1960'lardaki başarılı gelişiminden bu yana, fırçasız doğru akım (BLDC) motorların daha önceki fırçalı doğru akım (DC) motorlara göre daha verimli olduğu ve daha uzun ömürlü olduğu kanıtlanmıştır. Yüksek güçlü endüstriyel uygulamalarda senkron alternatif akım (AC) motorlara geçişle birlikte diğer birçok uygulama da BLDC motorları kullanmaya başladı.
Günümüzde BLDC motorlar tüketicilerin günlük yaşamlarının her alanına nüfuz etmiştir. Matkaplar ve üfleyiciler gibi pille çalışan aletlerde, çamaşır makinesi ve yazıcı gibi ev aletlerinin yanı sıra elektrikli bisiklet ve arabalarda da bulunabilirler. Endüstriyel ortamlarda hareket kontrolü ve malzeme taşıma uygulamalarında BLDC motorlar kullanılmaktadır. BLDC motorları ayrıca insansız kara araçları (UGV'ler), drone'lar ve benzeri insansız hava araçlarının (UAV'ler) yanı sıra cerrahi robotlar ve yardımcı dış iskeletler için de güç sağlar.
Fırçalı DC motorlar, motor sargılarına elektrik enerjisi iletmek için metal veya karbon komütatör fırçalarına dayanırken, BLDC motorlar temassızdır. Sürtünme ve aşınmanın olmaması nedeniyle daha verimlidir, daha az bakım gerektirir ve motor ömrü daha uzundur. BLDC'nin performansı da daha yüksek hız, daha yüksek tork ve daha yüksek güç/ağırlık oranıyla daha iyidir. Gelişmiş kontrol sistemlerinin yardımıyla BLDC motorlar, hızı veya torku neredeyse anında değiştirebilir ve güvenliği sağlamak için hassas konumlandırma sağlayabilir.
Gelişmiş BLDC motor sürücülerinin gösterdiği olağanüstü performans, bu motorları ve kontrol sistemlerini, genellikle minyatürleştirme, yüksek hız, yüksek hassasiyet, yüksek güvenlik ve düşük bakım gereksinimleri gibi özellikler gerektiren modern robot ve drone uygulamaları tasarlayan mühendisler için oldukça çekici kılmaktadır.
BLDC motorun temel prensibi
BLDC motor o kadar basit üç parçalı bir yapıya sahiptir ki gerçekten inanılmazdır. Sabit stator, kalıcı mıknatıslarla donatılmış rotor tarafından çevrelenen veya ona paralel olan bir çevreye dağıtılmış iki ila sekiz takım bakır sargıyla donatılmıştır (Şekil 1). Motor kontrolörü, konum verilerini elde etmek ve sargıya güç sağlamak için statora bağlanır.
Üç fazlı BLDC motor için kontrolör
Şekil 1: Üç fazlı BLDC motor kontrol cihazı, stator sargılarının enerjili durumunu ve akım polaritesini (U, V, W fazları) değiştirerek stator manyetik alanının yönünü değiştirir. Yerleşik kalıcı mıknatıslara sahip rotor (mavi kısım) buna göre döner ve böylece stator manyetik alanıyla aynı yönü korur. (Resim kaynağı: Qorvo)
Statordaki bir dizi sargıya elektrik uygulandığında manyetik bir alan oluşturulacak ve rotorun kalıcı mıknatısı bu manyetik alana tepki verecektir. Zıt manyetik kutuplar arasındaki çekim rotorun dönmesine neden olur. Rotoru stator manyetik alanıyla hizalamadan önce, kontrolör enerjili sargıyı değiştirecek, manyetik alanın yönünü değiştirecek ve rotorun sürekli dönmesini sağlayacaktır.
Aslında, kontrolör tarafından statora gönderilen akım darbesi, iletimden bağlantı kesilmesine doğru değişecek ve belirli bir dalga biçimini kullanarak akımı temsil etmek için belirli bir frekanstaki polariteyi değiştirecektir. Şekil 1'de gösterilen anahtarlama şeması yamuk dalgalarla temsil edilmektedir. Sabit mıknatıslı senkron motorlar (PMSM) dahil olmak üzere diğer motor türleri sinüs dalgalarına sahiptir. Bu tip motor yapısal olarak bir BLDC motora benzer, ancak manyetik alanı değişen akımlar boyunca dönecek şekilde yönlendirir ve rotor, manyetik alanla senkronize ve kilitli kalır. Bu dalgaların genliğini ve fazını ayarlamak motorun hızını ve mevcut torku değiştirebilir.
Kontrolör ayrıca Hall etkisi sensörleri veya fotoelektrik kodlayıcılar gibi konum sensörlerinden sürekli geri bildirim bilgisi alabilir. Sensörsüz BLDC motorlarda, ters elektromotor kuvvetinin (BEMF) ölçülen değeri - enerji verilmeyen sargıdaki enerjili sargı tarafından üretilen manyetik alan tarafından üretilen akım - rotorun konumunu belirlemek için kullanılabilir.
Motor Sürücülerinin Geliştirilmesi
BLDC motorların izlenmesi, güç kaynağı ve kontrolünün karmaşık yapılar gerektirdiği göz önüne alındığında, endüstriyel ortamlarda katı hal elektronik cihazları kullanan eski moda BLDC motor kontrolörlerinin, motorları bağlamak için bağımsız kabin alanına ve büyük güç ve veri kablolarına ihtiyaç duyması şaşırtıcı değildir. Giderek daha karmaşık hale gelen entegre devreler (IC'ler), motor kontrolörlerinin baskılı devre kartlarına (PCB'ler) entegre edilinceye kadar sürekli minyatürleştirilmesini sağlıyor. Minyatürleştirmeye rağmen günümüzün motor kontrolörlerinin işlevselliği genişlemeye devam ediyor.
Örneğin Qorvo'nun ACT72350 üç fazlı BLDC motor sürücüsü (Şekil 2). Bu sürücü, yapılandırılabilir bir analog ön ucu (AFE), çeşitli güç yapılandırmalarına uyarlanmış bir güç yönetimi modülünü ve özel bir motor sürücüsünü (ASPD), 9 mm x 9 mm kare düz kurşunsuz (QFN) yüzeye montaj cihazına entegre eder.
Qorvo ACT72350 Entegre Üç Fazlı BLDC Motor Sürücüsü
Şekil 2: ACT72350 entegre üç fazlı BLDC motor sürücüsü, AFE devresini ve yapılandırılabilir güç yönetimi işlevselliğini kompakt bir yüzeye montaj paketinde birleştirir. (Resim kaynağı: Qorvo)
ACT72350'nin yapılandırılabilir AFE'si, üç diferansiyel programlanabilir kazanç amplifikatörü, dört adet tek uçlu programlanabilir kazanç amplifikatörü, iki adet 10 bit analogdan dijitale dönüştürücü ve on karşılaştırıcı ile donatılmıştır; bu da onu sensörleri ve kontrol devrelerini bağlayan bir köprü haline getirir. Bu AFE ayrıca bir seri çevresel arayüz (SPI) aracılığıyla harici bir mikro denetleyiciden (MCU) darbe genişlik modülasyonu (PWM) kontrol sinyallerini de alabilir.
Yapılandırılabilir güç yönetimi modülü, ACT72350'nin, 20 saniyeye kadar pil kapasitesi (tam şarj olduğunda 72 V veya 84 V nominal voltaj) dahil olmak üzere 25 V ile 160 V arasındaki DC giriş voltajlarını kabul etmesini sağlar. Bu modülün yüksek voltajlı anahtarlamalı güç kaynağı, kararlı 12V veya 15V çıkış voltajı sağlayabilir ve ayrıca ACT72350 modülleri ve MCU'lar için kararlı 5V, 200mA güç kaynağı sağlayabilir.
ACT72350'nin ASPD'si, motoru sürmek için yarım köprü, H köprüsü veya üç fazlı mimariyi kullanabilir (Şekil 3). 160 V voltajlı üç yüksek voltajlı yan kapı sürücüsü ve 20 V voltajlı üç düşük voltajlı yan kapı sürücüsü; her sürücünün, motor hızını artırmak için hızlı anahtarlama performansı elde edebilen 2 A (çekme akımı)/2 A (dökme akımı) kapı sürüş kapasitesi vardır.