יותר ויותר מההשראות וההתנגדות המנועית וכן ממסנן LC. EMF שנוצר על ידי המגנטים האינטראקציה עם הפיתולים רואה גם שינוי פאזה. יש לכך השפעה על הגבלת המהירות המרבית שניתן להשיג: עיכוב השלב בסופו של דבר גדל מספיק בכדי לגרום למומנט לרדת לנקודה בה הוא לא יכול להאיץ עוד יותר. העבודה על מגבלה זו היא לקדם את צורת גל הכונן באופן שלב. באופן דומה, במהירות, ייתכן שיהיה צורך לעכב את השלב כאשר רוצים מומנט הפוך. תיקון פאזה זה יכול להיות פרופורציונאלי למהירות המנועית, אך הוא עובד די טוב כדי להחיל תזוזה קבועה בהתאם לכיוון המומנט הרצוי.

יצירת צורות גל

כעת, כשאנו יודעים את השלב הרצוי, אנו יכולים לחשב את צורות גל הפלט. הגישה הפשוטה היא לחשב שלושה גלי סינוס מוסטים של 120 °, אחד לכל פלט חצי גשר. מתברר שזה לא לגמרי אופטימלי.

מכיוון שמתח הכונן המתפתל הוא למעשה ההבדל בין יציאות חצי גשר והיציאות מופרדות ב -120 °, אז הפיתולים לעולם לא יחוו את מתח המסילה המלא. ההבדל בין פיתולים יהיה נמוך ב -13.4% מהמסילה. הגרפים הבאים מראים מתח יציאה מנורמל ומתחים מתפתלים. שים לב שהמתחים המתפתלים אינם מגיעים עד אחד.

תכנון אלקטרוני כונן מנוע BLDC יציאות Simple Sine

תכנון אלקטרוני כונן מנוע BLDC Windings Simple Sine

אנו יכולים לתקן זאת על ידי הפחתת פלט חצי הגשר המיידי הנמוך ביותר מכל צורות הגל המוצא. זה מאפשר לנו להגדיל את הכונן שלנו ולהשיג מתח מתפתל עד מסילת האספקה ​​שלנו. המתחים המתפתלים נותרים סינוסים, אך יציאות חצי הגשר אינן. אני אקרא לזה צורת גל "מקסימלית". אתה יכול לראות בגרפים אלה כי הפיתולים שיגיעו לאחד אבל למתח היציאה יש כמה קצוות חדים למדי.

תפוקות מעורבות

פיתולים מעורבים

טריק חיסור זה נהדר להשגת מהירות המנוע הגבוהה ביותר עבור מתח אספקת חשמל נתון, אך המעברים החדים יותר ביציאות חצי הגשר גורמים להרמוניות גבוהות יותר בחיווט המנוע אשר שוב יכול לגרום לבעיות EMC.

שיפור נוסף בצורות גל הכונן הוא קירוב חיסור הפלט הנמוך ביותר לעיל על ידי הפחתת הרמוניה שלישית בגודל מתאים של תדר הכונן. זה מקרב את החיסור המושלם עם גל סינוס טהור, ובכך מגביל את ההרמוניות הגבוהות לשליש בלבד. אני אקרא לזה "מקסימום חלק". בגרפים אלה אנו מקבלים גם מתח מתפתל לטווח מלא אך גם מתח יציאה למדי רך למראה.

תפוקות - מקסימום חלק

פיתולים - מקסימום חלק

בכל צורת הגל שתבחר, תהיה לך אפשרות לחשב את ערכי צורת הגל המיידיים באמצעות פונקציות טריגונומטריות או לחשב טבלת בדיקה מראש ולבצע אינטרפולציה בתוכה.

בבלוג זה תיארתי מספיק רקע BLDC כדי להגיע לכמה מהנאגטס שלי על אסטרטגיות כונן סינוסי. טריקים מסוג זה מאפשרים לנו להשתמש בהצלחה במנועים המשוכללים הללו בתכנון המכשירים הרפואיים שלנו.

קנת מקקלום, אנג, הוא פיזיקאי הנדסי ראשי ב- StarFish Medical. הוא עובד על פיתוח מכשירים רפואיים למגוון תחומים כולל יישומי אולטרסאונד. קנת יהנה לשמוע מקוראים על עיצובים וחוויות הייחוס שלהם.







קישור לכתבת המקור – 2021-06-05 01:23:18

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות

עוד מתחומי האתר