Como Funcionam Os Motores DC Brushless

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 não têm escovas. Se você não sabe o que são escovas, então deve ler primeiro o artigo sobre How Brushed DC motors are made and how they operate (Como são feitos os Motores DC com escovas e como operam). É melhor começar a aprendizagem a partir dos motores mais simples. Como são feitos os motores DC Brushless (BDLC)? O motor brushless, ao contrário do motor DC com escovas, tem ímãs permanentes colados no rotor. Tem geralmente 4 ímãs em torno do perímetro. O estator do motor é composto pelos electroímanes, geralmente 4 deles, colocados em cruz formando um ângulo de 90º entre eles. A maior vantagem dos motores brushless é que, devido ao facto de que o rotor conter somente os ímanes permanentes, não precisa de alimentação. E assim não é necessária nenhuma ligação para o rotor! Esta característica dá vantagens sobre os motores de corrente contínua com escovas, dentre as quais se podem destacar a confiabilidade mais elevada, o ruído reduzido, a vida útil mais longa (devido a ausência de desgaste da escova), a eliminação da ionização do comutador, e a redução total de interferência electromagnética (EMI). Além disso, os motores brushless são mais eficientes em termos de consumo de energia. Um motor brushless tem ainda outra grande diferença dos motores escovados. A desvantagem principal do motor sem escovas é necessitarem de um circuito integrado mais caro, chamado de controlador electrónico de velocidade para oferecer o mesmo tipo de controlo variável que os motores com escovas. Ao comparar as técnicas de construção e manufactura entre os motores BLDC e os com escovas, muitos projectos de BLDC requerem trabalho manual, no caso da fixação das bobinas do estator. Por outro lado, os motores com escovas usam enrolamentos que podem ser bobinados automaticamente e são portanto mais económicos. Para saber a todo o momento onde está o rotor existem várias maneiras. Às vezes eles usam codificadores rotativos (rotary encoders) juntamente com seus controladores e sabem exactamente o ângulo em que o rotor está. Outros usam pares de sensores Hall, enquanto a maioria deles usam apenas um sensor Hall. O sensor Hall é colocado numa posição adequada. Ele pode sentir se à sua frente está o pólo Norte ou o pólo sul. O sensor Hall transmitirá então este sinal para o controlador do motor. O controlador, então, liga ou desliga as bobinas apropriadas que se revelem necessárias para fornecer o torque.

Quando a confiança é necessária este motor é o mais adequado. O vídeo a seguir demonstra exactamente como é feito um motor brushless típico (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 é o sensor Hall que está ligado ao estator. Ele enfrenta os ímãs perpendicularmente e pode distinguir se o pólo Norte ou do Sul está na frente. A imagem seguinte mostra este senhor Hall. A foto é tirada de um ventilador do PC (sim, os fãs de PC têm BLDCs!):

Se quiser aprender como operaram as ventoinhas (fans) do PC, siga este link. Para entender melhor o funcionamento do sensor Hall, em relação à posição do rotor, Segue uma animação com apenas dois pólos magnéticos e 2 bobines. Os pólos magnéticos são os dois pólos Sul:

O sensor Hall é o pequeno componente sob o electroíman direito. Quando ele sente o pólo sul, mantém a bobina desligada. Quando o sensor detecta que não há nenhum campo magnético (ou pode ser também o pólo sul), então ele liga as bobinas. As bobinas têm ambas a mesma polaridade magnética, que é do Norte. Então elas puxam o pólo oposto e é então criado torque. Se colocar uma sonda no sensor Hall e observar o sinal, então vai descobrir que, durante uma rotação completa do rotor, o sensor Hall está duas vezes HIGH e duas vezes LOW. A forma de onda num osciloscópio seria como esta:

Outra grande vantagem para os motores brushless. Esse sinal que é usado para controlar as bobinas, pode ser usado para medir a velocidade do motor! Também pode ser usado para ver se o motor está funcionando ou não! Actualmente, este sinal é exactamente aquele que sai do terceiro fio das ventoinhas (fans) do PC que têm 3 (ou 4 fios)! Estas ventoinhas não têm qualquer circuito extra para medir a velocidade do motor. Elas usam o sinal do sensor Hall. Cada revolução irá gerar dois pulsos. Com um circuito de medição de frequência simples, qualquer pessoa pode medir com precisão a velocidade de rotação do motor rpm. Um motor brushless real tem 4 bobinas Na vida real, os motores BLDC têm geralmente 4 bobinas e 4 ímanes. Além disso, o sensor Hall é capaz não só de ver se um campo magnético está em frente dele, mas também é capaz de distinguir se este é o pólo Norte ou o pólo Sul. Este é como se parece um motor BLDC real:

Ao redor do perímetro do rotor, há 4 ímanes num padrão N-S-N-S. Há também quatro bobinas. Os enrolamentos das bobinas não são todos da mesma direcção. Duas bobinas vizinhas nunca podem ter a mesma polaridade magnética. As bobinas são 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 operação mais simples é, de acordo com o pólo que está na frente do sensor Hall, o controlador irá ligar ou desligar o par bobinas adequado. A animação a seguir demonstra o ciclo de operação:

E quando o sensor Hall está entre os dois pólos? O que vai acontecer se o rotor está parado numa posição onde o sensor Hall está exactamente entre dois pólos diferentes? Olhe para o exemplo do desenho a seguir:

Pode acontecer... Agora, o sensor Hall não pode perceber exactamente qual é pólo que está na frente dele. Bem, este não é realmente um grande problema... Suponha que o sensor detecta o pólo errado e dá energia às bobinas erradas. O que vai acontecer? Por uma fracção de um milissegundo o motor vai tentar rodar no sentido errado. Mas alguns graus de rotação irão trazer o pólo correcto para a frente do sensor Hall e vai imediatamente mudar as bobinas. Assim, o motor irá girar no sentido correcto. Mas e se o motor controla uma carga crítica e esta rotação para trás, mesmo que seja só 5º não deve ocorrer? Há uma solução para isso, mas requer a utilização de outro sensor Hall. O segundo sensor será colocado, com 45 º de diferença do primeiro:

Agora, mesmo se o primeiro sensor Hall não pode ter uma leitura correcta, o segundo sensor Hall pode distinguir claramente o pólo magnético. 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 irá resultar num aumento do preço global do motor. Além disso, há situações em que um sensor não pode ser usado, como por exemplo, bombas submersíveis, ou em aplicações onde os fios devem ser mantidos ao mínimo. Em tais aplicações, pode ser usado o motor BLDC sem sensor. O funcionamento deste motor baseia-se no efeito BEMF (Back Electro-Magnetic Force). O efeito BEMF (força contra-eletromotriz) é induzido pelo movimento de um íman permanente na frente da bobina do estator. Há dois problemas que devem ser resolvidos para o bom funcionamento do motor. O primeiro de todos, a direcção de rotação. Como nenhum sensor é utilizado, o controlador não pode saber onde o rotor está parado a qualquer momento. Assim, a direcção da rotação em que o motor vai começar é, pelo menos para os primeiros graus, uma questão de sorte. O outro problema é a detecção de zero. O controlador não saber quando mudar a polaridade das bobinas, como não há sensor para detectar quando o pólo do ímã permanente atravessa um ponto específico. Há chips controladores especialmente desenhados para resolver estes problemas. Os chips vão utilizar as características do BEMF e a tensão gerada na bobina pelo efeito BEMF. Por exemplo, a corrente produzida na bobina devido ao efeito BEMF mudará a sua polaridade, se a rotação do íman permanente é mudada. Além disso, a amplitude da onda produzida é proporcional à velocidade dos rotores e a fase da forma de onda depende da posição do ímã permanente em relação à bobina. Referencias: How Brushless Motors Work (BLDC Motors) Motor de corrente contínua sem escovas Como funciona um motor elétrico sem escovas Motor C.C. sem escovas

Controladores de Motores Brushless (BLDC Motor Controllers)

Implementação de Controladores de Motores DC sem escovas Como o controlador deve dirigir a rotação do rotor, o controlador necessita de

alguns meios de determinar a orientação / posição do rotor (em relação às bobinas do estator.) Alguns modelos usam sensores de efeito Hall (Hall effect sensors) ou um codificador rotativo (rotary encoder) para medir directamente a posição do rotor. Outros medem a força contra-electromotriz (back EMF) nas bobinas não alimentadas para inferir a posição do rotor, eliminando a necessidade de sensores de efeito Hall em separado e, portanto, são frequentemente chamados de controladores „sensorless‟. Como um motor de corrente alternada, a tensão nas bobinas não alimentadas é sinusoidal, mas sobre uma comutação completa a saída parece trapezoidal por causa da saída DC do controlador. O controlador contém 3 „drivers‟ bidireccionais para fornecer a alta corrente DC, que são controlados por um circuito lógico. Os controladores mais simples empregam comparadores para determinar quando a fase de saída deve ser avançada, enquanto os controladores mais avançados utilizam um microcontrolador para controlar a aceleração, controlar a velocidade e afinar a eficiência. Os controladores que sentem a posição do rotor com base na força contraelectromotriz têm desafios extras no início do movimento, porque nenhum backEMF é produzido quando o rotor está parado. Isso geralmente é feito por rotação inicial de fase arbitrária, e, em seguida, saltando para a fase correcta se for determinado que era errada. Isso pode originar que o motor funcione brevemente para trás, aumentando ainda mais complexidade da sequência de inicialização. Outros controladores „sensorless‟ são capazes de medir a saturação do enrolamento causada pela posição dos ímãs para inferir a posição do rotor. A unidade de controlo é 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 é alimentado por motores brushless. ( Um manual para construir e usar o BL-Ctrl pode ser encontrado em en/BLCtrl_Manual... ) As vantagens de tais motores são: 

Alta eficiência e desempenho



Menor risco de interferência, como não há brushess ou artes



Numerosas fontes de motores com potência diferente e rpm por Volt.

No entanto, para utilizar estes motores com a corrente contínua das baterias, esta tem de ser convertida para corrente alternada trifásico, com potência de saída controlada para que a velocidade dos motores possa ser controlada com precisão. Existem inúmeros controladores de velocidade brushless disponíveis no mercado. No entanto são poucos os disponíveis que possam satisfazer os requisitos especiais: Precisamos de controladores de motores sem escovas, que possam aceitar um novo valor de aceleração muito rapidamente ( Potencia de pico de saída de 375W (Max. vários segundos)



BL-Ctrl Versão 2.0: Corrente de pico: 40A -> Potencia de pico de saída de 650W (Max vários segundos)



Controlador: Atmel ATmega8 ou ATmega168 (apenas BL-Ctrl_2.0)



Medição da energia e limitação de corrente do lado da corrente contínua do ESC

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Dois LEDs (verde: Ok e vermelho: Erro)

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Medição de tensão da Bateria e de reconhecimento de tensão baixa



O software é escrito em C e a fonte está disponível para download



Diversos interfaces de entrada possíveis, para aceleração (I2C PWM, série)

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Um receptor pode ser alimentado a partir do barramento de 5V do ESC (max. 50mA) (Nota: você não pode alimentar o controlador de voo ou os servos a partir destes ESCs).

Interfaces Possíveis: Interface serie assíncrono (tanto para o controle do acelerador ou depuração) I2C (para controle de aceleração de alta velocidade) Princípio de operação: sinal PWM (sinal de saída padrão de um receptor RC) Configurável pelo barramento I2C usando Koptertool -> o Koptertool pode permanecer conectado à Navi ou o FC (apenas BL-Ctrl_2.0) Jumper para os endereços 1-4 e 1-8 (somente BL-Ctrl 2.0) O controlo de motores brushless é trifásico em grupos de pulsos PWM.

MOSFETs

O andar de saída de potência consiste de um MOSFET Canal-N e de um MOSFET Canal-P para cada uma das três fases. O MOSFET Canal-P exige um transístor para ser capaz de mudar o potencial de porta num pino de saída do controlador.

O reconhecimento da posição do rotor

Esta parte simples do circuito, permite medir a posição do rotor no motor brushless. Este cálculo (a média) é efectuado a partir das tensões de cada uma das fases do motor numa estrela virtual. O controlador compara as tensões filtradas das fases com a tensão média e usa isso para calcular a posição (timepoint) para comutação, que é o momento no tempo em que andar FET é comutada para a próxima fase.

Medição da energia

Existe um „shunt‟ no PCB, que consiste numa pista mais larga de cobre, que é um pouco alongada, semelhante ao traçado neste desenho. A queda de tensão nesta derivação permite ao controlador calcular a potência utilizada, e reduzir a energia se amperagem é excessiva. O software não corta a energia de repente, mas diminui-a gradualmente. Isto garante que a aeronave não cai de repente do céu, se o ESC está perto da sua potência máxima.

Microcontrolador

É usado como microcontrolador o Atmel Atmega8. Ele tem algumas características importantes exigidas para o uso em controladores de velocidade como: comparadores analógicos com multiplexers. Além disso, possui interfaces serie e um interface I2C integrado no chip.

Software update Deve ser usada a ligação lateral do MKUSB.

Files: Downloads: BL-Ctrl Ligações:

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