Spis treści:
Silniki bezszczotkowe (z ang. BLDC – brushless DC motors) zrewolucjonizowały wiele dziedzin przemysłu, elektroniki użytkowej i motoryzacji. Są powszechnie stosowane w wielu dziedzinach przyczyniając się do innowacji i rozwoju nowych technologii. Do pracy wymagają sterownika.
Silniki bezszczotkowe - budowa i działanie
Silniki bezszczotkowe (BLDC) różnią się od tradycyjnych silników prądu stałego (DC) przede wszystkim brakiem szczotek i komutatora. Pozwala to na większą wydajność, niezawodność oraz redukcję zużycia. Wirnik silnika bezszczotkowego jest magnetycznie osadzony na wale silnika i zwykle składa się z magnesów trwałych (zwykle neodymowych). Te magnesy generują pole magnetyczne, które jest wykorzystywane do indukowania ruchu w cewkach stojana.
Kolejny element, stojan silnika bezszczotkowego, zawiera cewki, które są zwykle ułożone symetrycznie wokół wirnika. Te cewki zwane czasem fazami i generują pole magnetyczne, które oddziałuje z magnesami na wirniku, a to powoduje jego obrót. W niektórych silnikach bezszczotkowych wykorzystywane są czujniki położenia, które służą do określania położenia wirnika względem stojana. Dzięki temu kontroler może dokładnie sterować prądem w poszczególnych fazach i zapewnić odpowiedni moment obrotowy do płynnej pracy.
Sterownik silnika bezszczotkowego, którym zajmiemy się w dzisiejszym artykule, jest natomiast odpowiedzialny za regulację prądu w cewkach stojana w odpowiednim czasie i w odpowiednim kierunku, aby wywołać obrotowy ruch wirnika. Kontroler odbiera sygnały z czujników położenia (lub wykonuje ją bez nich, tzw. sensorless control) i dostarcza odpowiedni prąd do cewek. Pozostaje kwestia komunikacji i tutaj także sporo swobody – silniki bezszczotkowe mogą wymagać układów komunikacyjnych takich jak interfejsy UART, PWM lub CAN, które umożliwiają kontrolowanie i monitorowanie pracy silnika. Korzystamy z nich do sterowania prędkością, kierunkiem obrotów oraz do monitorowania temperatury i prądu.
Sterowniki silników bezszczotkowych
Sterownik silnika BLDC (Brushless DC) pełni kluczową rolę w zapewnieniu płynnej i kontrolowanej pracy silnika. Jego głównym zadaniem jest sterowanie prądem w cewkach silnika w odpowiednim czasie i kierunku, aby generować pożądane obroty wirnika. Wiemy już, że w niektórych konfiguracjach silników BLDC stosuje się czujniki położenia – to tzw. halotron, który monitoruje położenie wirnika względem stojana.
Halotrony przekazują sterownikowi informacje o aktualnym położeniu wirnika, co jest niezbędne do synchronizacji generowanego pola magnetycznego z położeniem magnesów na wirniku.
Sterownik silnika BLDC sekwencjonuje prąd w poszczególnych fazach silnika w taki sposób, aby generować obroty. Istnieje kilka popularnych metod sekwencjonowania faz, takich jak metoda trapezoidalna (dla sterowników z czujnikami położenia) i metoda sinusoidalna (dla sterowników bez czujników położenia). Sterownik kontroluje tranzystory lub inne elementy półprzewodnikowe, które zasilają cewki silnika w odpowiednim czasie i kierunku. W zależności od sekwencji sterownik włącza i wyłącza odpowiednie tranzystory, aby przeprowadzić prąd przez odpowiednie cewki, co generuje odpowiedni moment obrotowy i kierunek ruchu wirnika. Może także zawierać algorytmy regulacji prędkości i momentu obrotowego, które monitorują prędkość obrotową i obciążenie silnika, a następnie dostosowują sterowanie prądem w celu utrzymania pożądanej prędkości lub momentu obrotowego.
Zastosowanie silników bezszczotkowych ze sterownikami
Dzięki swojej wysokiej wydajności i energooszczędności oraz możliwości płynnej regulacji prędkości silniki bezszczotkowe są atrakcyjnym wyborem dla producentów narzędzi elektrycznych – mowa tu o elektronarzędziach takich jak wiertarki, szlifierki czy wkrętarki. Wiele prześcigających się w funkcjonalnościach urządzeń AGD takich jak pralki, suszarki, lodówki czy zmywarki wykorzystuje silniki bezszczotkowe ze sterownikami do napędu pomp, wentylatorów i innych komponentów, co przyczynia się do zwiększenia efektywności energetycznej i trwałości tych urządzeń.
Korzystają z nich także pojazdy użyteczności miejskiej i szybkie środki transportu takie jak elektrycznych rowery, deskorolki hover, hulajnogi i skutery. W połączeniu z zaawansowanymi sterownikami silników BLDC pozwalają na płynną jazdę, szybkie przyspieszanie i osiąganie wysokich prędkości.
Kolejne, nieco bardziej wyspecjalizowane pole zastosowania BLDC to pojazdy zdalnie sterowane i RC takie jak drony, quadrocoptery i roboty, wśród których wymagana jest wysoka wydajność, niskie zużycie energii i precyzyjna kontrola ruchu. A skoro silniki BLDC pozwalają na płynną regulację prędkości i kierunku obrotów, co jest kluczowe dla stabilnego i zwinnego sterowania niewielkimi urządzeniami, to nie dziwi fakt, że są często spotykane w robotyce hobbystycznej i profesjonalnej. Silniki bezszczotkowe znajdziemy nawet w przemyśle lotniczym i kosmicznym oraz urządzeniach medycznych takich jak pompy insulinowe, urządzenia do diagnostyki obrazowej czy stoły operacyjne.
Własne projekty ze sterownikami BLDC
Gdy znamy już podstawy, to nie zaszkodzi się pobawić. Praca z silnikiem bezszczotkowym może być świetnym sposobem na naukę podstaw elektroniki, automatyki, programowania mikrokontrolerów oraz zasad działania silników elektrycznych. To doskonała okazja do zdobycia praktycznej wiedzy i doświadczenia w obszarze technologii.
W grę wchodzą na przykład budowa prostego pojazdu lub robota, który wykorzysta silnik bezszczotkowy do napędu i Arduino do sterowania jego ruchem. Albo budowa własnej maszyny CNC (Computer Numerical Control) do obróbki drewna, plastiku lub aluminium, która wykorzystuje silniki bezszczotkowe do napędu osi oraz platformę Arduino do sterowania ruchem narzędzia.
Dla kreatywnych warto wskazać kierunek interaktywnych instalacji artystycznych, wystaw czy zabawek, które wykorzystują silniki bezszczotkowe do animacji i ruchu, a platformę Raspberry Pi do sterowania i interakcji z użytkownikiem.
Pomysłów jest mnóstwo – zajrzyj do sklepu Botland i postaw na wiodących dostawców zestawów i modułów elektronicznych, które wykorzystasz do realizacji różnorodnych projektów, w tym tych z wykorzystaniem silników bezszczotkowych.
