المحركات الكهربائية موجودة في كل مكان وتستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات الكهربائية. يقدر باحثو السوق أنه يتم إضافة 11 مليار محرك كهربائي سنويًا ، وهو ما يمثل 45 ٪ من إجمالي استخدام الطاقة الكهربائية. في هذه المقالة ، يساعدنا Jose Quinones ، مهندس تطبيقات الموظفين لمجموعة إدارة الطاقة القابلة للبرمجة في Qorvo ، في دراسة الاتجاهات الرئيسية في تصميم تطبيقات التحكم في المحركات.
نوع المحركات والطبولوجيا الرئيسية
اليوم ، تتوفر أنواع مختلفة من المحركات الكهربائية في السوق. اعتمادًا على التطبيق المحدد ، لدينا محركات تحريض تيار متردد ، ومحركات تيار مستمر (مصقول أو بدون فرش) ، ومحركات متدرجة ، ومحركات متزامنة ذات مغناطيس دائم (PMSM) وأكثر ، كما هو موضح في الشكل 1. من بين التطبيقات الأخرى ، التطبيقات الأكثر صلة بالكهرباء المحركات موجودة في قطاعات الصناعة والسيارات والمستهلكين والتنقل الإلكتروني.
وفقًا لـ Quinones ، هناك العديد من الطرق التي يمكننا من خلالها تصنيف جميع نماذج المحركات الكهربائية التي تم تصنيعها خلال المائة عام الماضية ، وهو يحب أن ينظر إليها أكثر من وجهة نظر التطبيق. على سبيل المثال ، إذا اعتبرنا مروحة سقف ، فسنرى الكثير من محركات PMSM يتم استخدامها لهذا التطبيق. ومع ذلك ، إذا كان لديك مثقاب قائم على البطارية ، فمن المحتمل أن تستخدم محرك BLDC ، تمامًا كما سيستخدم شفاط النطاق محركًا حثيثًا للتيار المتردد وستستخدم المكنسة الكهربائية محركًا عالميًا يعمل بالتيار المتردد أو التيار المستمر.
قال كوينونز: “في الآونة الأخيرة ، كان هناك تحول واضح من تحريض التيار المتردد إلى محركات DC بدون فرش”. “لقد بدأت في رؤيته منذ 20 عامًا ، لكنه تسارع بشكل كبير في السنوات القليلة الماضية. هذا لأنه يمكننا الآن دمج الكثير من الذكاء المطلوب لدفع هذه الهياكل ، وهي أكثر كفاءة من نظيراتها “.
دور جهاز التحكم في المحرك
تلعب وحدة التحكم في المحرك دورًا أساسيًا في تنظيم سرعة واتجاه المحرك الكهربائي ، وإدارة عزم الدوران وضبط خرج الطاقة.
كما أوضح Quinones ، من مستوى عالٍ ، نحن نتحكم دائمًا في التيار لتنظيم عزم الدوران والجهد لتنظيم السرعة. في بعض التطبيقات ، يجب علينا أيضًا تنظيم طاقة الإخراج أو موضع المحور.
قال كوينونيس: “من وجهة نظر مادية ، هذه هي المعايير الأربعة الرئيسية التي يتعين علينا التعامل معها”. “ومع ذلك ، من وجهة نظر التطبيق ، يجب علينا أيضًا مراعاة جوانب مثل جودة التحكم في الحركة ، والقضاء على التذبذبات والعوامل الأخرى التي تحدد مدى جودة التنظيم.”
غالبًا ما تكون هناك أيضًا حاجة للتحكم في العديد من المعلمات في وقت واحد. على سبيل المثال ، قد تستخدم وحدة التحكم في الموضع وحدة التحكم في السرعة ووحدة التحكم الحالية. سيتعين على وحدة التحكم في المحرك أيضًا التعامل مع الاستجابة الديناميكية (التغييرات في الحمل) وإغلاق المحرك. عندما يتوقف المحرك ، يصبح مولدًا. يجب إعادة توجيه الطاقة التي يتم توفيرها في تلك اللحظة بسرعة باستخدام أجهزة متخصصة (مثل مقاومة الكبح أو مكابح الجسيمات) وخوارزميات البرامج.
حلول محسّسة وعديمة الإحساس
عندما ننتقل من تحريض التيار المتردد أو التيار المستمر المصقول إلى محرك BLDC ، نفقد القدرة على معرفة موضع العمود. لكي يعمل المحرك ، يجب أن نطبق مجالًا مغناطيسيًا دوارًا في الموضع الصحيح لزيادة عزم الدوران. نظرًا لعدم وجود هذه المعلومات في محرك BLDC ، نحتاج إلى طريقة ما لاستخراج موضع الدوار لإغلاق الحلقة. لحل هذه المشكلة ، يمكن للمصممين إضافة ثلاثة مستشعرات هول لاستخراج معلومات الدوار.
تكمن مشكلة مستشعرات القاعة في أنها يجب أن توضع بدقة عالية. إذا كانوا بعيدون قليلاً عن الموضع المحدد ، فستحدث عدم الكفاءة.
قال كوينونيس: “نظرًا لأن بعض هذه المحركات باهظة الثمن ، فإننا نشهد جذبًا تدريجيًا نحو التطبيقات التي لا تحتوي على أجهزة استشعار ، حيث يمكنك إزالة المستشعر بالكامل من المعادلة”. “في الواقع ، ما نقوم به هو استخدام المحرك كمستشعر.”
باستخدام back-EMF لتحديد موضع الدوار ، فإن التحكم في المحرك بدون مستشعر يناسب بشكل جيد التطبيقات ذات عزم الدوران المنخفض للغاية. ومع ذلك ، إذا كان هناك حمل بدء مرتفع ، فإن هذه الطريقة لا تعمل لأنه سيكون هناك EMF خلفي فقط إذا تحرك المحرك.
وفقًا لـ Quinones ، من الممكن أن يكون لديك محرك جيد باستخدام مستشعرات هول غير مثالية. تستخدم المستشعرات مبدئيًا لبدء تشغيل المحرك. ثم بمجرد توفر EMF الخلفي ، يمكننا التبديل إلى تقنية بدون أجهزة استشعار.
تحكم متكامل في المحرك
تتوفر العديد من أجهزة التحكم في المحركات والقيادة المتكاملة في السوق اليوم. بدلاً من المكونات المنفصلة ، تشتمل هذه الأجهزة على كتل مختلفة مثل المعالجات الدقيقة ومحولات DC / DC و LDMOS والواجهة الأمامية التناظرية وبرامج تشغيل البوابة في شريحة واحدة.
قال كوينونز: “أول ما يتبادر إلى الذهن عند دمج العديد من القطع المختلفة من السيليكون في حل جهاز واحد هو الإدارة الحرارية”. “هذا أمر مهم ، حيث أن الدوائر الكهروضوئية ذات الجهد العالي تطور الكثير من الطاقة التي يجب الاعتناء بها بشكل صحيح.”
تتضمن بعض أدوات التحكم في المحركات المتكاملة خوارزميات مُشفرة مسبقًا تنفذ تقنيات تحكم ميداني أو شبه منحرف أو تقنيات أخرى. وبالعكس ، فإن وحدة التحكم في المحرك المزودة بوحدة تحكم دقيقة فارغة ويمكن للمصمم استخدام أي خوارزمية مفضلة. يوضح الشكل 2 مثالاً لوحدة تحكم / سائق محرك BLDC متكامل للغاية.
قال كوينونيس: “آخر شيء أردت ذكره فيما يتعلق بوقت حصولك على جهاز متكامل هو أنك ستكون مبدعًا بعض الشيء في التأريض والتوجيه على طبقة PCB”. “هذا لأن كل شيء الآن على شريحة واحدة.”
كما هو الحال في أي تطبيق آخر للطاقة ، تعد الكفاءة عاملاً حاسمًا. كما أشار Quinones ، يتعلم Qorvo دائمًا كيفية تحسين خوارزمياته للحصول على مزيد من الكفاءة خارج النظام. التحدي الرئيسي الآخر لمصممي التحكم في المحركات هو التداخل الكهرومغناطيسي ، والذي يحدث لأنه ، من خلال تبديل الأحمال الحثية ، سيتم إنشاء بعض المكونات عالية التردد.
قال كوينونز: “يجب أن تكون دائمًا على دراية بالتداخل الكهرومغناطيسي ، حيث يجب أن يجتاز التصميم الخاص بك أحيانًا شهادة EMI”. “هذا شيء يجب أن تكون على دراية به ، وعليك أن تفكر في جميع شهادات السلامة المطلوبة.”
فيما يتعلق باستخدام المواد الناشئة ذات فجوة النطاق العريضة ، مثل كربيد السيليكون ونتريد الغاليوم ، تذكر Quinones كيف استحوذت Qorvo على UnitedSiC قبل بضع سنوات ، مما سمح للشركة بتقديم SiC MOSFETs.
“قمت بتصميم مرجعي بأحد أجهزتنا ، PAC5556 ، باستخدام أحد [UnitedSiC’s] قال كينونيس: “دوائر ترانزستورات كربيد السيليكون”. “تحصل على جهاز يمكنه التبديل بسرعة كبيرة بحيث تقل خسائر التبديل بشكل كبير. تمنحك هذه التقنية قيمة R أقل بكثيرDS (تشغيل) من IGBTs و MOSFETs ، مما يعني خسائر توصيل أقل. “
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
