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 contra-electromotriz têm desafios extras no início do movimento, porque nenhum back-EMF 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/BL-Ctrl_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 ( <0,5 ms) e aplicá-lo. Além disso, o controlador tem que ter um interface de barramento I2C.

Por esta razão, desenvolvemos um controlador de velocidade a preços razoáveis para motores sem escovas.

O manual para a construção, o diagrama, o software e a partslist estão todos disponíveis para downloads [http://www.mikrokopter.de/ucwiki/en/Downloads] …

Detalhes Técnicos

• Tamanho 20 * 43mm
• BL-Ctrl Versão 1.2: 10-12A potência de saída contínua de aproximadamente 160W
• BL-Ctrl Versão 1.2: Corrente de pico: 20A -> 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
• Dois LEDs (verde: Ok e vermelho: Erro)
• 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)
• 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

 

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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

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