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