Como Funcionam os Motores DC Brushless (BLDC Motors)
Este motor pode ser caracterizado como um tipo moderno de motor DC. As letras
BLDC significam Brush-Less Direct Current. Assim, estes motores no tm escovas.
Se voc no sabe o que so escovas, ento deve ler primeiro o artigo sobre How
Brushed DC motors are made and how they operate (Como so feitos os Motores
DC com escovas e como operam). melhor comear a aprendizagem a partir dos
motores mais simples.
Como so feitos os motores DC Brushless (BDLC)?
O motor brushless, ao contrrio do motor DC com escovas, tem ms permanentes
colados no rotor. Tem geralmente 4 ms em torno do permetro. O estator do
motor composto pelos electromanes, geralmente 4 deles, colocados em cruz
formando um ngulo de 90 entre eles. A maior vantagem dos motores brushless
que, devido ao facto de que o rotor conter somente os manes permanentes, no
precisa de alimentao. E assim no necessria nenhuma ligao para o rotor!
Esta caracterstica d vantagens sobre os motores de corrente contnua com
escovas, dentre as quais se podem destacar a confiabilidade mais elevada, o rudo
reduzido, a vida til mais longa (devido a ausncia de desgaste da escova), a
eliminao da ionizao do comutador, e a reduo total de interferncia
electromagntica (EMI).
Alm disso, os motores brushless so mais eficientes em termos de consumo de
energia.
Um motor brushless tem ainda outra grande diferena dos motores escovados.
A desvantagem principal do motor sem escovas necessitarem de um circuito
integrado mais caro, chamado de controlador electrnico de velocidade para
oferecer o mesmo tipo de controlo varivel que os motores com escovas.
Ao comparar as tcnicas de construo e manufactura entre os motores BLDC e os
com escovas, muitos projectos de BLDC requerem trabalho manual, no caso da
fixao das bobinas do estator. Por outro lado, os motores com escovas usam
enrolamentos que podem ser bobinados automaticamente e so portanto mais
econmicos.
Para saber a todo o momento onde est o rotor existem vrias maneiras. s vezes
eles usam codificadores rotativos (rotary encoders) juntamente com seus
controladores e sabem exactamente o ngulo em que o rotor est.
Outros usam pares de sensores Hall, enquanto a maioria deles usam apenas um
sensor Hall.
O sensor Hall colocado numa posio adequada. Ele pode sentir se sua frente
est o plo Norte ou o plo sul. O sensor Hall transmitir ento este sinal para o
controlador do motor. O controlador, ento, liga ou desliga as bobinas apropriadas
que se revelem necessrias para fornecer o torque.
Quando a confiana necessria este motor o mais adequado. O vdeo a seguir
demonstra exactamente como feito um motor brushless tpico (e um tipo muito
popular):
http://www.youtube.com/watch?v=F9CPX3EJoN4&feature=player_embedded
Como funcionam os motores brushless?
O truque de funcionamento em motores BLDC o sensor Hall que est ligado ao
estator. Ele enfrenta os ms perpendicularmente e pode distinguir se o plo Norte
ou do Sul est na frente. A imagem seguinte mostra este senhor Hall. A foto
tirada de um ventilador do PC (sim, os fs de PC tm BLDCs!):
Se quiser aprender como operaram as ventoinhas (fans) do PC, siga este link. Para
entender melhor o funcionamento do sensor Hall, em relao posio do rotor,
Segue uma animao com apenas dois plos magnticos e 2 bobines. Os plos
magnticos so os dois plos Sul:
O sensor Hall o pequeno componente sob o electroman direito. Quando ele sente
o plo sul, mantm a bobina desligada. Quando o sensor detecta que no h
nenhum campo magntico (ou pode ser tambm o plo sul), ento ele liga as
bobinas. As bobinas tm ambas a mesma polaridade magntica, que do Norte.
Ento elas puxam o plo oposto e ento criado torque.
Se colocar uma sonda no sensor Hall e observar o sinal, ento vai descobrir que,
durante uma rotao completa do rotor, o sensor Hall est duas vezes HIGH e duas
vezes LOW. A forma de onda num osciloscpio seria como esta:
Outra grande vantagem para os motores brushless. Esse sinal que usado para
controlar as bobinas, pode ser usado para medir a velocidade do motor! Tambm
pode ser usado para ver se o motor est funcionando ou no! Actualmente, este
sinal exactamente aquele que sai do terceiro fio das ventoinhas (fans) do PC que
tm 3 (ou 4 fios)! Estas ventoinhas no tm qualquer circuito extra para medir a
velocidade do motor. Elas usam o sinal do sensor Hall. Cada revoluo ir gerar
dois pulsos. Com um circuito de medio de frequncia simples, qualquer pessoa
pode medir com preciso a velocidade de rotao do motor rpm.
Um motor brushless real tem 4 bobinas
Na vida real, os motores BLDC tm geralmente 4 bobinas e 4 manes. Alm disso, o
sensor Hall capaz no s de ver se um campo magntico est em frente dele,
mas tambm capaz de distinguir se este o plo Norte ou o plo Sul. Este
como se parece um motor BLDC real:
Ao redor do permetro do rotor, h 4 manes num padro N-S-N-S. H tambm
quatro bobinas. Os enrolamentos das bobinas no so todos da mesma direco.
Duas bobinas vizinhas nunca podem ter a mesma polaridade magntica. As bobinas
so ligadas em pares, cada uma com a sua bobine oposta, ou de outro modo, dois
pares de bobinas vizinhas como mostrado no desenho acima.
O ciclo de operao mais simples , de acordo com o plo que est na frente do
sensor Hall, o controlador ir ligar ou desligar o par bobinas adequado. A animao
a seguir demonstra o ciclo de operao:
E quando o sensor Hall est entre os dois plos?
O que vai acontecer se o rotor est parado numa posio onde o sensor Hall est
exactamente entre dois plos diferentes? Olhe para o exemplo do desenho a
seguir:
Pode acontecer... Agora, o sensor Hall no pode perceber exactamente qual plo
que est na frente dele. Bem, este no realmente um grande problema...
Suponha que o sensor detecta o plo errado e d energia s bobinas erradas. O
que vai acontecer? Por uma fraco de um milissegundo o motor vai tentar rodar
no sentido errado. Mas alguns graus de rotao iro trazer o plo correcto para a
frente do sensor Hall e vai imediatamente mudar as bobinas. Assim, o motor ir
girar no sentido correcto.
Mas e se o motor controla uma carga crtica e esta rotao para trs, mesmo que
seja s 5 no deve ocorrer? H uma soluo para isso, mas requer a utilizao de
outro sensor Hall. O segundo sensor ser colocado, com 45 de diferena do
primeiro:
Agora, mesmo se o primeiro sensor Hall no pode ter uma leitura correcta, o
segundo sensor Hall pode distinguir claramente o plo magntico. O controlador vai
aceitar como leitura correcta a leitura que vem do sensor com sinal mais intenso.
Motores DC Brushless Sem Sensor (Sensorless BLDCs)
Uma outra variante de motores brushless. Usando um sensor Hall ir resultar num
aumento do preo global do motor. Alm disso, h situaes em que um sensor no
pode ser usado, como por exemplo, bombas submersveis, ou em aplicaes onde
os fios devem ser mantidos ao mnimo.
Em tais aplicaes, pode ser usado o motor BLDC sem sensor. O funcionamento
deste motor baseia-se no efeito BEMF (Back Electro-Magnetic Force). O efeito
BEMF (fora contra-eletromotriz) induzido pelo movimento de um man
permanente na frente da bobina do estator.
H dois problemas que devem ser resolvidos para o bom funcionamento do motor.
O primeiro de todos, a direco de rotao. Como nenhum sensor utilizado, o
controlador no pode saber onde o rotor est parado a qualquer momento. Assim,
a direco da rotao em que o motor vai comear , pelo menos para os primeiros
graus, uma questo de sorte. O outro problema a deteco de zero. O controlador
no saber quando mudar a polaridade das bobinas, como no h sensor para
detectar quando o plo do m permanente atravessa um ponto especfico.
H chips controladores especialmente desenhados para resolver estes problemas.
Os chips vo utilizar as caractersticas do BEMF e a tenso gerada na bobina pelo
efeito BEMF. Por exemplo, a corrente produzida na bobina devido ao efeito BEMF
mudar a sua polaridade, se a rotao do man permanente mudada. Alm disso,
a amplitude da onda produzida proporcional velocidade dos rotores e a fase da
forma de onda depende da posio do m permanente em relao bobina.
Referencias:
How Brushless Motors Work (BLDC Motors)
Motor de corrente contnua sem escovas
Como funciona um motor eltrico sem escovas
Motor C.C. sem escovas
Controladores de Motores Brushless (BLDC Motor Controllers)
Implementao de Controladores de Motores DC sem escovas
Como o controlador deve dirigir a rotao do rotor, o controlador necessita de
alguns meios de determinar a orientao / posio do rotor (em relao s bobinas
do estator.) Alguns modelos usam sensores de efeito Hall (Hall effect sensors) ou
um codificador rotativo (rotary encoder) para medir directamente a posio do
rotor. Outros medem a fora contra-electromotriz (back EMF) nas bobinas no
alimentadas para inferir a posio do rotor, eliminando a necessidade de sensores
de efeito Hall em separado e, portanto, so frequentemente chamados de
controladores sensorless. Como um motor de corrente alternada, a tenso nas
bobinas no alimentadas sinusoidal, mas sobre uma comutao completa a sada
parece trapezoidal por causa da sada DC do controlador. O controlador contm 3
drivers bidireccionais para fornecer a alta corrente DC, que so controlados por
um circuito lgico.
Os controladores mais simples empregam comparadores para determinar quando a
fase de sada deve ser avanada, enquanto os controladores mais avanados
utilizam um microcontrolador para controlar a acelerao, controlar a velocidade e
afinar a eficincia.
Os controladores que sentem a posio do rotor com base na fora contra-
electromotriz tm desafios extras no incio do movimento, porque nenhum back-
EMF produzido quando o rotor est parado. Isso geralmente feito por rotao
inicial de fase arbitrria, e, em seguida, saltando para a fase correcta se for
determinado que era errada. Isso pode originar que o motor funcione brevemente
para trs, aumentando ainda mais complexidade da sequncia de inicializao.
Outros controladores sensorless so capazes de medir a saturao do enrolamento
causada pela posio dos ms para inferir a posio do rotor.
A unidade de controlo muitas vezes referida como um ESC, o que
significa Electronic Speed Controller.
Exemplos de Controladores de Motores Brushless 1. Brushless Ctrl (or Electronic Speed Controller, ESC):
O Mikrokopter alimentado por motores brushless.
( Um manual para construir e usar o BL-Ctrl pode ser encontrado em en/BL-
Ctrl_Manual... )
As vantagens de tais motores so:
Alta eficincia e desempenho
Menor risco de interferncia, como no h brushess ou artes
Numerosas fontes de motores com potncia diferente e rpm por Volt.
No entanto, para utilizar estes motores com a corrente contnua das baterias, esta
tem de ser convertida para corrente alternada trifsico, com potncia de sada
controlada para que a velocidade dos motores possa ser controlada com preciso.
Existem inmeros controladores de velocidade brushless disponveis no mercado.
No entanto so poucos os disponveis que possam satisfazer os requisitos especiais:
Precisamos de controladores de motores sem escovas, que possam aceitar um novo
valor de acelerao muito rapidamente ( Potencia de pico de sada de
375W (Max. vrios segundos)
BL-Ctrl Verso 2.0: Corrente de pico: 40A -> Potencia de pico de sada de
650W (Max vrios segundos)
Controlador: Atmel ATmega8 ou ATmega168 (apenas BL-Ctrl_2.0)
Medio da energia e limitao de corrente do lado da corrente contnua do
ESC
Dois LEDs (verde: Ok e vermelho: Erro)
Medio de tenso da Bateria e de reconhecimento de tenso baixa
O software escrito em C e a fonte est disponvel para download
Diversos interfaces de entrada possveis, para acelerao (I2C PWM, srie)
Um receptor pode ser alimentado a partir do barramento de 5V do ESC
(max. 50mA) (Nota: voc no pode alimentar o controlador de voo ou os
servos a partir destes ESCs).
Interfaces Possveis:
Interface serie assncrono (tanto para o controle do acelerador ou depurao)
I2C (para controle de acelerao de alta velocidade)
Princpio de operao: sinal PWM (sinal de sada padro de um receptor RC)
Configurvel pelo barramento I2C usando Koptertool -> o Koptertool pode
permanecer conectado Navi ou o FC (apenas BL-Ctrl_2.0)
Jumper para os endereos 1-4 e 1-8 (somente BL-Ctrl 2.0)
O controlo de motores brushless trifsico em grupos de pulsos PWM.
MOSFETs
O andar de sada de potncia consiste de um MOSFET Canal-N e de um MOSFET
Canal-P para cada uma das trs fases.
O MOSFET Canal-P exige um transstor para ser capaz de mudar o potencial de
porta num pino de sada do controlador.
O reconhecimento da posio do rotor
Esta parte simples do circuito, permite medir a posio do rotor no motor
brushless. Este clculo (a mdia) efectuado a partir das tenses de cada uma das
fases do motor numa estrela virtual. O controlador compara as tenses filtradas das
fases com a tenso mdia e usa isso para calcular a posio (timepoint) para
comutao, que o momento no tempo em que andar FET comutada para a
prxima fase.
Medio da energia
Existe um shunt no PCB, que consiste numa pista mais larga de cobre, que um
pouco alongada, semelhante ao traado neste desenho. A queda de tenso nesta
derivao permite ao controlador calcular a potncia utilizada, e reduzir a energia
se amperagem excessiva.
O software no corta a energia de repente, mas diminui-a gradualmente. Isto
garante que a aeronave no cai de repente do cu, se o ESC est perto da sua
potncia mxima.
Microcontrolador
usado como microcontrolador o Atmel Atmega8.
Ele tem algumas caractersticas importantes exigidas para o uso em controladores
de velocidade como:
comparadores analgicos com multiplexers. Alm disso, possui interfaces serie e
um interface I2C integrado no chip.
Software update
Deve ser usada a ligao lateral do MKUSB.
Files: Downloads: BL-Ctrl
Ligaes:
Esquema:
BL_CTRL_V1.0/V1.1
2. I can probably get some 18 mosfet controllers!!:
3. Instant Start 18 fet Infineon Boards are here...:
Esquema com 6 FET:
Referencias:
Como Funcionam os Motores DC Brushless (BLDC Motors)
Brushless DC electric motor
BrushlessCtrl
BL-Ctrl_Manual
Microchip AN857 Brushless DC Motor Control Made Easy
Atmel AVR444 Sensorless control of 3-phase brushless DC motors
Atmel AVR443 Sensor-based control of three phase brushless DC motor
Atmel AVR194 Brushless DC motor Control using ATmega32M1
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