Jak podejmować decyzje projektowe w aplikacjach sterowania bezszczotkowymi silnikami stałoprądowymi

Bezszczotkowe silniki stałoprądowe (BLDC) są stosowane w różnorodnych aplikacjach, począwszy od symulatorów jazdy czy lotu, a kończąc na wentylatorach podsufitowych. Eksperci z zespołu System and Solutions firmy Renesas stworzyli zoptymalizowany, demonstracyjny projekt systemu sterowania silnikiem BLDC, w którym użyto wiele komponentów z oferty firmy. Aby wesprzeć inżynierów opracowujących podobne systemy, doświadczeni architekci przygotowali koncepcyjną płytkę z prototypem, która pokazuje najlepsze praktyki w projektowaniu systemów, pozwalając przy tym na testowanie różnych algorytmów.

Posłuchaj
00:00

W niniejszym artykule wyjaśniono, w jaki sposób płytka została zaprojektowana, uzasadniono podjęte decyzje projektowe i wskazano, jak płytka odpowiada na różne wymagania poszczególnych aplikacji. Płytka ze zbudowanym rozwiązaniem pomaga inżynierom szybciej rozpocząć własne prace projektowe i skrócić czas potrzebny na wprowadzenie na rynek gotowych, dobrze przemyślanych rozwiązań, ograniczając wysiłki wkładane w projektowanie i weryfikację.

Bezszczotkowe silniki stałoprądowe

Silniki stałoprądowe znane są już od czasów Michaela Faradaya, Josepha Henry’ego i Andrew Gordona, a więc od lat 40. XVIII wieku, kiedy to zademonstrowano, że prąd przepływający przez przewód w polu magnetycznym powoduje powstawanie siły. Pomimo tych wczesnych badań, dopiero w latach 80. XIX wieku silniki tego typu weszły do komercyjnego użycia.

Pierwsze z silników miały szczotki. To dlatego, że konieczne jest by co 180° odwracać polaryzację prądów, aby wirnik obracał się cały czas w tę samą stronę. Szczotki utrzymują kontakt z rozdzielonym komutatorem, co pozwala właśnie na zmianę kierunku przepływu prądu wewnątrz przewodnika (ilustracja 1). Kontakt mechaniczny jest realizowany z użyciem szczotek, ale to znowu sprawia, że powstają duże ilości zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), iskier, a i żywotność silnika spada ze względu na stopniowe ścieranie się szczotek i samego komutatora.

 
Sposób działania konwencjonalnego silnika stałoprądowego

W 1962 roku, opracowanie technologii układów półprzewodnikowych pozwoliło T.G Wilsonowi i P.H. Trickey’owi na stworzenie pierwszego bezszczotkowego silnika stałoprądowego, w którym komutator został zastąpiony obwodem elektronicznym, eliminując tym samym wady szczotek i pozwalając na uzyskanie wyższego stosunku momentu do masy, a zarazem na zwiększoną sprawność silników. W silnikach BLDC wirnik ma magnesy stałe, a stator zawiera elektromagnesy, których polaryzację zmienia się elektronicznie, by napędzać wirnik (ilustracja 2). Silniki BLDC można budować w wersjach jednofazowych, dwufazowych i trójfazowych, z czego ta ostatnia jest najbardziej popularna.

Dziś bezszczotkowe silniki stałoprądowe to preferowana technologia, co pozwala poprawić wydajność wszelkiego rodzaju urządzeń, począwszy od twardych dysków komputerowych i robotów przemysłowych, a kończąc na pojazdach elektrycznych i wentylatorach.

 
Sposób działania bezszczotkowego silnika stałoprądowego

Sterowanie silnikami BLDC

Jako że komutacja jest sterowana elektronicznie, konieczne jest zapewnienie jakiegoś sposobu monitorowania pozycji wirnika. Tradycyjnie było to realizowane za pomocą czujnika Halla, ale jeśli pozycja kątowa wirnika jest znana z większą dokładnością, sterowanie staje się bardziej precyzyjne. Alternatywą jest pomiar prądu płynącego przez każde z uzwojeń, do czego używa się odpowiednich boczników. Aby mieć pewność, że przygotowana płytka demonstracyjna znajdzie zastosowanie w tak wielu różnych aplikacjach, jak to tylko możliwe, firma Renesas zdecydowała się zaimplementować rezystory bocznikujące oraz zamontować czujnik pozycji, dzięki któremu możliwe będzie testowanie projektów wymagających większej precyzji pomiaru.

Istnieje wiele różnych

 
Diagram blokowy systemu

Chociaż kompromisy przy doborze komponentów w ich zastosowaniach mogą się różnić od kompromisów podejmowanych na etapie sprawdzenia koncepcji, podstawowe decyzje projektowe pozostają takie same. Dostarczając dobrze przemyślane rozwiązanie, Renesas pomógł klientom skrócić ich czas wdrażania produktów na rynek i dał im pewność, że mogą przygotować sprawne i efektywne rozwiązanie dla wyzwań sterowania silnikami, przed jakimi stają.

Simon Meadmore
Global Head of Supplier and Product Management w firmie Farnell

Powiązane treści
Stabilne wzrosty rynku bezszczotkowych silników DC
Dlaczego nawet dobre projekty nie udają się?
Do 2026 roku wartość rynku silników BLDC wyniesie 22,8 mld dolarów
Zobacz więcej w kategorii: Technika
Komunikacja
Protokoły komunikacyjne w automatyce - przegląd, porównanie i zastosowania przemysłowe
Pomiary
Czujniki tensometryczne – zasada działania, budowa i zastosowanie w pomiarach siły
Przemysł 4.0
Spawanie laserem - precyzyjna technologia przyszłości w obróbce metali
Bezpieczeństwo
Bezpieczny wodór - od produkcji, do użytkowania
Komunikacja
OPC UA - co to jest i jak działa nowoczesny standard komunikacji w automatyce przemysłowej
Zasilanie, aparatura nn
Współczynnik mocy – co to jest, jak działa i dlaczego ma znaczenie w instalacjach elektrycznych
Zobacz więcej z tagiem: Silniki i napędy
Prezentacje firmowe
Synergia zapewniająca maksymalną wydajność - nowe silniki, przekładnie i enkodery o średnicy 16 mm w ofercie firmy Faulhaber
Gospodarka
Wyjątkowy hangar sterowców z napędami SEW-EURODRIVE
Gospodarka
Nowe mikrosilniki i przekładnie FAULHABER na Smart Manufacturing Week 2025 – precyzyjne napędy dla automatyki przemysłowej

Poradnik doboru rozwiązań drukujących - drukarki mobilne, stacjonarne i przemysłowe

Jak dobrać drukarkę do zastosowań w logistyce, przemyśle czy handlu? Na co zwrócić uwagę, jeżeli chodzi o cechy i funkcje urządzenia? Jak zapewnić wysoką niezawodność pracy oraz trwałość systemu drukującego? A co z oprogramowaniem? W artykule odpowiadamy na powyższe pytania, przedstawiając przykłady nowoczesnych urządzeń drukujących, które z powodzeniem sprawdzają się w wymienionych zastosowaniach.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów