מנועי BLDC ודוחפי מנועים משולבים הם המפתח ליעילות ברובוטיקה וברחפנים

מאז פיתוחם בשנות ה-60, מנועי זרם ישר ללא-מברשות (BLDC) הוכיחו את עצמם כיעילים יותר ובעלי עמידות לאורך זמן רב יותר לעומת מנועי זרם ישר (DC) עם מברשות שקדמו להם. בעוד שיישומים תעשייתיים בהספק גבוה פנו למנועי זרם חילופין (AC) סינכרוניים, יישומים רבים אחרים משתמשים כיום במנועי BLDC.

כיום, מנועי BLDC הם חלק מחיי היומיום של הצרכנים. ניתן למצוא אותם בכלים מוזני-סוללות כמו מקדחות ומפוחי עלים, במכשירי חשמל ביתיים כמו מכונות כביסה ומדפסות, ובאופניים חשמליים ובמכוניות חשמליות. בסביבות תעשייתיות, מנועי BLDC משמשים ביישומי בקרת תנועה וטיפול בחומרים. מנועי BLDC מפעילים גם כלי רכב קרקעיים בלתי מאוישים (UGV), רחפנים וכלי טיס בלתי מאוישים (UAV) דומים, כמו גם רובוטים כירורגיים ואקסו-סקלטונים מסייעים.

בעוד שמנועי DC עם מברשות הסתמכו על מברשות קומוטטור ממתכת או פחמן כדי להוליך חשמל לסלילי המנוע, מנועי BLDC הם ללא-מגעים. היעדר החיכוך והבלאי הופך אותם ליעילים יותר, מפחית את דרישות התחזוקה ומאריך את חיי המנוע. הם גם מציגים ביצועים טובים יותר, ומתהדרים במהירויות גבוהות יותר, מומנט גבוה יותר ויחס כוח-משקל גבוה יותר. מערכות בקרה מתוחכמות מאפשרות למנועי BLDC לשנות מהירות או מומנט כמעט באופן מיידי, כמו גם לספק מיקום מדויק ולהבטיח בטיחות.

הביצועים הזמינים מדוחפי מנועי BLDC מתוחכמים הופכים את המנועים הללו ואת מערכות הבקרה שלהם לאטרקטיביים עבור מהנדסים המתכננים יישומי רובוטיקה ורחפנים מודרניים הדורשים מזעור, מהירות, דיוק, בטיחות ותחזוקה מינימלית.

יסודות מנוע BLDC

ההרכב של שלושת הרכיבים של מנועי BLDC הוא פשוט באופן העשוי להיות מטעה. סטטור נייח מכיל שתיים עד שמונה קבוצות של ליפופי נחושת המפוזרים בהיקף, ומוקפים על ידי או במקביל לרוטור המכיל מגנטים קבועים (איור 1). בקר מנוע מתחבר לסטטור, ניגש לנתוני מיקום ומזין את הסלילים.

איור 1: הבקר של מנוע BLDC תלת-פאזי ממתג את סלילי הסטטור (U‏, V‏ ו-W) למצב בו הם משופעלים ואת הקוטביות שלהם, ובכך משנה את כיוון השדה המגנטי. הרוטור המכיל מגנט קבוע (בכחול) מסתובב כדי להתיישר עם השדה המגנטי של הסטטור. (מקור התמונה: Qorvo)

שפעול מערך של ליפופים בסטטור יוצר שדה מגנטי שאליו מגיבים המגנטים הקבועים של הרוטור. המשיכה בין קטבים מגנטיים מנוגדים גורמת לסיבוב הרוטור. לפני שהרוטור יכול ליישר את עצמו עם השדה המגנטי של הסטטור, הבקר מחליף אילו סלילים משופעלים, ומשנה את כיוון השדה המגנטי כדי לשמור על הרוטור בתנועה.

בפועל, פולסי הזרם שהבקר שולח לסטטור משתנים ממצב מופעל למצב מופסק ומעבירים את הקוטביות בתדירות כזו שניתן לייצג את הזרם על ידי צורת גל. סכמת המיתוג המוצגת באיור 1 מיוצגת על ידי גל טרפזואידלי. למנועים אחרים - כולל מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע (PMSM), הדומים למנועי BLDC במבנה שלהם אך משתמשים בזרם משתנה כדי לסובב שדה מגנטי שאליו הרוטור ננעל - יש צורות גל סינוסואידליות. התאמות לאמפליטודה ולפאזה של גלים אלה משנות את מהירות המנוע ואת המומנט הזמין.

הבקר מקבל גם משוב קבוע מחיישני מיקום כגון חיישני אפקט הול או אנקודרים אופטיים. במנועי BLDC ללא-חיישנים, מדידת הכוח האלקטרו-מניע האחורי (BEMF), הזרם הנוצר בליפופים הלא-משופעלים על ידי השדה המגנטי המופק על ידי ליפופים משופעלים, משמשת לקביעת מיקום הרוטור.

פיתוח דוחף מנועים

בהתחשב בארכיטקטורה המורכבת הנדרשת עבור ניטור, הספקת-כוח ובקרה של מנועי BLDC, אין זה מפתיע שבקרי מנועי BLDC ישנים יותר המשתמשים באלקטרוניקת מצב-מוצק דרשו מקום משלהם בארון וכבלי כוח ונתונים עבים המוליכים למנועים בסביבות תעשייתיות. מעגלים משולבים (ICs) מתוחכמים יותר ויותר הקטינו את גודל בקרי המנועים עד שניתן להתקין אותם על גבי לוח מעגלים מודפסים (PCB). למרות המזעור, יכולותיהם של בקרי המנועים של ימינו ממשיכות להתרחב.

דוגמה אחת היא דוחף מנוע BLDC תלת-פאזי ACT72350‏ של Qorvo‏ (איור 2), המשלב קצה-קדמי אנלוגי (AFE) ניתן-להגדרת-תצורה, מודול ניהול הספקת-כוח המתאים למגוון של תצורות, ודוחף מנוע ספציפי-ליישום (ASPD‏) בהתקן יחיד להרכבה משטחית מרובע (Quad‏) שטוח ללא-מוליכים (QFN) בגודל 9 מ"מ על 9 מ"מ.

איור 2: דוחף מנועי BLDC תלת-פאזי משולב ACT72350 משלב מעגלי AFE עם ניהול הספקת-כוח ניתן-להגדרה במארז קומפקטי להרכבה משטחית. (מקור התמונה: Qorvo)

ל-AFE הניתן-להגדרה של ה-ACT72350 יש שלושה מגברי הגבר ניתן-לתכנות דיפרנציאליים, ארבעה מגברי הגבר ניתן-לתכנות קצה-יחיד (Single-Ended‏), שני ממירי דיגיטלי-לאנלוגי bit‏-10‏ ועשרה משוונים המאפשרים לו לשמש כגשר בין חיישנים למעגלי בקרה. הוא גם מקבל אותות בקרה אפנון רוחב פולס (PWM) מיחידת מיקרו-בקר חיצונית (MCU) דרך ממשק היקפי טורי (SPI).

מודול ניהול הספקת-כוח ניתן-להגדרה מאפשר ל-ACT72350 לקבל מתחי כניסה DC בין 25 וולט ל-160 וולט, כולל הספק סוללה עד ל-20S סטנדרטי (נומינלי 72 וולט או 84 וולט כאשר הסוללה טעונה במלואה). ספק הכוח הממותג למתח גבוה שלו מספק מתח יציאה יציב של 12 וולט או 15 וולט. הוא גם מספק הספק יציב של 5 וולט ו-200 מיליאמפר למודולים של ה-ACT72350 ול-MCU.

ממירי ה-ASPD של ה-ACT72350 יכולים לדחוף את המנוע באמצעות ארכיטקטורת חצי-גשר, גשר H או תלת-פאזית (איור 3). שלושה דוחפי שער צד-גבוה ב-160 וולט ושלושה דוחפי שער צד-נמוך ב-20 וולט כל אחד הם בעלי יכולות דחיפת שער של 2 אמפר (מקור)/2 אמפר (מאסף (Sink‏)) כדי לאפשר מיתוג מהיר עבור מהירות מנוע גבוהה יותר.

איור 3: דיאגרמת הבלוקים של מודול ה-ASPD של ACT72350 מציגה את דוחפי השער צד-גבוה וצד-נמוך. פין ה-nBRAKE‏ מופעל על ידי בקר חיצוני כדי לעצור את סיבוב המנוע מסיבות בטיחותיות. (מקור התמונה: Qorvo)

ה-ACT72350 מפחית את מספר הרכיבים האלקטרוניים הדרושים עבור בקרת מנוע BLDC. היחידה משלבת מודולים המנהלים כניסות אותות אנלוגיים, מקבלים ומתקננים כניסות הספק, ודוחפים את המנוע, הכול במארז קומפקטי יחיד להרכבה משטחית. במקביל, ה-ACT72350 שומר על גמישות התכנון בכך שהוא מאפשר לכל מיקרו-בקר שנבחר לספק אותות בקרה דרך SPI.

פרישת רחפנים

פישוט אלקטרוניקת הבקרה עבור מנועי BLDC לתוך מארז משולב אחד פלוס מיקרו-בקר הוא המפתח ליישומים שבהם המקום והמשקל הם בעלי חשיבות עליונה, כמו רחפנים וכלי טיס בלתי-מאוישים אחרים. מתכנני מערכות אלו בוחרים במנועי BLDC כדי לנצל בצורה הטובה ביותר כל מילימטר מרובע של מקום וכל גרם של משקל, ודוחפי המנוע צריכים לתרום לכך. יחס המומנט-משקל הגבוה של מנועי BLDC פירושו שהם קלים יחסית עבור ההספק שהם מספקים לרוטורים או למדחפים של רחפנים. נצילות האנרגיה שלהם, העומדת על מעל 85%, מאפשרת להם לשאת מטענים גדולים יותר או לטוס זמן רב יותר בטעינת סוללה אחת.

דוחף מנוע חסכוני במקום כמו ה-ACT72350 משלב מספר פונקציות בתוך מארז קטן תוך הענקת ביצועי מנוע באיכות גבוהה. במקום להזדקק לארון בקרה וכבלים עבים וכבדים, מתכנני רחפנים וכלי טיס בלתי-מאוישים יכולים להשתמש במספר התקני ACT72350, מארז סוללות ו-MCU לבחירתם, כולם פרושים על גבי הרכב. דוחפי שער למתח גבוה ב-ACT72350 תומכים במיתוג במהירות גבוהה עבור פעולה חלקה, ומשחררים את המיקרו-בקר בלוח בקרת הטיסה עבור פקודות טיסה ברמה גבוהה יותר.

היעילות במקום ובמשקל אולי אינה חשובה באותה מידה עבור כלי רכב כבדים, אך המתכננים שלהם עדיין בוחרים במנועי BLDC בזכות יכולות המומנט הגבוהות שלהם ביישומי הינע ויכולתם להעניק תנועה מדויקת ביישומי היגוי. מנועי BLDC מוערכים גם ביישומים אלה בשל דרישות התחזוקה הנמוכות שלהם, שיקול חשוב במיוחד בסביבות חוץ.

דמיינו-מחדש את הרובוטיקה

מנוע BLDC הדורש תחזוקה נמוכה הוא יתרון גם ברובוטיקה, שם הוא מבטיח אמינות לטווח ארוך ביישומים בעלי מחזורים גבוהים. מנועי BLDC מניעים מפרקים בזרועות רובוטיות תעשייתיות, אקסו-סקלטונים, תופסנים ומניפולטורים של חומרים, פרוטזות ורובוטים מלווים הומנואידים.

בכל היישומים הללו, התכן הקל והקומפקטי של מנועי BLDC תורם לפעולתם היעילה, לדיוק הגבוה ולטווח התנועה שהם מאפשרים. יחס המומנט-משקל הגבוה, המועיל לרחפנים, מאפשר גם למנועי BLDC להפעיל רובוטיקה מבלי להוסיף משקל או סרבול. עם AFE משולב המספק עד 2 אמפר לכל אחת מיכולות דחיפת מקור ומאסף (Sink‏), ה-ACT72350 מוגדר לקבלת אותות ממספר חיישני מיקום של הרוטור או למדידת ה-BEMF, ובכך להבטיח בקרת מהירות מדויקת ביישומי רובוטיקה.

הבטיחות היא גם בעלת חשיבות עליונה ביישומים אלה, שבהם הציוד פועל לעתים ליד בני אדם או ליד סחורות או ציוד בעלי ערך גבוה. ה-AFE מאפשר למערכת להגיב באופן מיידי לתנאי טמפרטורה גבוהה, מתח גבוה וזרם גבוה העלולים להוות איום על רכיבים אלקטרוניים או על בני אדם בקרבת מקום. ה-ACT72350 יכול גם לספק בלימה בחירום דרך פין nBRAKE של ה-ASPD שלו. אות של 50 מיקרו-שניות מה-MCU או מ-MCU יתיר עבור בטיחות לפין nBRAKE משבית את כל דוחפי השער צד-גבוה, בעוד שדוחפי שער צד-נמוך מבצעים בלימה תוך התעלמות מכניסות ה-PWM.

סיכום

המתכננים בוחרים במנועי BLDC עבור יישומים רבים בתחומים כמו רפואה, מוצרים לצרכנים, רכב, פנאי, תעשייה ועוד. כדי למקסם את הנצילות, יכולת המומנט, המהירויות הגבוהות, הדיוק ודרישות התחזוקה הנמוכות של מנועי BLDC, על המתכננים לבחור גם דוחפים היכולים להתמודד עם השילוב המורכב של כניסות חיישן אנלוגיות, פקודות דיגיטליות מה-MCU, מקורות הספקת-כוח עם מתחים וזרמים מגוונים, ופולסי זרם מיתוג מהירים הדרושים להפעלת ליפופי המנוע. בקרי מנועים כמו ה-ACT72350 של Qorvo המשלבים יכולות אלו במארז קומפקטי תורמים להצלחתם של מנועי BLDC ביישומים מתקדמים.